CN101465435B

CN101465435B - 质子交换膜燃料电池双极板多道蛇行流场结构

Info

Publication number: CN101465435B
Application number: CN2009100454107A
Authority: CN
Inventors: 麦建明; 彭林法; 来新民; 倪军; 林忠钦
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Zhizhen New Energy Co Ltd
Priority date: 2009-01-15
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2010-11-03
Anticipated expiration: 2029-01-15
Also published as: CN101465435A

Abstract

本发明涉及一种燃料电池技术领域的质子交换膜燃料电池双极板多道蛇行流场结构，包括在单一次冲压中同时形成的两侧流场，均为多道蛇行流场，在两侧流场的气体出入口附近设置半高脊和半深槽，正面流场的半高脊对应着反面流场的半深槽，反面流场的半高脊对应着正面流场的半深槽，其中：半高脊为脊的一部分，其高度小于脊且大于0，布置在气体出入口附近的气体流道之间，相邻流道通过半高脊的上部和膜电极组件之间的空隙连通；半深槽为流道的一部分，其深度小于流道且大于0，半深槽所在流道通过半深槽和膜电极组件之间的空隙连通。本发明省去了冷却液流场，极大简化了金属双极板的结构，使用多道蛇行流场，有效避免了排水困难的问题。

Description

质子交换膜燃料电池双极板多道蛇行流场结构

技术领域

本发明涉及的是一种燃料电池技术领域的双极板，具体是一种质子交换膜燃料电池双极板多道蛇行流场结构。

背景技术

通过氧化剂和还原剂在特殊结构中发生反应来直接产生电能的燃料电池。燃料电池主要是因为存在着几大技术瓶颈，如电解质和催化剂的效率，电池的结构和性能，材料性能和生产制造技术，还有就是最根本的成本问题。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种能够低温快速启动、结构简单、工作温度低、适合作为移动便携电源的燃料电池。质子交换膜燃料电池的基本工作原理是用催化剂促使氢气分裂成质子和电子，质子通过交换膜到达氧气侧，在催化剂的作用下，与氧气以及经由外电路到达氧气侧的电子反应生成水。质子交换膜燃料电池室温下的的理论开路电压是1.229V，实际开路电压约为1.0V，一般工作电压则更低，约0.6V～0.8V。因此一般将单电池串联起来组装成电堆，以提高输出电压。最有利于单电池串联组装的结构形式就是平板式单电池堆叠。双极板就是这种电堆结构形式的骨架。

双极板是质子交换膜燃料电池中起到支撑固定质子交换膜电极组件、分隔燃料气体(氢气)和氧化气体(氧气或空气)、让反应气体在质子交换膜两侧均匀分布并高效反应、收集传导电流等作用的重要部件。

目前广泛使用的双极板主要以石墨或金属作为基础结构的材料。金属相对于石墨，具有无孔隙、机械强度高、可加工性好等特点，随着金属表面防腐导电工艺的不断进步，金属将更有潜力成为未来低成本双极板的基本结构材料。

现有的金属双极板结构设计，多采用两层以上焊接或拼接而成，或者采用金属板和复合材料板结合而成，以申请号为200710044479.9，名称为：基于薄板冲压成形的质子交换膜燃料电池双极板，使用两层金属板，以及金属板之间再加一层复合板的设计，除了双极板两侧的气体流场，还有两层金属板之间的冷却液流场。这种结构设计直接继承自石墨双极板，而并未进一步发挥金属的性能优点和工艺特点。

经对现有技术的文献检索发现，使用单片金属冲压成形工艺的金属双极板，中国专利申请号为200410082920.9，公开号为CN 1781261A。名称为：一种冲压金属双极板结构，该技术称：双极板正反面分别对称设置有燃料气体通道、氧化剂气体通道、冷却介质通道以及双极板流场区；双极板流场区中设有气体流场沟槽和用于收集电流的流场凸台，流场沟槽和流场凸台交错排布，双极板正反对称，正面的流场沟槽为背面的流场凸台，正面的流场凸台为背面的流场沟槽；冲压双极板的正反面均带有放密封元件的密封槽。密封槽设置于燃料气体通道、氧化剂气体通道、冷却介质通道之间；双极板的边缘为凹凸对应的交错排布结构，形成应力释放区”。该技术在流道之前设置气体分配头，使用平行流场。这种流场形式限制了极板的尺寸。如果双极板太宽，平行流道太多，就很容易出现气体流道排水困难的问题，同时气体分配头的尺寸大小和气体分配效果也难以兼顾。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种质子交换膜燃料电池双极板多道蛇行流场结构。本发明由单片金属冲压成形，根据金属相对于石墨的性能优点以及工艺特点，将冷却液流场省去，极大简化了金属双极板的结构。本发明使用多道蛇行流场，在各种流场大小的情况下都可以灵活设置蛇行轨迹，将平行的流道数量控制在适当范围之内，有效避免了排水困难的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括在单一次冲压中同时形成的两侧流场，两侧流场均为多道蛇行流场。其中一侧流场为正面流场，另一面为反面流场，由单片金属冲压成形的双极板流场中，正面流场的流道对应着反面流场的脊，也就是反面流场相邻两条流道之间凸起的部分；而反面流场的流道也同样对应着正面流场的脊。在两侧流场的气体出入口附近设置半高脊和半深槽，根据冲压成形的特点可知，正面流场的半高脊对应着反面流场的半深槽，反面流场的半高脊对应着正面流场的半深槽。半高脊为脊的一部分，其高度小于脊且大于0，根据气体流场的设计气流路径，布置在气体出入口附近的气体流道之间。相邻流道通过半高脊的上部和膜电极组件之间的空隙连通。半深槽为流道的一部分，其深度小于流道且大于0。半深槽所在流道通过半深槽和膜电极组件之间的空隙连通，气体可以通过半深槽和膜电极组件之间的空隙。正面流场的半高脊对应着反面流场的半深槽。

