CN102306805A - 有利于改善流体分配的质子交换膜燃料电池金属双极板 - Google Patents

Abstract

有利于改善流体分配的质子交换膜燃料电池金属双极板，由阴、阳极单极板对应连接构成，阴、阳极单极板两侧设有三腔公用管道，中部设直流场流道、分配流道和进出口流道，直流场流道由平行的凸起和沟槽组成，分配流道部分由按规律排布的导流岛和反向凸起的支撑点构成，阴、阳极单极板进口侧与出口侧为不对称结构，气腔公用管道进口的面积比出口的面积大0.1-0.5倍。本发明的优点是：分配流道改善了反应气体和冷剂的分配情况，可提高电堆性能，优化电堆水管理能力；三腔进出口不对称设计，最大限度节省了空间；组装的电堆，可适用电堆平置、侧置和立置操作；电池堆组装外定位，可避免电池堆发生扭曲、变形，提高电池堆的平整性。

Description

有利于改善流体分配的质子交换膜燃料电池金属双极板

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及质子交换膜燃料电池金属双极板。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其高效、节能、环保、安全等特性得到了广泛关注，被认为是替代内燃机的首选动力系统。双极板是PEMFC的关键组件，它不但显著影响PEMFC的性能，而且占据了电堆重量的70％-80％和成本的45％以上。因此，开发易于实现大规模生产的轻型、薄型双极板对于提高电堆比功率，降低生产成本，进而推动PEMFC商业化具有重要意义。

当前制备双极板的材料主要包括石墨、金属和复合材料等。石墨双极板电导率高、与气体扩散层之间的接触电阻低、耐腐蚀，是较好的双极板材料。但是石墨板较脆因而加工费用高，同时其气密性较差，为防止渗透，厚度必须较大。这给电堆组装带来了困难，大大降低了电池堆的质量比功率和体积比功率。复合材料双极板成本低、很容易实现批量化生产，但是其接触电阻大，生产时很难脱模，因而使用率也不高。因此，金属材料以其固有的高电导率和热导率、耐高温、气密性好、高强度、容易加工等优点，引起了很多PEMFC研究者的重视。

流场是在双极板上加工的各种形状的沟槽，为反应剂及生成产物提供进出通道，是燃料电池设计的关键因素。因此，设计合理的金属双极板及其流场既可以降低双极板的质量和厚度，提高PEMFC电堆的质量比功率和重量比功率，还可以均匀分配电池所需燃料和氧化剂，保证电流密度均匀分配，同时将电池生成的水及尾气顺利排出，提高PEMFC电池堆性能。

现有技术中，专利CN 101133506A公开了一种两端带有分配头中间是波浪形流场的金属双极板，其不足之处是：难以保证气体在各个流道的均匀分配，同时也难以实现电堆组装时的精确定位。

专利CN 101420037A公开了一种金属双极板板型，其阴极流场为一分三的直流场，阳极流场为一分二的蛇形流场，其优势为：双层结构可实现反应气体与冷剂的走通，且气体进出口压差大；但其不足之处是：蛇形流场结构使得气体阻力大多消耗在拐角处，不利于反应生成水和气体尾气的排除，另外水流场进出口相对较小，水阻较大，不利于双极板换热。

申请号为201010561291.3的专利公开了一种质子交换膜燃料电池双极板分配头，分配头由导流区和分配栅栏两部分组成，导流区底平板上按规律布设多排导流岛，分配栅栏位于导流区和极板流道区结合处，分配栅栏是一排均布的导流岛。其不足是分配头只限于气体流场，没有改变冷剂流体分配流场。

