CN100588015C - 一种板料冲压成型金属双极板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及质子交换膜燃料电池的双极板，具体地说是一种板料冲压成型金属双极板，包括一个金属阳极单极板，一个金属阴极单极板，阳极单极板和阴极单极板上分别设置有氧化剂、还原剂及冷却介质的公用通道，在阳极单极板与阴极单极板之间设置有水框，水框内填充有作为排热水流场的拉伸金属网，所述氧化剂公用通道、还原剂公用通道、冷却介质公用通道及阳极单极板和阴极单极板的边沿均向外翻折有筒状的突起。本发明大幅度的提高了双极板的有效利用面积，提高了双极板利用率。
Description
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池的双极板，具体地说是一种可用于质子交换膜燃料电池的板料冲压成型金属双极板结构，其可提高双极板利用率。
背景技术
PEMFC直接把储存在燃料(如氢气)和氧化剂(如空气)中的化学能转化为电能，在地面发电站、交通运输和便携电源等领域都具有巨大的应用前景。PEMFC单电池的电压很低(0.6～0.7V)，为了获得有用的电流和电压，需要把多个单电池串联起来构成一个电池堆。分割相邻两个单电池的隔板叫双极板。双极板是PEMFC的一个多功能组件，它的基本作用是向燃料电池电极提供反应物和为电池堆内相邻电池提供电连接，同时从电池内排出产物水和反应热。良好的双极板必须满足许多材料和结构要求：
1.具有良好的电导率(≥10scm-1)；
2.具有良好得导热系数(≥20Wcm-1K-1)；
3.良好的气密性(＜10-4mbar cm3s-1cm-2)；
4.在酸性水气、氧气和热的条件下耐腐蚀；
5.体积小重量轻；
6.材料便宜和加工成本低。
良好的电导率是保证在满负荷工作时双极板的电压损失小于3％；良好的导热系数是保证具有较低的温度梯度。
石墨具有良好的电导率和优良的耐腐蚀性能，密度也很低，是传统PEMFC双极板的首选材料。但是，石墨缺乏机械强度，柔软性不好，导致石墨双极板比较厚，而且机加工流场耗时长，成本过大，无法满足PEMFC商业化要求的大规模廉价生产。
利用聚合物和石墨粉(或碳粉)混合制备复合双极板是PEMFC的另一个选择，它具有成本低、重量轻和容易生产等优点。气体分布通道可以采用真空或压缩等方式直接加工在双极板上，不需要机械加工。复合双极板的特性主要取决于石墨粉与聚合物的比例，和聚合物的种类。尽管有大量的关于制备复合双极板的专利文献，但是，目前还没有商业化的廉价产品出售，其主要原因是制备带气体流场的复合双极板的模具价格昂贵，脱膜困难，成品率低，导致复合双极板价格依然昂贵。
金属具有良好的导电、导热特性和柔韧性，多少年来人们一直在探讨包括不锈钢、铝和钛等板作为PEMFC双极板的可能性，也取得了可喜的进步。金属双极板通常采用两种形式，一种是流场与集流板分开的方式，即集流板采用不锈钢等技术光板，金属网流场金属网，如美国专利US6,207,310[文献1.Wilson；Mahlon S.；Zawodzinski；Christine，”Fuel cellwith metal screen flow-field”，[P].US6,207,310]，其不足之处是金属网固定困难，多层网很难保证所有节电池的匹配均匀。另一种方式是采用冲压或挤压等方式把流场直接压制在薄金属板上，把具有阳极流场的单极板和具有阴极流场的阴极板焊接或粘结在一起，构成双极板，中间形成排热流体通道[文献2.Rock；Jeffrey A，“Stamped bipolar plate for PEM fuel cellstack”，[P]US 6,503,653]。但实际上，要想利用两片单极直接粘结或焊接在一起，即能满足两板之间的水通道，又保证足气体通过公用管道进入各个流场通道的畅通，在冲压板结构上是很难实现的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可扩大双极板有效利用面积的板料冲压成型金属双极板。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种板料冲压成型金属双极板，包括一个金属阳极单极板，一个金属阴极单极板，阳极单极板和阴极单极板上分别设置有氧化剂、还原剂及冷却介质的公用通道，在阳极单极板与阴极单极板之间设置有水框，水框内填充有作为排热水流场的拉伸金属网；所述氧化剂公用通道、还原剂公用通道、冷却介质公用通道及阳极单极板和阴极单极板的边沿均向外翻折有筒状的突起。