本发明中，半高脊和半深槽的尺寸使一侧的各条流道相互连通，同时不堵塞另一侧的流道。半高脊的布置目的是，通过与流场流道的特别搭配方式，使双极板的两侧能够同时形成完全连通的多道蛇行流场。本发明将半高脊布置于气体出入口附近，越靠近气体出入口，半高脊分布越密集。在半高脊或半深槽分布密集之处，可适当布置支撑柱，以支撑和固定膜电极组件。

本发明两侧流场，其中一侧流场称为正面流场，另一面的流场称为反面流场。以该正面流场中间的一条流道(也就是反面的一条脊)从头到尾为分界线，将正面流场和反面流场各自分为正反对应的两部分。在正面流场的出口和入口处，使用反面流场的半高脊(也就是正面的半深槽)连通反面流场的两个部分。在反面流场的其中一个部分的外侧设置反面气体的流入口，该反面流场部分在该气体流入口附近，使用反面流场的半高脊来实现该部分的反面流场各流道之间的连通。并在反面流场的另一个部分的对应位置设置反面气体的流出口，同样使用反面流场的半高脊来实现气体流出口附近该部分反面流场各流道的连通。

由于两侧流场均为多道蛇行流场，所以必然会有一侧在多道蛇形流场的回头弯处有一气体流道没有出口，称为气流盲道，在该流道的末端使用半高脊来实现该流道的气体疏导。

当燃料电池堆的规模较大时，为保证燃料电池堆的温度的分布和恒定，需要每隔数块单金属片冲压成形双极板布置一个含有冷却液流道的双极板。

双层金属板的双极板结构继承于石墨双极板的结构设计。虽然纯石墨的导热率比金属，尤其是比不锈钢要高，但石墨双极板中含有粘结剂等其他成分，而且厚度远高于使用金属板冲压成形工艺的金属双极板，所以实际上金属双极板的导热性能比石墨双极板要好。因此使用金属双极板的燃料电池堆可以减少冷却液流场的数量，并不需要在所有双极板上都布置冷却液流道。

使用单片金属能有效减小燃料电池堆的体积和重量，使用冲压成形方式能有效简化生产工艺降低制造成本。本发明使用多道蛇行流场作为流场的基本形式，具有设计生产制造方便，气体分配均匀，有效防止气体流场积水等的特点。本发明使用半高脊、半深槽、支撑柱等特殊设计，有效解决了在单一块金属板的两侧同时形成流场时所遇到的问题。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图；

图2为本发明正面流场气体出入口附近的半高脊布置示意图；

图3为本发明反面流场气体出入口附近的半高脊布置示意图；

图4为本发明用于疏通气流盲道的半高脊布置示意图；

图5为图2所示部分极板的背面流场示意图；

图6为图3所示部分极板的背面流场示意图；

图中：多道蛇行流场1，正面流场2、反面流场3、半高脊4、半深槽5、支撑柱6、气流盲道7、正面流场的气体出入口8、反面流场的气体出入口9、正面流场中间的一条流道10、反面流场的两部分11、12。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-6所示，本实施例中涉及的由单片金属冲压成形的质子交换膜燃料电池双极板，包括两侧多道蛇行流场1，所述两侧多道蛇行流场1在单一次冲压中同时形成，其正面流场2的流道对应着反面流场3的脊，而反面流场3的流道也同样对应着正面流场2的脊。多道蛇行流场1的正面流场2、反面流场3设有半高脊4、半深槽5，其中半高脊4为脊的一部分，其高度小于脊且大于0，布置在正面流场2的气体出入口8、反面流场3的气体出入口9附近的气体流道之间。正面流场2的半高脊4对应着反面流场3的半深槽5，反面流场3的半高脊4也同样对应着正面流场2的半深槽5。通过半高脊4的上部和膜电极组件(MEA)之间有空隙，相邻流道可以连通。半深槽5为流道的一部分，其深度小于流道且大于0。气体可以通过半深槽5和膜电极组件之间的空隙，因此半深槽5所在流道仍然是连通的。

