CN103151531A - 利于流体分配的质子交换膜燃料电池金属双极板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利于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、阳极单极板上设有两侧的空气腔、氢气腔和冷却腔公用管道、分配流道和中间直流道以及用于固定阴、阳极单极板的密封线，其特征在于：所述冷却腔冷却液进出口流道为平直的直通式流道；所述阴、阳极单极板空气和氢气分配流道由支撑点和导流岛构成；所述阴、阳极单极板的四个顶角处均设有外定位拐角，所述外定位拐角上还设有内定位孔；每个所述外定位拐角上还设有两个巡检插孔。本发明具有充分利用双极板有效面积，改善气体和冷却液分配，减少气场侧积水情况，提高分配流道支撑强度，利于电池巡检工作等优点。

Description

利于流体分配的质子交换膜燃料电池金属双极板

技术领域

本发明涉及一种燃料电池金属双极板，具体地说是一种利于流体分配的质子交换膜燃料电池金属双极板。

背景技术

全金属双极板因为其厚度小、重量轻，易于批量生产，并可大幅提高燃料电池堆的体积比功率和重量比功率而受到广泛关注。真正意义上的全金属双极板是指：利用金属薄板，通过模压或挤压等成型技术加工成氢、氧单极板，两片单极板仅通过粘接或者焊接即可构成双极板；同时该全金属双极板既能提供气体进出口与流通通道，又能利用两板直接结合而形成的独立腔作为冷剂进出口和流通通道。全金属双极板的上述功能要求提高了对结构设计的难度，因此目前真正意义上的全金属双极板并不是很多。

现有技术中，专利CN101133506A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CN101420037A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。

专利CN102306805A公开了一种有利于改善流体分配的质子交换膜燃料电池金属双极板，其不足之处是：三腔公用管道面积较大，相对的减小了双极板的有效面积。

专利CN101572318A公开了一种质子交换膜燃料电池金属双极板，其不足之处是：仅靠阴、阳极板凸台背面的凹坑交错排列、前后相对搭接而构成的连续串接的水流场分配流道，因为搭接面积有限，势必会提高水流场的阻力，这就对水泵的要求进行了提高。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种利于流体分配的质子交换膜燃料电池金属双极板。

本发明采用的技术手段如下：

一种利于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、阳极流场流道和用于固定阴、阳极单极板的密封线，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、与分配流道连通的阴、阳极板空气和氢气进出口流道及冷却腔冷却液进出口流道组成，其特征在于：

所述冷却腔冷却液进出口流道为平直的直通式流道；

所述阴极板空气分配流道由按规律排布的分别向阴极单极板正面凸起的支撑点和向反面凸起的导流岛构成，所述阳极板氢气分配流道由按规律排布的分别向阳极单极板正面凸起的导流岛和向反面凸起的支撑点构成；

所述导流岛形状相同，所述支撑点形状相同，所述导流岛和所述支撑点均呈纵列方向排布，所述支撑点位于所述导流岛纵列的列与列之间，所述导流岛纵列方向与双极板横向水平线之间的夹角为30-60°，所述导流岛之间间距1-3mm，所述支撑点之间的间距1-3mm；所述阴极单极板上的导流岛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；所述阳极单极板上的支撑点的上平面与相对的阴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冷却液进出口流道与冷却腔公用管道连通；

所述阴、阳极单极板的四个顶角处均设有外定位拐角，所述外定位拐角上还设有内定位孔；

每个所述外定位拐角上还设有两个巡检插孔。

作为优选，所述中间直流场流道由平行的凸起和沟槽组成，其中，流道高度是指凸起顶端到凹槽底的高度；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，分配流道高度为0.4-0.7mm，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的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，支撑点的下平面比中间直流场流道沟槽的下平面低0.1-0.2mm。