发明内容

本发明的目的是提供一种有利于反应气体和冷剂流体分配的金属双极板。本发明的技术方案是：有利于改善流体分配的质子交换膜燃料电池金属双极板，由金属薄板冲压成型的阴、阳极单极板对应连接构成，阴、阳极单极板上设有包括两侧的空气腔公用管道、氢气腔公用管道、冷却腔公用管道、中部的阴、阳极流场流道和密封线，阴、阳极流场流道由阴、阳极板中间直流场流道、与直流场流道两端相通的阴阳极板的空气和氢气分配流道和与分配流道连通的阴阳极板空气和氢气进出口流道组成，空气和氢气进出口流道分别与阴、阳极单极板两侧的空气腔公用管道和氢气腔公用管道连通，空气腔公用管道进口经过阴极板空气进口流道、进口侧阴极板空气分配流道、阴极板中间直流道、出口侧阴极板空气分配流道和阴极板空气出口流道与阴极板空气出口共用管道相通，氢气腔公用管道进口经过阳极板氢气进口流道、进口侧阳极板氢气分配流道、阳极板中间直流道、出口侧阳极板氢气分配流道和阳极板氢气出口流道与阳极板氢气出口共用管道相通；中间直流场流道由平行的凸起和沟槽组成，空气和氢气分配流道由按规律排布的分别向阴、阳极单极板正面凸起的导流岛构成，导流岛形状相同，呈纵列方向排布，导流岛纵列方向与双极板横向水平线之间的夹角为30-60°，导流岛之间间距1-3mm；密封线沿阴、阳极单极板周边及空气腔公用管道、氢气腔公用管道和冷却腔公用管道周边布置，其特征在于：所述阴、阳极单极板进口侧与出口侧为不对称结构，所述不对称结构包括：阴、阳极单极板进口侧从中间直流场流道进口端起至进口侧端部的两侧边比中间直流场流道的两侧边宽5-10mm，出口侧阴、阳极单极板的相对应的一侧边从中间直流场流道出口端起至出口侧的端部比中间直流场流道侧边宽5-10mm，空气腔公用管道和氢气腔公用管道进口的面积比出口的面积大0.1-0.5倍；所述阴、阳极单极板空气腔公用管道和氢气腔公用管道的与空气和氢气进出口流道相连的边为斜边，斜边与与双极板横向水平线之间的夹角为30～60°；所述空气和氢气分配流道还包括分别向阴、阳极单极板反面凸起的支撑点，支撑点形状相同，支撑点位于导流岛纵列的列与列之间，支撑点之间的间距沿气流方向的间距1-3mm，垂直于气流方向间距1-6mm，双极板的阴极单极板上的支撑点的上平面与相对的阳极单极板的平板互相支撑，形成冷却腔分配流道，冷却腔分配流道通过冷却腔进出口流道与冷却腔公用管道连通。

本发明所述的有利于改善流体分配的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述阴、阳极单极板的中间直流场流道与空气和氢气分配流道高度不同，中间直流场流道高度为0.3-0.5mm，空气和氢气分配流道高度为0.4-0.7mm，流道高度是指凸起顶端到凹槽底的高度，中间直流场流道比空气和氢气分配流道低0.1-0.2mm，空气和氢气分配流道导流岛的上平面与中间直流场流道凸起的上平面处于同一个平面上，空气和氢气分配流道支撑点的下平面与中间直流场流道沟槽的下平面不在同一个平面上，支撑点的下平面比直流场流道沟槽的下平面低0.1-0.2mm。

本发明所述的有利于改善流体分配的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述导流岛的形状是长方形、方形、圆形、椭圆形、梯形、三角形和梭形中的一种，所述形状中长宽不相等形状的导流岛的长度方向与气流方向一致排列。

本发明所述的有利于改善流体分配的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述导流岛的底平面形状的最长两点的长度为2.0-4.0mm，最宽两点的宽度为0.8-1.5mm，高度为0.2-0.4mm。

本发明所述的有利于改善流体分配的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述支撑点的形状是圆形、椭圆形、长方形、方形、梯形、三角形和梭形中的一种，所述形状中长宽不相等形状的导流岛的长度方向与气流方向一致排列。

本发明所述的有利于改善流体分配的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述支撑点的底平面形状的最长两点的长度为1.0-3.0mm，最宽两点的宽度为0.8-1.5mm，高度为0.2-0.4mm。

本发明所述的有利于改善流体分配的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述阴、阳极单极板的进口侧的两个顶角处设有缺口，缺口与出口侧的两个顶角组成双极板组装外定位结构。

本发明的有益效果是：

1、由于空气腔、氢气腔和冷却腔进出口不对称设计，其中气腔进口比出口面积大，冷却腔进出口面积相等，可增强气腔进出口压差，特别是可提高气腔出口的流体流速，有利于反应生成水及反应尾气的排除；同时不改变冷却腔进出口面积，可以极大地减小冷却腔阻力，提高电池换热效率。

