CN107507993B - 质子交换膜燃料电池金属双极板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种质子交换膜燃料电池金属双极板，属于质子交换膜燃料电池技术领域。包括对齐焊接的阳极金属单板和阴极金属单板，所述金属单板设置气体流场，所述金属单板相对的两侧的其中一侧设置第一氧气主通道、第一冷却液主通道、第一氢气主通道、第二冷却液主通道、第二氧气主通道；所述金属单板相对的两侧的其中另一侧设置第三氢气主通道、第三冷却液主通道、第三氧气主通道、第四冷却液主通道、第四氢气主通道；所述气体流场的入口和出口处设有气体导流肋。本发明制作燃料电池金属流场板，电池生产效率高，电池装配速率快，气体密封性好，流场布局合理，使反应气体分配均匀，生成液态水能容易从电池内排出，不易阻塞气体流道。

Description

质子交换膜燃料电池金属双极板
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体提供一种质子交换膜燃料电池金属双极板。
背景技术
金属双极板质子交换膜燃料电池主要由金属双极板、膜电极组件等组成；其中，膜电极组件已经实现了商业化，可按需定制。但质子交换膜燃料电池金属双极板需根据具体使用场合进行设计。质子交换膜燃料电池金属双极板由两块金属单板组成，金属双极板起导流、隔绝反应气体、导电的作用。金属双极板一般是由两块金属单板焊接而成，成型的金属单板上有气体流动区域，气体进出口，两块焊接而成的双极板还要同时形成冷却水流动区域。
常规金属双极板的制作采用两套模，分别成型金属双极板的其中一个金属单板，金属单板成型后焊接便制成了质子交换膜燃料电池金属双极板。
专利CN201510424303.0提出一种过桥式燃料电池金属双极板，包括氧板和氢板，在氧板和氢板的各进出口与相应气体流道或冷却液流道连接处均设有截面为“凹”型的密封圈槽，建立气体路径和冷却液路径“立交桥”式通道；氧板和氢板的氧化剂气体进口、氧化剂气体出口、燃料气进口、燃料气出口处密封圈槽之间的空腔内均设有气液分隔板，气液分隔板与密封圈槽密封相连将空腔隔离出一个封闭腔体；封闭腔体设有腔体前气孔和腔体后气孔，用于连通气体进出口和相应的气体流道。但是体流动阻力大，结构复杂。
专利CN 101212056提出一种质子交换膜燃料电池用气体流场，在气体流场的进出扣除各设有一段网状流场，中间为平行沟槽流场，网状流场和中间平行沟槽流场相连。但是缺点是网状流场和平行流场两个区域的气体浓度相差比较大，使得在整个流场内的气体分布不均匀。
燃料电池的应用必须保证其稳定性。燃料电池的排水性能及其性能均一性决定了电池是否能稳定运行。以上所述双极板均未涉及电池的排水性能及均一性，限制了燃料电池的应用。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种质子交换膜燃料电池金属双极板。
本发明采用的技术方案是：包括对齐焊接的阳极金属单板和阴极金属单板，所述金属单板设置气体流场；所述金属单板相对的两侧的其中一侧设置第一氧气主通道、第一冷却液主通道、第一氢气主通道、第二冷却液主通道、第二氧气主通道，其中，第一氢气主通道设置于中间，第一冷却液主通道、第二冷却液主通道对称位于第一氢气主通道两侧布置，第一氧气主通道、第二氧气主通道分别对称位于第一冷却液主通道、第二冷却液主通道外侧；所述金属单板相对的两侧的其中另一侧设置第三氢气主通道、第三冷却液主通道、第三氧气主通道、第四冷却液主通道、第四氢气主通道，其中，第三氧气主通道设置于中间，第三却液主通道、第四冷却液主通道对称位于第三氧气主通道两侧布置，第三氢气主通道、第四氢气主通道分别对称位于第三冷却液主通道、第四冷却液主通道外侧；所述气体流场的入口和出口处设有气体导流肋。
进一步优选的结构，所述气体导流肋包括与第一氧气主通道对应的第一氧气主通道导流肋、与第一冷却液主通道对应的第一冷却液主通道导流肋、与第一氢气主通道对应的第一氢气主通道导流肋、与第二冷却液主通道对应的第二冷却液主通道导流肋、与第二氧气主通道对应的第二氧气主通道导流肋；与第三氢气主通道对应的第三氢气主通道导流肋、与第三冷却液主通道对应的第三冷却液主通道导流肋、与第三氧气主通道对应的第三氧气主通道导流肋、与第四冷却液主通道对应的第四冷却液主通道导流肋、与第四氢气主通道对应的第四氢气主通道导流肋。
