CN105702968B - 一种简单结构的金属冲压双极板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属冲压双极板，所述金属冲压双极板由两个零件组成，包括阳极侧单极板和阴极侧单极板，通过焊接等方法将阳极侧单极板和阴极侧单极板装配成为金属冲压双极板。所述金属冲压双极板包括阳极侧流场、阴极侧流场和冷却剂流场；在所述金属冲压双极板的上下两端设置有燃料气体总管、氧化剂气体总管及冷却剂总管；在所述金属冲压双极板周边及燃料气体总管、氧化剂气体总管、冷却剂总管四周周边设置密封槽，用来设置密封垫以分别密封燃料气体、氧化剂气体及冷却剂。所述金属冲压双极板的结构非常简单，仅具有阳极侧单极板及阴极侧单极板两个零件，因此制造和后续的装配工序都相对简单，非常适于大规模加工制造并降低成本，有助于推进燃料电池的实际应用。

Description

一种简单结构的金属冲压双极板
技术领域
本发明涉及用于燃料电池技术领域，具体涉及一种简单结构的燃料电池用金属冲压双极板。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种可以室温快速启动的低噪音、高能量转换效率的零排放发电装置。质子交换膜燃料电池可用于移动电源、便携电源、车载电源、固定式电站等，可以满足多领域的用电需要，是最接近于实际应用的燃料电池之一。
双极板是质子交换膜燃料电池的重要部件之一，起到分布流体、收集电流、管理生成水和管理生成热的重要作用，维持电池处于良好的工作状态。传统的双极板如石墨双极板、复合双极板都存在一些限制其应用环境和提高性能的因素，如石墨双极板抗震性差，无法制造得更轻薄，装配力难于控制，成本高；复合双极板虽然在机械强度方面有了长足进步，但由于其采用的材料及零部件较多，加工装配相对繁琐，其质量比功率、体积比功率也难于进一步提高，成本也难于进一步降低。相对而言，金属双极板可以加工非常轻薄，在质量比功率、体积比功率方面均有大幅提高，同时能够满足导电性优良、传热性好、机械强度高等要求。而且采用冲压加工单极板，适于大规模生产，可以严格控制其成本。
由于金属冲压双极板所具有的优势，其应用越来越广泛。但是目前开发应用的金属双极板多采用三个、甚至更多零件，来实现双极板的功能。如TOYOTA公司的一种金属双极板(美国专利Pub No.：US 2014/0045101 A1)，其结构上不但具有两个单极板，还需要一个带有冷却剂流道中间夹层，即具有三个零件。再如HONDA公司的一种金属双极板(美国专利Pub.No.:US2014/0248549 A1)，其结构上不仅有两个单极板，而且其冷却剂流场是靠每个单极板背面上的弹性密封原件在一定的装配压力作用下形成的，即该种金属双极板具有四个零件。采用的零件越多，材料种类越多，则加工、装配的成本会越高，其在加工、装配和运行过程中出现问题的几率也会提高，同时会增加后续维护、维修成本，对燃料电池的连续运行不利。
发明内容
本发明提供的金属冲压双极板在结构上仅具有两个零件，且只有焊接(或者粘接)一道装配工序。因此，本发明的金属冲压双极板可以进一步降低双极板的加工成本，这有助于推动金属双极板的应用，更有助于改善燃料电池存在的成本高的问题，推进其实际应用的进程。
本发明的技术方案：将双极板的所有功能结构集成到两个单极板上，尤其是将冷却剂流场分别整合到阳极侧单极板和阴极侧单极板背面，从而在两个单极板装配后，形成一个完整的冷却剂流场，这样就能够充分利用阳极侧单极板和阴极侧单极板的正反面结构、空间。本发明的金属冲压双极板只有两个零件，只有焊接(或者粘接)一道装配工序，因此，即降低了加工制造的成本，也减少了加工制造出现问题的几率，提高了成品率；同时这也会减少后续运行过程中，金属冲压双极板出问题的几率，进而减少了维护、维修及停车次数，降低运行成本并节约时间成本。本发明的金属冲压双极板是将如下的主要双极板功能结构集成到阳极侧单极板和阴极侧单极板的正、反面上(以与膜电极相接触的单极板板面为正面，与膜电极不相接触的板面为背面)：