2、导流岛的设置使反应气体在到达流道时，各流道内气体压力、速度分配均匀，从而简化燃料电池内部水管理，提高电池性能。

3、向阴、阳极背面凸起的支撑点上平面与相对侧的平板互相支撑，形成了冷却腔分配流道，使冷剂到达流道时，各流道内压力、速度分配也很均匀，提高了电池的换热效率。

4、由本发明的双极板组装的电堆，可适用电堆平置、侧置和立置操作，应用范围宽。

5、双极板组装既可以实现内定位，还可以实现外定位，尤其外定位可使电堆组装完成后，外置定位杆从电池堆上取下时，可避免电堆发生扭曲、变形，可提高电池堆的平整性。

附图说明

本发明共有附图四幅，其中

图1是阴极板结构示意图；

图2是阳极板结构示意图；

图3是阴极板密封胶线位置示意图；

图4是阳极板密封胶线位置示意图；

图5是空气氢气分配流道局部放大示意图；

图6是图5中A-A剖面示意图。

附图中：

01、阴极板空气进口公用管道；01′、阴极板空气出口共用管道；1、阳极板空气进口共用管道；1′、阳极板空气出口共用管道；02、阴极板冷剂进口共用管道；02′、阴极板冷剂出口共用管道；2、阳极板冷剂进口共用管道；2′、阳极板冷剂出口共用管道；03、阴极板氢气进口共用管道；03′、阴极板氢气出口共用管道；3、阳极板氢气进口共用管道；3′、阳极板氢气出口共用管道；04、阴极板空气进口流道；04′、阴极板空气出口流道；4、阳极板氢气进口流道；4′、阳极板氢气出口流道；05、阴极板空气分配流道；5、阳极板氢气分配流道；06、阴极板中间直流道；6、阳极板中间直流道；07、阴极板空气入口方向；7、阳极板氢气入口方向；08、阴极板冷却腔密封线；8、阳极板冷却腔密封线；09、阴极板流体进口端外定位口；9、阳极板流体进口端外定位口；010、阴极板流体出口端顶角；10、阳极板流体出口端顶角；011、阴极板内定位孔；11、阳极板内定位孔；012、阴极板空气腔密封线；12、阳极板氢气腔密封线；13、导流岛；14、支撑点。

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。

实施例1：

实施例1的双极板成型工艺步骤为：

1)选用0.1mm厚度的SUS316L不锈钢薄板，在四柱式液压机上冷冲压成型阴、阳极单极板，如图1、图2所示。阴、阳极单极板两侧有空气腔公用管道01、01′、1、1′、氢气腔公用管道03、03′、3、3′和冷却腔公用管道02、02′、2、2′，中部有平行的凸起和沟槽组成的直流场流道06、6，直流场流道两端是分别向阴、阳极单极板正面凸起的长方形导流岛13和向其背面凸起的支撑点14构成的空气和氢气分配流道05、5和与分配流道连通的空气和氢气进出口流道04、04′、4、4′，导流岛13形状相同，呈纵列方向排布，导流岛13纵列方向与双极板横向水平线之间的夹角为35°，支撑点14为圆点，支撑点14位于导流岛13纵列的列与列之间，双极板的阴极单极板上的支撑点上平面与相对的双极板的阳极单极板上平板互相支撑，形成冷却腔分配流道，冷却腔分配流道通过冷却腔进出口流道与冷却腔公用管道连通；空气和氢气进出口流道04、04′、4、4′分别与阴、阳极单极板两侧的空气腔公用管道01、01′和氢气腔公用管道3、3′连通，空气腔公用管道进口01经过阴极板空气进口流道04、进口侧阴极板空气分配流道05、阴极板中间直流道06、出口侧阴极板空气分配流道05和阴极板空气出口流道04′与阴极板空气出口共用管道01′相通，氢气腔公用管道进口3经过阳极板氢气进口流道4、进口侧阳极板氢气分配流道5、阳极板中间直流道6、出口侧阳极板氢气分配流道5和阳极板氢气出口流道4′与阳极板氢气出口共用管道1′相通；阴、阳极单极板进口侧与出口侧为不对称结构：进口侧从直流场流道进口端起至进口侧端部的两侧边比直流场流道的两侧边宽5-10mm，出口侧阴、阳极单极板相对应的一侧边从直流场流道出口端起至出口侧的端部比直流场流道侧边宽5-10mm，阴、阳极单极板进口侧的两个顶角处设有外定位口09、9，外定位口09、9与出口侧的两个顶角010、10组成双极板组装外定位结构，空气腔公用管道进口01、1面积比出口01′1′大0.1倍，氢气腔公用管道进口03、3的面积比出口03′3′的面积大0.35倍；阴、阳极单极板空气腔公用管道01、01′、1、1′和氢气腔公用管道03、03′、3、3′的与空气和氢气进出口流道04、04′、4、4′相连的边为斜边，斜边与与双极板横向水平线之间的夹角为35°；

