CN101420037B - 一种质子交换膜燃料电池金属双极板 - Google Patents
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Abstract
一种质子交换膜燃料电池金属双极板，由金属薄板制成的阴极腔单极板和阳极腔单极板组合构成，单极板的正面分别是阴、阳极腔，阴、阳极腔单极板的背面是冷却水腔，单极板的正、背两面均设有凹凸沟槽构成的流道，正、背两面的凹凸沟槽相互对应，正面的凸起是背面的凹槽，正面的凹槽是背面的凸起，正面的凹凸沟槽分别构成了阴、阳极腔的流道，背面的凹凸沟槽构成了冷却水腔的流道。本发明的优点是：制造的双极板厚度薄、流体相互严格分隔、流体分配好、重量轻、加工简单、加工成本低。
Description
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池，尤其涉及质子交换膜燃料电池双极板。
背景技术
质子交换膜燃料电池一个单电池电压一般在0.3-1.0V，实际应用中，是将几十～几百个单电池用双极板串联一起使用，双极板供给单电池的燃料和氧化剂并分隔燃料和氧化剂，大功率质子交换膜燃料电池双极板还具有冷却装置，冷却剂与燃料和氧化剂也必须分隔，因此，要求双极板具有导电性、耐蚀性和密封性。大功率质子交换膜燃料电池双极板结构一般分为三腔，即两个气腔和一个冷却腔，每个腔室都具有特殊的流场，每个腔室之间还必须分隔密封。双极板的结构主要由流场、分隔板、密封结构组成。传统双极板是用不透性石墨材料机加工或者石墨树脂复合材料以及金属薄板模压而成，这三种材料的双极板结构基本相似，流场直接在平板上雕刻或者模压，其中气流场分别刻在或模压在两块平板上，冷却腔流场刻在或模压在其中一块或两块平板的另一平面上，分隔板是石墨平板中部未刻透部分或者模压沟槽底部，密封结构分为冷却腔和气腔结构，将两块板的冷却腔粘合或者用0型圈密封形成冷却腔，气流场与质子交换膜燃料电池电极装置MEA组合密封，形成气腔密封，从而得到双极板的三个互相密封的腔室，对于壁厚较厚的石墨板三腔进出口通道可以通过雕刻或者模压得到。现有双极板的不足是：双极板的三个互相密封的腔室的流场都是分别做出的，结构烦琐，设计较为复杂。
发明内容
本发明的目的是提供用阴极腔板和阳极腔板粘接或者焊接成的一种金属双极板，两片单极板之间形成冷却腔，不需要单独制作冷却腔的流场。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种质子交换膜燃料电池金属双极板，由金属薄板制成的阴极腔单极板和阳极腔单极板组合构成，单极板的正面分别是阴、阳极腔，阴、阳极腔由单极板的中部凹凸沟槽构成的流道、两端开设的公用氢气通道开口、公用空气通道开口和公用水流通道开口组成，流道由中间部分的流场流道、流场流道两端的分配流道和与分配流道连通的进出口通道组成，分配流道的一端与流场流道连通，另一端分别与氢气进出口通道、空气进出口通道和水流进出口通道连通，进出口通道在阴、阳极腔单极板的两端各有三个，分别是氢气进出口通道、空气进出口通道和水流进出口通道，氢气进出口通道、空气进出口通道和水流进出口通道分别与各自的公用通道开口相通，公用氢气通道开口、公用空气通道开口和公用水流通道开口之间设有密封胶线槽，单极板流道外缘沿单极板四边设有胶线槽，密封胶线槽内装有密封胶圈，密封胶圈封闭的区域分别为阴、阳极腔，阴极腔单极板的背面相对，阴极腔胶线槽的背面与阳极腔胶线槽的背面相互接靠，用密封胶膜或密封胶粘接，密封组合成冷却水腔，其特征在于所述的单极板的正、背两面均设有凹凸沟槽构成的流道，正、背两面的凹凸沟槽相互对应，正面的凸起是背面的凹槽，正面的凹槽是背面的凸起，正面的凹凸沟槽分别构成了阴、阳极腔的流道，背面的凹凸沟槽构成了冷却水腔的流道；所述的双极板的阴、阳极腔的流场流道沟槽的深度比胶线槽的深度深，二者的高差为冷却水腔密封胶厚度的一半，所述的单极板的分配流道是转角型流道或者倾斜式流道，阴、阳极腔分配流道沟槽的转角或者倾斜走向相反，在冷却水腔内形成分配