作为优选，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。

作为优选，所述导流岛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。

作为优选，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支撑点的长度方向与气流方向一致排列。

作为优选，所述支撑点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。

作为优选，所述巡检插孔是由分别设在阴、阳极单极板外定位拐角上的、由直接冲压成型的凸起部两两方向相对并沿凸起部的长度方向焊接固定构成。

本发明提供的电池金属双极板，是由金属薄板冲压成型的阴、阳极单极板对应连接构成，空气腔、氢气腔和冷却腔三腔公用管道面积分配均匀，其中，空气腔面积较大，其他两腔面积相当，此种分配可以增强双极板边缘强度，在两极板焊接固定时不易变形；本发明阴极单极板向正面凸起的支撑点主要起分配气体的作用，向反面凸起的导流岛主要起支撑冷却腔流道的作用；相反地，阳极单极板中正面凸起的导流岛起分配气体的作用，反面凸起的支撑点起支撑冷却腔流道的作用，阴极单极板上的导流岛在两极板扣合后起到主要支撑接触面的作用，可以增强支撑强度，较现有技术中的点接触更稳定；本发明中直流场流道的宽度与三腔公用管道的共同宽度相当，此种结构充分利用了双极板的有效面积；另外，在阴极单极板侧，凸起的支撑点为圆点时，不受空气进气口方向的限制，在阳极单极板侧，凸起的导流岛应与氢气进气口方向成一定角度，以减少进气阻力；再有，本发明中的外定位拐角为将阴、阳极单极板的四个顶角切去后形成的，外定位拐角起到第一层定位作用，在外定位拐角的内侧还设有内定位孔，内定位孔可以同固定的螺杆定位，起到第二层定位作用，双层定位，可确保双极板在安装时位置的精准确定；最后，在外定位拐角上还设有巡检插孔，巡检插孔是在单极板上冲压出半圆弧形状的凸起部，凸起部在阴、阳极单极板扣合时，形成圆孔状，可供插针插入，巡检插孔沿凸起部的长度方向需焊接固定，巡检插孔的设计使得对电池巡检更方便，实现快速插拔，可同时测量单节或多节电池电压，监测准确。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1）分配流道的存在可明显改善反应气体和冷却液的分配，提高均匀性；

2）分配流道中，以导流岛与平板支撑为主，加大接触面积，提高分配流道的支撑强度；

3）冷却腔冷却液进出口流道为平直的直通式流道，有效解决气流场侧容易积水的问题；

4）空气腔、氢气腔、冷却腔三腔公用管道与直流场流道宽度相同，提高了双极板的有效面积；

5）双极板四个外定位拐角的设计，有利于双极板内应力的平均分布，提高双极板平整度，同时有利于安装定位；

6）巡检插孔的设计，便于电池巡检系统的插针插入对燃料电池成品检测。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明阴极板结构示意图。