2)使用夹具将阴、阳极板对齐，采用激光焊接工艺沿图1所示的密封线08、8进行激光焊接，焊接连接后支撑圆点14紧顶在另一侧单极板的底平面上，形成了高度为0.3mm的水流场分配流道和封闭的冷却腔，密封线08、8、012、12沿阴、阳极单极板周边及空气腔公用管道01、01′、1、1′、氢气腔公用管道03、03′、3、3′和冷却腔公用管道02、02′、2、2′周边布置；

3)双极板采用脉冲偏压电弧离子镀技术对其进行表面处理，降低接触电阻，提高耐腐蚀性能。同时，先焊接再表面处理，可以降低表面处理费用的50％(现有工艺一般是先表面处理，再粘结或焊接)；

4)在气腔进出口流道04、04′、4、4′粘贴厚度0.1mm的SUS304不锈钢垫片，以形成密封胶线(MEA相对侧极板上的密封胶线)的支撑面。

该实施例双极板外形尺寸为410mm×130mm。流场流道部分有效面积仅为中间直流场流道06、6，直流场流道06、6外形尺寸为273mm×95mm，流道厚度0.5mm，扣除不锈钢薄板皮厚后，流场流道高度0.4mm；气腔进出口流道04、04′、4、4′由等间距的凸台组成，凸台高度0.3mm(加皮厚后0.4mm)，间距2mm。分配流道05、5仅提供气体均匀分配作用，不含活性面积，其中导流岛13外形尺寸为3mm×1mm，高度0.25mm，相互间距2mm；支撑圆点14直径1mm，高度0.30mm，沿气流方向相互间距3mm，垂直于气流方向相互间距6mm，分配流道厚度为：h分配＝h导流+h支撑+0.1(成型薄板皮厚)＝0.25+0.3+0.1＝0.65mm，其中h表示厚度，直流场流道06、6厚度为0.5mm，两者厚度差为0.15mm，空气腔公用管道01、01′、1、1′进口面积为918mm²，出口面积为834mm²，氢气腔公用管道03、03′、3、3′进口面积为563mm²，出口面积为362mm²，冷却腔公用管道02、02′、2、2′进口面积为488mm²，出口面积为488mm²。

使用该金属双极板的电堆，组装后立式放置，空气、氢气和冷剂三腔并流，流体上进下出，使得反应生成水及冷剂的自身重力形成了一种推动力，有利于流体流动，提高了双极板的水管理能力。

采用Gambit和Fluent模拟平台对该实施例的双极板进行流体分配进行模拟测试结果显示，该双极板各流道内气体压力和速度分配非常均匀，因而简化了燃料电池内部水管理，可大大提高电池性能。

实施例2：

将实施例1中的流场有效面积扩大至阴、阳极板的分配流道05、5，使分配流道05、5活性化，其它工艺不变，可得同样流场设计的双极板，此时流场有效面积可扩大至316cm²。

实施例3：

改变实施例1中气流场分配流道05、5中导流岛13和支撑点14高度和形状，其中导流岛13形状为菱形，高度变为0.2mm，菱形长对角线长度为3mm，短对角线长度为1mm，支撑点14形状为等边三角形，三角形边长1mm，高度变为0.4mm，其它工艺不变，可得另一种双极板。

Claims (7)

