一種燃料電池金屬雙極板的制作方法
【專利說明】一種燃料電池金屬雙極板
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域，尤其涉及燃料電池金屬雙極板。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種把燃料中的化學(xué)能通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，具有高功率密度、低環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，在固定電源、電動(dòng)車、軍用特種電源盒可以動(dòng)電源方面具有廣闊的應(yīng)用前景，引起越來越多國(guó)家和企業(yè)的重視。目前，國(guó)內(nèi)外均已成功地將PEMFC應(yīng)用到載人的公共汽車和轎車上。
[0005]盡管目前有關(guān)PEMFC的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究已取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，但離商業(yè)化仍有相當(dāng)?shù)木嚯x，成本和壽命是關(guān)鍵制約因素。雙極板是燃料電池的核心部件之一，占整個(gè)電池重量的70°/Γ80%和成本的45%以上，在控制整個(gè)電池的成本和重量方面起著非常重要的作用。因此，開發(fā)易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的輕型、薄層雙極板對(duì)于提高電堆比功率、降低電堆成本，進(jìn)而推動(dòng)PEMFC商業(yè)化具有很重要的意義。
[0006]雙極板具有隔離并均勻分配反應(yīng)氣體、收集并導(dǎo)出電流、串聯(lián)各個(gè)單電池等功能。其材料主要包括金屬材料、石墨材料和復(fù)合材料。由于石墨類材料具有良好的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性，是目前PEMFC廣泛采用的極板材料。但石墨材料脆、氣密性差、機(jī)械強(qiáng)度低以及加工費(fèi)用高等缺點(diǎn)不易大規(guī)模生產(chǎn)，限制了其工業(yè)化應(yīng)用。與石墨材料相比，金屬材料具有機(jī)械強(qiáng)度高、良好的導(dǎo)電與導(dǎo)熱性能，同時(shí)易于被加工成薄板，可大幅度提高電堆的比能量，使極具競(jìng)爭(zhēng)力的雙極板材料。
[0007]雙極板由于極板材料不同，其設(shè)計(jì)也不盡相同。石墨雙極板通常是由氫板和氧板組成，冷卻水的流場(chǎng)是由氫板和氧板背部的流場(chǎng)組合形成。冷卻水的流場(chǎng)深度等可以根據(jù)要求采用機(jī)銑或壓模的方式加工得到。因而，冷卻水的流動(dòng)阻力可以控制在較小的范圍內(nèi)。采用其他耐腐蝕的薄型金屬材料時(shí)，極板加工采用沖壓的機(jī)械工藝進(jìn)行。為了減少電堆重量，與石墨板相同，金屬雙極板通常采用兩張金屬板組合而成，冷卻水的流場(chǎng)也是由氫板和氧板的背面組合而成。但由于金屬板采用沖壓工藝加工而成，因而極板背面不能經(jīng)過二次加工形成冷卻水的流場(chǎng)，冷卻劑的流場(chǎng)和導(dǎo)流場(chǎng)由兩張極板的背面流道組成。由于金屬材料本身的限制，極板流場(chǎng)的槽深一般不會(huì)太深(< 0.75mm)，特別是在導(dǎo)流場(chǎng)部分。造成了燃料電池各介質(zhì)的流場(chǎng)深度較淺，介質(zhì)在各流場(chǎng)中的阻力加大，增加了介質(zhì)在流場(chǎng)中的分配難度以及系統(tǒng)能耗。因而，為減小介質(zhì)在極板中的流動(dòng)阻力，特別是冷卻水的流動(dòng)阻力，雙極板采用三張極板或更多極板的組合方式，即在氫板和氧板之間增加一張冷卻水板。該組合方式可以在很大程度上減小介質(zhì)在雙極板中的流動(dòng)阻力，降低系統(tǒng)能耗。但由于增加一張冷卻水板，燃料電池的重量有所增加。雖然改善了燃料電池的散熱，并降低了介質(zhì)的流動(dòng)阻力，但同時(shí)也降低了燃料電池的比能量。因此，降低燃料電池雙極板的重量，同時(shí)不能影響電池的散熱，對(duì)于提高燃料電池比能量具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。
[0008]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明旨在提供一種在相同輸出功率條件下，比能量更高的燃料電池雙極板，達(dá)到介質(zhì)阻力更低、散熱和電池均一性更好的目的。