a.阳极侧流场、阴极侧流场和冷却剂流场；
b.燃料气体总管、氧化剂气体总管和冷却剂总管；
c.阳极板侧密封槽、阴极板侧密封槽；
其中，冷却剂流场是由阳极侧单极板背面及阴极侧单极板背面的对应部位结构共同组成的。
阳极侧单极板结构：在正面，中部大面积的区域设置阳极侧流场(即燃料气体流场)；单极板的上下两端开通孔，均设置燃料气体总管、氧化剂气体总管及冷却剂总管；在正面，在单极板流场四周周边、燃料气体总管四周周边、氧化剂气体总管四周周边及冷却剂总管四周周边，设置密封槽；在反面，与阳极侧流场对应的区域，作为冷却剂流场的一部分(与阴极侧单极板反面对应部位构成的一部分冷却流场共同组成完整的冷却剂流场)。
阴极侧单极板结构：在正面，中部大面积的区域设置阴极侧流场(即氧化剂气体流场)；单极板的上下两端开通孔，均设置燃料气体总管、氧化剂气体总管及冷却剂总管；在正面，在单极板流场四周周边、燃料气体总管四周周边、氧化剂气体总管四周周边及冷却剂总管四周周边，设置密封槽；在反面，与阴极侧流场对应的区域，作为冷却剂流场的一部分(与阳极侧单极板反面对应部位构成的一部分冷却流场共同组成完整的冷却剂流场)。
本发明的金属冲压板双极板的冷却剂流场是利用阴、阳极侧单极板背面与阴、阳极侧流场对应的结构空间，共同组成冷却剂流场。阴极侧流场及阳极侧流场的结构在满足各自流体引入、分布及排出功能的前提下，两个单极板背面共同组成的冷却剂流场的结构也同时满足冷却剂的引入、分布和排出功能。
本发明的金属冲压双极板将阳极侧单极板与阴极侧单极板按照背面对背面的方式相互紧密叠合，然后采用焊接(或粘接)的方法将二者装配为一体。所形成的焊缝(或所使用的粘接剂)将阳极侧单极板与阴极侧单极板背面所形成的空间内的燃料气体、氧化剂气体、冷却剂完全相互隔离，同时与周围环境完全相互隔离。
本发明的简单结构金属冲压双极板，通过将双极板的功能整合到阳极侧单极板和阴极侧单极板上，将金属冲压双极板的零件数量减至两个，简化了加工制造工艺过程，降低了制造成本；同时，由于本发明的金属冲压双极板只有阳极侧单极板和阴极侧单极板两个零件，装配也只有焊接(或者粘接)一个工序。因此，在制造过程中出问题的几率降低，使用中出现问题的几率相对也会降低，这在一定程度上进一步降低了本发明的金属冲压双极板生命周期内的制造和使用成本，对金属冲压双极板的实际应用十分有利。
附图说明
图1本发明金属冲压双极板结构示意图；
图2本发明金属冲压双极板焊接(或粘接)示意图；
图3本发明金属冲压双极板密封槽示意图；
图4本发明金属冲压双极板阴极侧流场示意图；
图5本发明金属冲压双极板阳极侧流场示意图；
图6本发明金属冲压双极板冷却剂流场示意图；
示意图说明，1氧化剂气体总管；2冷却剂总管；3燃料气体总管；4焊缝(或粘接缝)位置——虚线指示位置；5密封槽——虚线指示位置；6阴极侧流场——双点划线指示区域；7阴极侧单极板；8阳极侧单极板；9阳极侧流场——双点划线指示区域；10冷却剂流场——双点划线指示区域。
具体实施方式
以下结合具体实施例及图1-6，对本发明的简单结构的金属冲压双极板进一步具体说明。
本发明的金属冲压双极板采用0.2毫米厚度的316不锈钢板，分别冲压出阳极侧单极板，和阴极侧单极板。
阳极侧单极板正面，在中间大部分区域布置阳极侧流场，流场由宽度均为1.5毫米的流场沟槽与流场凸台交错排布构成；在单极板的上下两端分别布置氧化剂气体总管、冷却剂总管和燃料气体总管，均为多边形通孔；在流场四周周边、氧化剂气体总管四周周边、冷却剂总管四周周边及燃料气体总管四周周边布置宽度为3.5毫米的密封槽；阳极侧单极板背面，与阳极侧流场相应的冲压形成的空间为冷却剂流场的一部分，其与阴极侧单极板对应位置形成的冷却剂流场的另一部分，共同组成完整的冷却剂流场。参见附图5。