流道互相交叉，所述的阴极腔的水流进出口通道处的密封线槽和阳极腔的水流进出口通道处的密封线槽不在相同的位置，呈前后错位设置，在冷却水腔的水流进出口通道处形成一个水流通道腔，阴、阳极腔水流进出口通道处的胶线槽的背面垫有支撑垫片，垫片厚度与胶线槽深度一致，支撑垫片间隔设置，支撑垫片之间间隔形成水流通道，阴、阳极腔水流进出口处的胶线槽背面所垫支撑垫片大小相同，排列方向一致；在阴极腔的水流进出口通道与分配流道之间设有一条横向凹凸沟槽，凹凸沟槽在冷却水腔形成一条水流通道，水流通道一端通达阳极腔氢气进出口通道，阳极腔氢气进出口通道的背面是水流进入阳极腔侧分配流道的背面流道，阳极腔侧的分配流道背面形成的水腔分配流道，实现水流在阴极腔侧的分配，通道另一端通达阴极腔侧空气进口通道；阳极腔的水流进出口通道与分配流道之间设有一条横向凹凸沟槽，凹凸沟槽在冷却水腔形成一条水流通道，水流通道一端通达阴极腔空气进出口通道，阴极腔空气进出口通道背面是水流进入阴极腔分配流道的背面流道，阴极腔侧的分配流道的背面形成的水腔分配流道，实现水流在阳极侧的分配，通道另一端通达阳极侧空气进口通道。
本发明所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述的金属薄板是耐蚀不锈钢薄板，板表面进行耐蚀和导电改性涂层处理，薄板厚度为0.10-0.30mm。
本发明所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述的单极板分配流道与流场流道之间的转角角度或者倾斜角度在10°-80°之间。
本发明所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述的单极板上凹凸沟槽构成的流道，凹凸沟槽的凹下和凸起的高度在0.2～0.8mm。
本发明所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述的阴、阳极腔水流进出口处的胶线槽背面所垫支撑垫片为3～5片，支撑垫片之间的间隔在2～10mm。
本发明的优点是：制造的双极板厚度薄、流体相互严格分隔、流体分配好、重量轻、加工简单、加工成本低。
附图说明
本发明共有附图9幅，其中
附图1是阳极板示意图。
附图2是阴极板示意图。
附图3是冷却腔(水腔)进口通道示意图。
附图4是水腔进口通道支撑垫板示意图，
附图5是附图2中冷却腔进口位置A-A截面形状示意图。
附图6是附图1中气腔进口位置B-B截面形状示意图。
附图7是附图1中气腔进口位置C-C截面形状示意图。
附图8是附图1中气腔进口位置D-D截面形状示意图。
附图9是附图1中气腔进口位置E-E截面形状示意图。
附图中
1、氧腔进口开口 2、冷却腔进口开口 3、氢腔进口开口 4、胶线槽5、流场流道 6、氢腔进口通道 7、冷却腔进口通道 8、氧腔进口通道 9、氢腔冷却腔进口位置胶线槽 10、氧腔冷却腔进口位置胶线槽 11、氢腔分配流道 12、阳极腔单极板 13、阴极腔单极板 14、氧腔分配流道15、氧腔冷却腔进口支撑垫板 16、氢腔冷却腔进口支撑垫板
具体实施方式
下面结合附图给出的实施例对本发明作进一步说明。
材料选择：
1、SUS316L不锈钢薄板，薄板厚度为0.10mm；
2、市售环氧丁腈结构胶膜，厚度为0.20mm
3玻璃布层压板，厚度为0.45mm；
例一：工艺步骤：
按照本发明设计的极板结构设计模压模具；
厚度为0.10mm不锈钢薄板上表面涂覆挥发性冲压拉伸油，将此板放入模具，在四柱式液压机上模压，得到设计的各腔流场沟槽和密封胶线槽板，冲压沟槽深度为0.5mm，极板尺寸为410x100mm，流场区尺寸为340x85mm。
不锈钢冲压后进行表面耐蚀导电涂层处理，本方案采用电镀贵金属银，涂层总厚度0.02mm。
分别在阴阳极板冷却腔胶线槽部位垫上玻璃布层压板小片，小片之间间隔距离为5mm，前后小片之间对齐，形成冷却腔进出口通道；
在气腔流场进出口部位粘贴用玻璃布层压板制造的支撑小片，小片之间间隔距离5mm，小片之上垫上不锈钢薄板，形成密封线的支撑面。