图2是本发明阳极板结构示意图。

图3是本发明空气氢气分配流道局部放大示意图。

图4是图3中A-A向剖视图。

具体实施方式

如图1，图2所示，一种利于流体分配的质子交换膜燃料电池金属双极板，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，冲压成型的阴、阳极单极板对应连接，阴、阳极单极板上设有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、阳极流场流道和用于固定阴、阳极单极板的密封线，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’及冷却腔冷却液进出口流道09、09’、9、9’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，空气腔进口公用管道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’与空气腔出口公用管道01’相通，氢气腔进口公用管道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’与氢气腔出口公用管道1’相通；中间直流场流道06、6由平行的凸起和沟槽组成；所述密封线沿阴、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；所述冷却腔冷却液进出口流道09、09’、9、9’为平直的直通式流道；所述阴极板空气分配流道05由按规律排布的分别向阴极单极板正面凸起的支撑点11和向反面凸起的导流岛10构成，所述阳极板氢气分配流道5由按规律排布的分别向阳极单极板正面凸起的导流岛10’和向反面凸起的支撑点11’构成；所述导流岛10、10’形状为长圆形，所述支撑点11、11’形状为圆点，所述导流岛10、10’和所述支撑点11、11’均呈纵列方向排布，所述支撑点11、11’位于所述导流岛10、10’纵列的列与列之间，所述导流岛10、10’纵列方向与双极板横向水平线之间的夹角为35°；使用夹具将阴、阳极单极板对齐，采用激光焊接工艺沿密封线进行激光焊接，焊接连接后阴极单极板上的导流岛10的上平面与相对的阳极单极板的平板12’互相支撑，所述阳极单极板上的支撑点11’的上平面与相对的阴极单极板的平板12互相支撑，形成高度为0.3mm冷却腔分配流道和封闭的冷却腔，冷却腔分配流道通过冷却腔冷却液进出口流道09、09’、9、9’与冷却腔公用管道02、02’、2、2’连通；所述阴、阳极单极板的四个顶角处均设有外定位拐角，所述外定位拐角上还设有内定位孔07、7；每个所述外定位拐角上还设有两个巡检插孔08、8，所述巡检插孔08、8是由分别设在阴、阳极单极板外定位拐角上的、由直接冲压成型的凸起部两两方向相对并沿凸起部的长度方向焊接固定构成。

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）。

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。

该实施例中，双极板外形尺寸为410mm×100mm。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，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10、10’为长圆形，外形尺寸为3mm×1mm，高度0.25mm，相互间距2mm；支撑点11、11’为圆点，直径为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，故分配流道厚度为：h分配=h导流岛+h支撑点+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0.5mm，两者厚度差为0.15mm。

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。

同时，巡检插孔的设计也方便了电池巡检系统的插针插入，并对燃料电池成品检测。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利于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、阳极流场流道和用于固定阴、阳极单极板的密封线，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）、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’）及冷却腔冷却液进出口流道（09、09’、9、9’）组成，其特征在于：

所述冷却腔冷却液进出口流道（09、09’、9、9’）为平直的直通式流道；

所述阴极板空气分配流道（05）由按规律排布的分别向阴极单极板正面凸起的支撑点（11）和向反面凸起的导流岛（10）构成，所述阳极板氢气分配流道（5）由按规律排布的分别向阳极单极板正面凸起的导流岛（10’）和向反面凸起的支撑点（11’）构成；

所述导流岛（10、10’）形状相同，所述支撑点（11、11’）形状相同，所述导流岛（10、10’）和所述支撑点（11、11’）均呈纵列方向排布，所述支撑点（11、11’）位于所述导流岛（10、10’）纵列的列与列之间，所述导流岛（10、10’）纵列方向与双极板横向水平线之间的夹角为30-60°，所述导流岛（10、10’）之间间距1-3mm，所述支撑点（11、11’）之间的间距1-3mm；所述阴极单极板上的导流岛（10）的上平面与相对的阳极单极板的平板（12’）互相支撑，形成冷却腔分配流道；所述阳极单极板上的支撑点（11’）的上平面与相对的阴极单极板的平板（12）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冷却液进出口流道（09、09’、9、9’）与冷却腔公用管道（02、02’、2、2’）连通；

所述阴、阳极单极板的四个顶角处均设有外定位拐角，所述外定位拐角上还设有内定位孔（07、7）；

每个所述外定位拐角上还设有两个巡检插孔（08、8）。

2.根据权利要求1所述的利于流体分配的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于：所述中间直流场流道（06、6）由平行的凸起和沟槽组成，其中，流道高度是指凸起顶端到凹槽底的高度；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，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（10、10’）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（11、11’）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所述的利于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（10、10’）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所述的利于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所述的利于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（11、11’）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支撑点的长度方向与气流方向一致排列。

6.根据权利要求5所述的利于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所述的利于流体分配的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于：所述巡检插孔（08、8）是由分别设在阴、阳极单极板外定位拐角上的、由直接冲压成型的凸起部两两方向相对并沿凸起部的长度方向焊接固定构成。

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