阴极侧单极板正面，在中间大部分区域布置阴极侧流场，流场由宽度均为1.5毫米的流场沟槽与流场凸台交错排布构成；在单极板的上下两端分别布置氧化剂气体总管、冷却剂总管和燃料气体总管，均为多边形通孔；在流场四周周边、氧化剂气体总管四周周边、冷却剂四周总管周边及燃料气体总管四周周边布置宽度为3.5毫米的密封槽；阴极侧单极板背面，与阴极侧流场相应的冲压形成的空间为冷却剂流场的一部分，其与阳极侧单极板对应位置形成的冷却剂流场的另一部分，共同组成完整的冷却剂流场。参见附图4。
阳极侧单极板背面与阴极侧单极板背面相互叠合定位后，采用激光焊接的方式，将两个单极板永久装配为一体，形成最终的金属冲压双极板；该焊缝同时保证装配的牢固性和流体的密封性；焊缝的宽度约为1毫米。
上面描述了本发明的一种简单结构的金属冲压双极板，本发明所属领域的技术人员应当可以理解，所述仅仅为本发明的具体实施例，并非用于限制本发明。凡是本发明的精神及原则内所做的任何修改、尺寸结构的缩放、等同替换或者改进，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种金属冲压双极板，其特征在于：双极板由两个零件组成，分别是阳极侧单极板（8）和阴极侧单极板（7），通过相互叠合装配成为一个完整的双极板，于阳极侧单极板（8）和阴极侧单极板（7）上端和下端的相对应位置处分别开设有三个通孔，作为燃料气体总管（3）、氧化剂气体总管（1）及冷却剂总管（2）；阳极侧单极板（8）和阴极侧单极板（7）均为金属板，于金属板两侧表面冲压有凹凸起伏的流场；阳极侧单极板（8）阳极侧流场（9）四周周边及燃料气体总管（3）四周周边、氧化剂气体总管（1）四周周边、冷却剂总管（2）四周周边均设置有密封槽（5）；阴极侧单极板（7）阴极侧流场（6）四周周边及燃料气体总管（3）四周周边、氧化剂气体总管（1）四周周边、冷却剂总管（2）四周周边均设置有密封槽（5）。
2.按照权利要求1所述的金属冲压双极板，其特征在于：所述金属冲压双极板具有双极板所有功能：包括燃料气体、氧化剂气体及冷却剂的输送和分布；尾气、反应产物及冷却剂的排出；电流的收集、输送和传导；电化反应产生的热量的排出。
3.按照权利要求1所述的金属冲压双极板，其特征在于：阳极侧单极板（8）是金属平板通过冲压加工制成，正面中部大面积区域为阳极侧流场（9），由流场沟槽与流场凸台交错排布构成；上下两端分别设置有三个通孔，分别作为燃料气体总管（3）、氧化剂气体总管（1）及冷却剂总管（2）。
4.按照权利要求1所述的金属冲压双极板，其特征在于：阴极侧单极板（7）是金属平板通过冲压加工制成，正面中部大面积区域为阴极侧流场（6），由流场沟槽与流场凸台交错排布构成；上下两端分别设置有三个通孔，分别作为燃料气体总管（3）、氧化剂气体总管（1）及冷却剂总管（2）。
5.按照权利要求1所述的金属冲压双极板，其特征在于：阳极板侧单极板（8）和阴极侧单极板（7）通过焊接或粘接装配成为双极板，焊接采用激光焊、电子束焊、电阻焊、超声波焊或高频焊。
6.按照权利要求2或3的金属冲压双极板，其特征在于：所述阳极侧单极板（8）背面与阴极侧单极板（7）背面相对装配成为双极板，阳极侧单极板（8）背面和阴极侧单极板（7）背面与各自正面流场对应的结构空间共同组成双极板的冷却剂流场（10）。
7.按照权利要求4或5所述的金属冲压双极板，其特征在于：焊接或粘接装配成为双极板时，除燃料气体总管（3）和氧化剂气体总管（1）与各自流场连通处之外的焊缝（4）或粘接位置，均布置在密封槽底部。
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