在一侧极板胶线槽部位(除冷却腔胶线槽外)贴上胶膜，将另一片与该片粘合，胶膜固化。
根据本步骤得到金属双极板总厚度为1.20mm。
例二：
将例一不锈钢板厚度改为1.5mm，同样的工艺步骤可以得到同样流场设计的双极板，双极板厚度为1.5mm。
Claims (5)
1.一种质子交换膜燃料电池金属双极板，由金属薄板制成的阴极腔单极板和阳极腔单极板组合构成，单极板的正面分别是阴、阳极腔，阴、阳极腔由单极板的中部凹凸沟槽构成的流道、两端开设的公用氢气通道开口、公用空气通道开口和公用水流通道开口组成，流道由中间部分的流场流道、流场流道两端的分配流道和与分配流道连通的进出口通道组成，分配流道的一端与流场流道连通，另一端分别与氢气进出口通道、空气进出口通道和水流进出口通道连通，进出口通道在阴、阳极腔单极板的两端各有三个，分别是氢气进出口通道、空气进出口通道和水流进出口通道，氢气进出口通道、空气进出口通道和水流进出口通道分别与各自的公用通道开口相通，公用氢气通道开口、公用空气通道开口和公用水流通道开口之间设有密封胶线槽，单极板流道外缘沿单极板四边设有胶线槽，密封胶线槽内装有密封胶圈，密封胶圈封闭的区域分别为阴、阳极腔，阴阳极腔单极板的背面相对，阴极腔胶线槽的背面与阳极腔胶线槽的背面相互接靠，用密封胶膜或密封胶粘接，密封组合成冷却水腔，其特征在于所述的单极板的正、背两面均设有凹凸沟槽构成的流道，正、背两面的凹凸沟槽相互对应，正面的凸起是背面的凹槽，正面的凹槽是背面的凸起，正面的凹凸沟槽分别构成了阴、阳极腔的流道，背面的凹凸沟槽构成了冷却水腔的流道；所述的双极板的阴、阳极腔的流场流道沟槽的深度比胶线槽的深度深，二者的高差为冷却水腔密封胶厚度的一半，所述的单极板的分配流道是转角型流道或者倾斜式流道，阴、阳极腔分配流道沟槽的转角或者倾斜走向相反，在冷却水腔内形成分配流道互相交叉，所述的阴极腔的水流进出口通道处的密封线槽和阳极腔的水流进出口通道处的密封线槽不在相同的位置，呈前后错位设置，在冷却水腔的水流进出口通道处形成一个水流通道腔，阴、阳极腔水流进出口通道处的胶线槽的背面垫有支撑垫片，垫片厚度与胶线槽深度一致，支撑垫片间隔设置，支撑垫片之间间隔形成水流通道，阴、阳极腔水流进出口处的胶线槽背面所垫支撑垫片大小相同，排列方向一致；在阴极腔的水流进出口通道与分配流道之间设有一条横向凹凸沟槽，凹凸沟槽在冷却水腔形成一条水流通道，水流通道一端通达阳极腔氢气进出口通道，阳极腔氢气进出口通道的背面是水流进入阳极腔侧分配流道的背面流道，阳极腔侧的分配流道背面形成的水腔分配流道，实现水流在阴极腔侧的分配，通道另一端通达阴极腔侧空气进口通道；阳极腔的水流进出口通道与分配流道之间设有一条横向凹凸沟槽，凹凸沟槽在冷却水腔形成一条水流通道，水流通道一端通达阴极腔空气进出口通道，阴极腔空气进出口通道背面是水流进入阴极腔分配流道的背面流道，阴极腔侧的分配流道的背面形成的水腔分配流道，实现水流在阳极侧的分配，通道另一端通达阳极侧空气进口通道。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述的金属薄板是耐蚀不锈钢薄板，板表面进行耐蚀和导电改性涂层处理，薄板厚度为0.10-0.30mm。
3.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述的单极板分配流道与流场流道之间的转角角度或者倾斜角度在10°-80°之间。
4.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述的单极板上凹凸沟槽构成的流道，凹凸沟槽的凹下和凸起的高度在0.2～0.8mm。
5.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述的阴、阳极腔水流进出口处的胶线槽背面所垫支撑垫片为3～5片，支撑垫片之间的间隔在2～10mm。
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