进一步优选的结构，所述气体导流肋为多个矩形槽竖直平行排列的结构。所述气体导流肋应有合理的宽度和深度，能更好分配气体到达流场区域。
进一步优选的结构，所述气体流场中间流场区域为直流道，在所述第一氢气主通道、第一冷却液主通道、第二冷却液主通道对应的入口处设有两块三角形横向流道区域，所述横向流道区域与中间流场区域不在同一平面；在所述第三氢气主通道、第三冷却液主通道、第四冷却液主通道、第四氢气主通道对应的出口处设有两块三角形横向流道区域，所述横向流道区域与中间流场区域不在同一平面。
进一步优选的结构，所述阳极金属单板和阴极金属单板中间通反应气体，背面的形成冷却液流通区域。两块三角形横向流道区域与中心直流道倾斜一定角度，使反应气体从中间通过，冷却液从背面通过。
进一步优选的结构，所述金属单板四周设置有关于中心线对称的定位孔，所述定位孔包括第一定位孔、第二定位孔、第三定位孔和第四定位孔。可对双极板焊接及电堆组装时提供精确定位。
进一步优选的结构，所述金属单板在四周设置有密封槽。用于电池装配后密封槽内密封圈将气体及冷却液进出口四周密封。
本发明中，所述金属双极板采用了对称结构的质子交换膜燃料电池流场，其中，氧气进口与氢气进口相对中心线对称；反应气体进口与尾气出口相对中心线对称；氧气、氢气进出口大小一致；冷却水进出口相对中心线对称；冷却水进出口大小一致；所述金属双极板气体进出口、冷却水进出口采用了加强筋结构，支撑双极板结构，避免电池组装压力压溃气体及冷却水流通通道，同时，合理设置的加强筋还对流体其导流分配作用；所述金属双极板氢气及氧气流道结构完全一样，均为直流道；两块金属单板焊接成金属双极板后，两金属单板波浪流场背面区域形成冷却液流道；所述金属双极板气体入口和出口处设有一定尺寸的气体导流作用的肋。所述的气体缓导流肋应有合理的宽度和深度，能更好地缓冲和分配气体；所述金属双极板的金属单板四周设置有关于对称轴对称的定位孔，可对双极板焊接及电堆组装时提供精确定位。
本发明在进气口设置气体导流肋，合理分配反应气体在流场板上的流动，保证流场板上流道各处的气体浓度无太大差别；降低反应气体在流道中的流动阻力，保证反应生成的液态水的顺利排出，使得流道不易被阻塞；通过改变导流肋的尺寸，就可使得气体分配均匀，进一步提高电池性能。
同时，本发明的降低金属双极板的加工成本及加工难度，同时使得反应气体在流场内能够均匀分布，提高电池性能。
附图说明
图1金属单板结构示意图；
图2是本发明金属双极板结构示意图。
图中：1-第一定位孔、2-第一氧气主通道、3-第一冷却液主通道、4-第一氢气主通道、5-第二冷却液主通道、6-第二氧气主通道、7-第二定位孔、8-第二冷却液主通道导流肋、9-第二氧气主通道导流肋、10-第一氢气主通道导流肋、11-密封槽、12-直流道、13-第三氢气主通道导流肋、14-第三氢气主通道、15第三定位孔、16-第三冷却液主通道导流肋、17-第三冷却液主通道、18-第三氧气主通道、19-第三氧气主通道导流肋、20-第四冷却液主通道导流肋、21-第四冷却液主通道、22-第四氢气主通道导流肋、23-第四氢气主通道、24-第四定位孔、25-第一冷却液主通道导流肋、26-第一氧气主通道导流肋。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步的说明，但不限定本发明。
如图1、图2所示，本发明包括对齐焊接的阳极金属单板和阴极金属单板，所述金属单板设置气体流场，所述金属单板相对的两侧的其中一侧设置第一氧气主通道2、第一冷却液主通道3、第一氢气主通道4、第二冷却液主通道5、第二氧气主通道6，其中，第一氢气主通道4设置于中间，第一冷却液主通道5、第二冷却液主通道6对称位于第一氢气主通道4两侧布置，第一氧气主通道2、第二氧气主通道6分别对称位于第一冷却液主通道5、第二冷却液主通道6外侧；所述金属单板相对的两侧的其中另一侧设置第三氢气主通道14、第三冷却液主通道17、第三氧气主通道18、第四冷却液主通道21、第四氢气主通道23，其中，第三氧气主通道18设置于中间，第三却液主通道17、第四冷却液主通道21对称位于第三氧气主通道18两侧布置，第三氢气主通道14、第四氢气主通道23分别对称位于第三冷却液主通道17、第四冷却液主通道21外侧；所述气体流场的入口和出口处设有气体导流肋。