[0010]為達(dá)成上述目的，本發(fā)明提供一種燃料電池金屬雙極板，包括兩塊氣體介質(zhì)極板和冷卻劑極板，所述冷卻劑極板的外形面積與電池電極活性區(qū)面積相同，所述各氣體介質(zhì)極板上均有限制介質(zhì)流動(dòng)的流道，且各極板之間相互密封，其特征在于所述冷卻劑極板只有流場(chǎng)部分，所述冷卻劑極板上設(shè)有導(dǎo)流槽和流道。
[0011]一些實(shí)施例中，所述燃料電池雙極板結(jié)構(gòu)采用三張極板的組合方式，中間冷卻劑極板的外形面積與電池電極活性區(qū)面積相同，組合時(shí)嵌入密封圈內(nèi)部。
[0012]一些實(shí)施例中，所述雙極板與電極裝配過程中，冷卻劑極板與邊沿的密封圈支撐裝配壓力。
[0013]一些實(shí)施例中，所述冷卻劑極板表面采用機(jī)械加工各種孔結(jié)構(gòu)。
[0014]一些實(shí)施例中，所述各氣體介質(zhì)極板進(jìn)出口的深度和其極板流道深度相同。
[0015]一些實(shí)施例中，所述冷卻劑極板導(dǎo)流槽的進(jìn)出口深度和其極板流道深度相同。
[0016]—些實(shí)施例中，所述兩塊氣體介質(zhì)極板，一塊為氫氣極板，一塊為空氣或氧氣極板。
[0017]一些實(shí)施例中，所述冷卻劑極板可采用不銹鋼編織網(wǎng)或者鈦編織網(wǎng)。
[0018]一些實(shí)施例中，所述冷卻劑進(jìn)出歧口的截面積是傳統(tǒng)加工石墨板的兩倍。冷卻劑極板的多孔材料或多孔的沖壓平板與密封圈一起支撐流場(chǎng)空間。
[0019]本發(fā)明與其他典型金屬板組合方式的燃料電池雙極板相比具有許多優(yōu)點(diǎn)。雖然本發(fā)明雙極板的重量相比較于兩張極板增加約25%，但雙極板冷卻水流場(chǎng)阻力減小60%以上，可以在很大程度上降低系統(tǒng)冷卻泵的能耗，改善電堆的冷卻效果和電池的均一性；同時(shí)，由于冷卻劑極板8擁有獨(dú)立的流場(chǎng)分配歧口，氣體介質(zhì)的分配歧口截面積可以提高50%?100%,從而氣體介質(zhì)的分配更加均勻、阻力更小。由于本發(fā)明雙極板增加了一張冷卻劑極板，冷卻劑和氣體介質(zhì)進(jìn)出流場(chǎng)的截面積增加，阻力降低很多，因而極板的流道深度比兩張極板要求的沖壓深度降低30%以上。因此，雙極板本身的厚度與兩張極板組合方式基本相當(dāng)，并不會(huì)降低電池的體積功率密度。
[0020]該結(jié)構(gòu)相比較于傳統(tǒng)的三張金屬極板的重量減小20%以上，功率密度(W/kg)增加10%以上。
[0021]
【附圖說明】
[0022]通過閱讀參照以下附圖所作的對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
圖1是兩張金屬極板組合而成的雙極板剖面示意圖；
圖2是兩張極板組合后介質(zhì)進(jìn)出口的截面示意圖； 圖3是一般三張極板組合方式金屬雙極板；
圖4是本案例中雙極板的截面意圖；
圖5是本案例雙極板中的冷卻劑極板的平面示意圖；
圖6是本案例中金屬雙極板的進(jìn)出口截面示意圖。
[0023]圖中，I是氫氣極板，2是氧氣或空氣極板,3是娃橡膠,4是電池電極,5是氣體介質(zhì)極板組合后形成的空腔，6是冷卻劑極板，7是本發(fā)明的冷卻劑極板，8是孔。
[0024]附圖中相同或相似的附圖標(biāo)記代表相同或相似的部件。
[0025]
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步闡述本發(fā)明。本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例只是用于幫助闡述本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例并沒有詳盡敘述所有的細(xì)節(jié)，也不限制該發(fā)明僅為所述的【具體實(shí)施方式】。顯然，根據(jù)本說明書的內(nèi)容，可作很多的修改和變化。本說明書選取并具體描述這些實(shí)施例，是為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實(shí)際應(yīng)用，從而使所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員能很好地利用本發(fā)明。本發(fā)明僅受權(quán)利要求書及其全部范圍和等效物的限制。在閱讀了本發(fā)明記載的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。
[0027]現(xiàn)詳細(xì)說明根據(jù)本發(fā)明的一種燃料電池金屬雙極板。
[0028]圖1是兩張極板組合的金屬雙極板和電極面不意圖。金屬雙極板包括氫氣極板I和氧氣或空氣極板2。電池密封采用硅橡膠3等密封材料。在介質(zhì)進(jìn)出口處采用一定設(shè)計(jì)，使背面組合后能為冷卻劑提供流場(chǎng)。由于冷卻劑沒有獨(dú)立的極板流場(chǎng)，冷卻劑只能在兩張極板組合后形成的空隙中進(jìn)出流場(chǎng)。