本实施例中，冲压金属双极板的材料可选择不锈钢、钢材、铝材、钛、镍等材料。根据不同金属材料的延展性、机械强度，以及成形之后的双极板强度、重量等，板材厚度一般在0.1～1mm范围内，以0.1～0.5mm范围内为佳。

冲压金属双极板的结构设计以多道蛇行流场1为基础，在一次冲压中同时形成两面的流场，根据“正面流场的流道对应反面流场的脊”的冲压成形特点，流场的流道宽度和脊的宽度比例应近似于1∶1。流道的宽度在0.2～5mm范围内，脊的宽度在0.2～5mm范围内，流道深度在0.2～5mm范围内。流道的形状不限，倒角半径应根据金属材料的性能和金属板的厚度来决定，要求金属板在冲压成形之后不穿孔不皱折，不过分变薄。

本实施例中半高脊和半深槽的长度为1mm-50mm，高度或深度为0.1mm-4.9mm。

如图1所示，以正面流场2中间的一条流道10从头到尾为分界线，将反面流场分为两部分11和12。在正面流场2的气体出入口8附近，如图2所示，设置反面流场3的半高脊。通过这些半高脊4和MEA之间的空隙，反面流场3的两部分11和12的流道能够连通。在反面流场3的气体出入口9附近，如图3所示，设置反面流场3的半高脊4。通过这些半高脊4和MEA之间的空隙，反面流场3两个部分11和12的流道都能够连通到各自附近的反面流场3的气体出入口9。通过半高脊4与流场的搭配设计，使得双极板的两面都能够形成连通的流场。

如图4所示，由于两侧流场2、3均为多道蛇行流场，必然有一面的流场会有一气流盲道7。将该流道的盲端附近的脊设计成半高脊4，就可以疏通气体原本无法流通的该气流盲道。

整块双极板上的半高脊的高度不必一样，而要根据整块双极板上两面流场的气流均匀性优化各个半高脊的高度和长度。

如图2、3所示的，气体出入口8、9附近的半高脊4分布密集处，设置向反面流场3凸起的支撑柱6，以支撑MEA。

采用如上述附图所示的极板设计，设计冲压模具。冲压的金属薄板厚度为0.1mm，双极板的流道宽度为0.8mm，脊的宽度为0.8mm。流道深度也就是脊的高度为0.5mm，半高脊的高度取0.25mm。支撑柱为圆柱形，位于半高脊的顶部，其顶部与脊的顶部齐平。为使冲压所得的金属薄板不裂开，每条边上的圆角半径至少取0.2mm，支撑柱所用的圆角半径则要0.3mm。最后将冲压好的金属薄板切掉外侧多余部分，并切割出气体出入口。

本实施例充分利用了冲压成形工艺应用在金属板上时的特点，搭配流场形式，设计出只使用单片金属冲压形成多道蛇行流场的金属双极板，有效简化了金属双极板的结构，减少了燃料电池电堆的重量和成本。相对于使用双片金属成形双极板的燃料电池电堆，使用本实施例的燃料电池电堆的重量可减少30％。

Claims

1.一种质子交换膜燃料电池双极板多道蛇行流场结构，包括在单一次冲压中同时形成的两侧流场，其中一侧流场为正面流场，另一面为反面流场，正面流场的流道对应着反面流场的脊，而反面流场的流道也对应着正面流场的脊，其特征在于：所述两侧流场均为多道蛇行流场，两侧流场的气体出入口附近设置半高脊和半深槽，正面流场的半高脊对应着反面流场的半深槽，反面流场的半高脊对应着正面流场的半深槽，其中：所述半高脊为脊的一部分，其高度小于脊的高度且大于0，布置在气体出入口附近的气体流道之间，与半高脊相邻的流道通过半高脊的上部和膜电极组件之间的空隙连通；所述半深槽为流道的一部分，其深度小于流道的深度且大于0，半深槽所在流道通过半深槽和膜电极组件之间的空隙连通。

2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板多道蛇行流场结构，其特征是，所述半高脊布置于气体出入口附近，越靠近气体出入口，半高脊分布越密集。

3.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池双极板多道蛇行流场结构，其特征是，所述半高脊或半深槽分布密集之处布置支撑柱，用以支撑和固定膜电极组件。

4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板多道蛇行流场结构，其特征是，所述两侧流场，其中一侧流场在多道蛇形流场的回头弯处有一气流盲道，该流道盲端附近的脊设置半高脊。