所述突起的高度为0.2～0.5mm；所述金属阳极单极板的外侧表面上可成型有阳极流场；所述金属阴极单极板的外侧表面上可成型有阴极流场。
本发明具有如下优点：
1.利用冲压过程使需要密封部分的单极板突起0.2～0.5mm，代替传统的密封沟槽，降低了密封件占双极板面积，大幅度的提高了双极板的有效利用面积，提高了双极板利用率。
2.阳极流场板、阴极流场板和水流场可以独立优化，使各个流场能够为满足燃料电池反应具有最佳的结构。
3.降低了双极板的自身重量和体积雪，使电池的体积比功率与质量比功率都有显著提高；适合于批量生产。
附图说明
图1为本发明板料冲压成型的金属双极板焊接结构示意图；
图2为板料冲压成型的金属双极板应用时的密封结构示意图；
图3为传统双极板的密封结构示意图；
图4为本发明板料冲压成型的金属流场极板示意图；
图5为本发明双极板应用时的密封结构示意图；
图6为传统双极板的密封结构示意图；
图7为燃料电池百小时寿命实验结果示意图；
图中1为阴极单极板，2为水流场，3为水框，4为阳极单极板，5为突起，6密封件，7阴极胶线框，8阳极胶线框。
具体实施方式
一种板料冲压成型金属双极板，如图1所示，由四部分构成，包括一个金属阳极单极板4(其外侧表面上成型有阳极流场，可以独立优化)，一个金属阴极单极板1(其外侧表面上成型有阴极流场，可以独立优化)，而两个单极板上不设水通道功能；在阳极单极板与阴极单极板之间设置有一个保持排热水流场具有一定通道宽度、和各个流体进入流场通道的界面积的水框3，水框内填充有作为排热水流场的拉伸金属网形成一个水流场2(流场结构可以独立优化)；四部分可以采用粘结或焊接复合在一起。
阳极单极板和阴极单极板上分别设置有氧化剂、还原剂及冷却介质的公用通道，所述氧化剂公用通道、还原剂公用通道、冷却介质公用通道及阳极单极板和阴极单极板的边沿均向外翻折有筒状的突起5；
单极板上的流场可以采用压制或冲压成型，如图4所示。为了防止不锈钢的氧化和减小接触电阻。双极板在制备好以后可以通过，化学镀、电镀和PVD等技术在流场上镀上一层，贵金属、氮化钛或碳化钛等。
本发明采用在冲压过程中，通过模具设计，使所有需要密封部分均突出一定高度，根据密封要求高度在0.2～0.5mm。利用这个高度限制密封件，这样就把传统需要几毫米宽的面积，用单极板厚度(0.1～0.3mm)代替，从而降低了双极板上密封件占去的面积，提高了双极板上参与电化学反应的面积。
传统双极板上必须留有放置密封件的位置，既所谓密封沟槽，其通常采用设置限位框的形式来实现，如图3所示，占据了很大一部分双极板面积。
应用时，为了扩大双极板的有效利用面积，本发明提出了一种密封结构，如图2所示，即在单极板外侧直接安放一密封件即可；其所采用的密封件为申请人自行设计的结构(申请号200520093633.8，发明名称为：一种质子交换膜燃料电池的密封件)，其由中间的环形硬质骨架和其外包覆的软质胶体构成。大幅度的提高了双极板的有效利用面积，并扩大了膜电极的有效面积；由于双极板有效面积的提高，使电池的体积比功率与质量比功率都有显著提高；与现有技术相比，本实用新型具有密封可靠，结构简单，工艺性好，大大简化了电池的组装工艺，有利于批量生产等优点。
具体操作时，以外型尺寸为410×100大小的双极板为例，如图5和图6所示，采用本发明的密封结构，可以提高双极板利用率12.59％。
如图7所示，其为采用本发明双极板的燃料电池百小时寿命实验结果示意图。
Claims (4)
1.一种板料冲压成型金属双极板，包括一个金属阳极单极板，一个金属阴极单极板，阳极单极板和阴极单极板上分别设置有氧化剂、还原剂及冷却介质的公用通道，在阳极单极板与阴极单极板之间设置有水框，水框内填充有作为排热水流场的拉伸金属网，其特征在于：所述氧化剂公用通道、还原剂公用通道、冷却介质公用通道及阳极单极板和阴极单极板的边沿均向外翻折有筒状的突起。
2.按照权利要求1所述板料冲压成型金属双极板，其特征在于：所述突起的高度为0.2～0.5mm。
3.按照权利要求1所述板料冲压成型金属双极板，其特征在于：所述金属阳极单极板的外侧表面上成型有阳极流场。
4.按照权利要求1所述板料冲压成型金属双极板，其特征在于：所述金属阴极单极板的外侧表面上成型有阴极流场。
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