1.有利于改善流体分配的质子交换膜燃料电池金属双极板，由金属薄板冲压成型的阴、阳极单极板对应连接构成，阴、阳极单极板上设有包括两侧的空气腔公用管道(01、01′、1、1′)、氢气腔公用管道(03、03′、3、3′)、冷却腔公用管道(02、02′、2、2′)、中部的阴、阳极流场流道和密封线(08、8、012、12)，阴、阳极流场流道由阴、阳极板中间直流场流道(06、6)、与直流场流道两端相通的阴阳极板的空气和氢气分配流道(05、5)和与分配流道连通的阴阳极板空气和氢气进出口流道(04、04′、4、4′)组成，空气和氢气进出口流道(04、04′、4、4′)分别与阴、阳极单极板两侧的空气腔公用管道(01、01′、1、1′)和氢气腔公用管道(03、03′、3、3′)连通，空气腔公用管道进口(01)经过阴极板空气进口流道(04)、进口侧阴极板空气分配流道(05)、阴极板中间直流道(06)、出口侧阴极板空气分配流道(05)和阴极板空气出口流道(04′)与阴极板空气出口共用管道(01′)相通，氢气腔公用管道进口(3)经过阳极板氢气进口流道(4)、进口侧阳极板氢气分配流道(5)、阳极板中间直流道(6)、出口侧阳极板氢气分配流道(5)和阳极板氢气出口流道(4′)与阳极板氢气出口共用管道(1′)相通；中间直流场流道(06、6)由平行的凸起和沟槽组成，空气和氢气分配流道(05、5)由按规律排布的分别向阴、阳极单极板正面凸起的导流岛(13)构成，导流岛(13)形状相同，呈纵列方向排布，导流岛(13)纵列方向与双极板横向水平线之间的夹角为30-60°，导流岛(13)之间间距1-3mm；密封线(08、8、012、12)沿阴、阳极单极板周边及空气腔公用管道(01、01′、1、1′)、氢气腔公用管道(03、03′、3、3′)和冷却腔公用管道(02、02′、2、2′)周边布置，其特征在于：所述阴、阳极单极板进口侧与出口侧为不对称结构，所述不对称结构包括：阴、阳极单极板进口侧从中间直流场流道进口端起至进口侧端部的两侧边比中间直流场流道的两侧边宽5-10mm，出口侧阴、阳极单极板的相对应的一侧边从中间直流场流道出口端起至出口侧的端部比中间直流场流道侧边宽5-10mm，空气腔公用管道(01、01′、1、1′)和氢气腔公用管道(03、03′、3、3′)进口的面积比出口的面积大0.1-0.5倍；所述阴、阳极单极板空气腔公用管道(01、01′、1、1′)和氢气腔公用管道(03、03′、3、3′)的与空气和氢气进出口流道(04、04′、4、4′)相连的边为斜边，斜边与与双极板横向水平线之间的夹角为30～60°；所述空气和氢气分配流道(05、5)还包括分别向阴、阳极单极板反面凸起的支撑点(14)，支撑点(14)形状相同，支撑点(14)位于导流岛(13)纵列的列与列之间，支撑点(14)之间的间距沿气流方向的间距1-3mm，垂直于气流方向间距1-6mm，双极板的阴极单极板上的支撑点(14)的上平面与相对的阳极单极板的平板互相支撑，形成冷却腔分配流道，冷却腔分配流道通过冷却腔进出口流道与冷却腔公用管道(02、02′、2、2′)联通。

2.根据权利要求1所述的有利于改善流体分配的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述阴、阳极单极板的中间直流场流道(06、6)与空气和氢气分配流道(05、5)高度不同，中间直流场流道(06、6)高度为0.3-0.5mm，分配流道(05、5)高度为0.4-0.7mm，流道高度是指凸起顶端到凹槽底的高度，中间直流场流道(06、6)比空气和氢气分配流道(05、5)低0.1-0.2mm，空气和氢气分配流道的导流岛(13)的上平面与中间直流场流道凸起的上平面处于同一个平面上，空气和氢气分配流道支撑点(14)的下平面与中间直流场流道沟槽的下平面不在同一个平面上，支撑点的下平面比中间直流场流道沟槽的下平面低0.1-0.2mm。

3.根据权利要求1所述的有利于改善流体分配的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述导流岛(13)的形状是长方形、方形、圆形、椭圆形、梯形、三角形和梭形中的一种，所述形状中长宽不相等形状的导流岛的长度方向与气流方向一致排列。

4.根据权利要求3本发明所述的有利于改善流体分配的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述导流岛(13)形状的底平面的最长两点间的长度为2.0-4.0mm，最宽两点间的宽度为0.8-1.5mm，高度为0.2-0.4mm。

5.根据权利要求1所述的有利于改善流体分配的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述支撑点(14)的形状是圆形、椭圆形、长方形、方形、梯形、三角形和梭形中的一种，所述形状中长宽不相等形状的导流岛的长度方向与气流方向一致排列。

6.根据权利要求5本发明所述的有利于改善流体分配的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述支撑点(14)形状的底平面的最长两点间的长度为1.0-3.0mm，最宽两点间的宽度为0.8-1.5mm，高度为0.2-0.4mm。

7.根据权利要求1所述的有利于改善流体分配的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述阴、阳极单极板的进口侧的两个顶角处设有外定位口(09、9)，外定位口(09、9)与出口侧的两个顶角(010、10)组成双极板组装外定位结构。

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