[0029]圖2是兩張極板組合后介質(zhì)進(jìn)出口的截面示意圖。從圖中可以看出，雖然流道深度為h，但在氣體介質(zhì)導(dǎo)流槽進(jìn)出口處的深度通常只有30%h?60%h，因而組合后進(jìn)出口的截面積是限制介質(zhì)的進(jìn)出流場(chǎng)阻力，是雙極板中阻力較大的部位。由于金屬材料采用沖壓成型技術(shù)加工，金屬材料的塑變要求h不能太大，從而造成極板介質(zhì)進(jìn)出口截面積較小，流動(dòng)阻力較大，冷卻劑分布不均，進(jìn)而引發(fā)輔助系統(tǒng)能耗增加和電堆電極均一性不佳等不良后果。冷卻劑的流場(chǎng)是由氫氣極板I和氧氣或空氣極板組合后形成的空腔5。
[0030]圖3是一般三張極板組合式金屬雙極板和電極截面不意圖。金屬雙極板包括氫氣板、氧氣或空氣板和冷卻劑板，各極板和電極之間的密封采用硅橡膠3等密封材料。冷卻劑板的外圍大小與氣體介質(zhì)極板相同。三張極板的組合方式完全解決了以上提到的兩張極板的阻力問題，使冷卻劑流場(chǎng)和氣體介質(zhì)流場(chǎng)進(jìn)出口深度均能滿足與流場(chǎng)部分相同。
[0031]圖4是本案例中極板的截面不意圖。金屬雙極板包括氫氣極板1、氧氣或空氣極板2以及冷卻劑極板，極板之間采用硅橡膠3等密封材料。其特征在于，與一般冷卻劑極板6相比，本發(fā)明的冷卻劑極板7只有流場(chǎng)部分，邊沿沒有延伸到氫氣極板I和氧氣或空氣極板2外圍邊沿。同時(shí)，由圖4、5可以看出，本發(fā)明冷卻劑極板7表面有很多圓形孔8。與一般冷卻劑極板6相比，本發(fā)明的冷卻劑極板7的重量可以減輕50%以上。電堆在裝配過程中，壓力主要由冷卻劑極板和密封圈承受。
[0032]圖6是本案例中金屬雙極板的進(jìn)出口截面示意圖。從圖中可以看出，氣體介質(zhì)的極板進(jìn)出口深度hl、h2與流道深度h基本相同；同時(shí)，背面冷卻劑的進(jìn)出口深度h3，可以根據(jù)冷卻劑流量和冷卻劑的流阻設(shè)計(jì)控制其深度為h，甚至更深(只須控制中間水板的沖槽深度)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種燃料電池金屬雙極板，包括兩塊氣體介質(zhì)極板和冷卻劑極板，所述冷卻劑極板的外形面積與電池電極活性區(qū)面積相同，所述各氣體介質(zhì)極板上均有限制介質(zhì)流動(dòng)的流道，且各極板之間密封，其特征在于所述冷卻劑極板只有流場(chǎng)部分，所述冷卻劑極板上設(shè)有導(dǎo)流槽和流道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池金屬雙極板，其特征在于所述冷卻劑極板表面有孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池金屬雙極板，其特征在于所述冷卻劑極板表面為圓形孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池金屬雙極板，其特征在于所述各氣體介質(zhì)極板進(jìn)出口的深度和其極板流道深度相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池金屬雙極板，其特征在于所述冷卻劑極板導(dǎo)流槽的進(jìn)出口深度和其極板流道深度相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池金屬雙極板，其特征在于所述兩塊氣體介質(zhì)極板，一塊為氫氣極板，一塊為空氣或氧氣極板。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池金屬雙極板，其特征在于所述冷卻劑極板可采用不銹鋼編織網(wǎng)或者鈦編織網(wǎng)。
【專利摘要】一種燃料電池金屬雙極板，包括兩塊氣體介質(zhì)極板和冷卻劑極板，所述冷卻劑極板的外形面積與電池電極活性區(qū)面積相同，所述各氣體介質(zhì)極板上均有限制介質(zhì)流動(dòng)的流道，且各極板之間密封，所述冷卻劑極板只有流場(chǎng)部分，所述冷卻劑極板上設(shè)有導(dǎo)流槽和流道。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)既改善燃料電池的散熱性，同時(shí)保證電池比能量的技術(shù)問題，達(dá)到了氣體介質(zhì)分配更均勻、阻力更小，且提升了燃料電池比能量的有益效果。
【IPC分類】H01M4-86, H01M8-02
【公開號(hào)】CN104701550
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310663676
【發(fā)明人】孫毅, 張偉, 蔣永偉, 劉向, 朱榮杰, 張欣榮, 王麗娜
【申請(qǐng)人】上?？臻g電源研究所
【公開日】2015年6月10日
【申請(qǐng)日】2013年12月10日