所述气体导流肋包括与第一氧气主通道2对应的第一氧气主通道导流肋26、与第一冷却液主通道3对应的第一冷却液主通道导流肋25、与第一氢气主通道4对应的第一氢气主通道导流肋10、与第二冷却液主通道5对应的第二冷却液主通道导流肋8、与第二氧气主通道6对应的第二氧气主通道导流肋9；与第三氢气主通道14对应的第三氢气主通道导流肋19、与第三冷却液主通道17对应的第三冷却液主通道导流肋16、与第三氧气主通道18对应的第三氧气主通道导流肋19、与第四冷却液主通道21对应的第四冷却液主通道导流肋20、与第四氢气主通道23对应的第四氢气主通道导流肋22。
所述气体导流肋为多个矩形槽竖直平行排列的结构。
所述气体流场中间流场区域为直流道12，在所述第一氢气主通道4、第一冷却液主通道3、第二冷却液主通道5对应的入口处设有两块三角形横向流道区域，所述横向流道区域与中间流场区域不在同一平面；在所述第三氢气主通道14、第三冷却液主通道17、第四冷却液主通道21、第四氢气主通道23对应的出口处设有两块三角形横向流道区域，所述横向流道区域与中间流场区域不在同一平面。
所述阳极金属单板和阴极金属单板中间通反应气体，背面的形成冷却液流通区域。
所述金属单板四周设置有关于中心线对称的定位孔，所述定位孔包括第一定位孔1、第二定位孔7、第三定位孔15和第四定位孔24。
所述金属单板在四周设置有密封槽11。
本发明金属单板由相应模具冲压成型，冲压成型金属单板包括：冷却液主通道，气体主通道，定位孔，流场区域，气体及冷却液导流肋等。取冲压成型金属阳极、阴极金属单板各一块，结构相同，两金属单板通过定位孔对齐，如图2所示。具体对为：阴极金属单板定位孔与阳极金属单板定位孔对齐，对齐后焊接便制成金属双极板。金属双极板制成后，阴极板主通道分别与阳极板主通道对齐。
金属双极板制成后，金属单板导流肋8、25与金属单板导流肋16、20形成冷却水通道，该通道可对冷却水进行导流分配，使冷却水均匀流经流场区域12背面的冷却水通道，可均匀带走电池运行时产生的热量。
金属双极板制成后，气体主流道2、4、6、14、18、23分别通入的气体为氢气、氧气。金属双极板电池堆气体流道包括上述流动方式进气及尾气的排出。
气体主流道进入或流出流场过程中，气体导流肋9、10、13、19、22、26对反应气体进行导流，使气体均匀进入，对气体进行分配进入流场12，使电化学反应更加均匀。
流场区域为直流道12，金属双极板制成后，阴阳极金属单板流场背面可形成通道，该通道即为冷却水流道。直流道可使电池生成的水及时排出，同时也形成冷却水流道。
本发明所述金属双极板，可明显降低质子交换膜燃料电池制造成本，提高电池制作效率；同时金属双极板加工简单，增加了流场结构的灵活性，减小双极板对齐焊接及电池组装时的误差，合理分配反应气体，使流量分布均匀。因此本发明，不仅降低了电池的成本，同时也提高了电池的输出性能。

Claims (3)

1.一种质子交换膜燃料电池金属双极板，包括对齐焊接的阳极金属单板和阴极金属单板，所述金属单板设置气体流场，其特征在于：所述金属单板相对的两侧的其中一侧设置第一氧气主通道(2)、第一冷却液主通道(3)、第一氢气主通道(4)、第二冷却液主通道(5)、第二氧气主通道(6)，其中，第一氢气主通道(4)设置于中间，第一冷却液主通道(5)、第二冷却液主通道(6)对称位于第一氢气主通道(4)两侧布置，第一氧气主通道(2)、第二氧气主通道(6)分别对称位于第一冷却液主通道(5)、第二冷却液主通道(6)外侧；所述金属单板相对的两侧的其中另一侧设置第三氢气主通道(14)、第三冷却液主通道(17)、第三氧气主通道(18)、第四冷却液主通道(21)、第四氢气主通道(23)，其中，第三氧气主通道(18)设置于中间，第三却液主通道(17)、第四冷却液主通道(21)对称位于第三氧气主通道(18)两侧布置，第三氢气主通道(14)、第四氢气主通道(23)分别对称位于第三冷却液主通道(17)、第四冷却液主通道(21)外侧；所述气体流场的入口和出口处设有气体导流肋；
所述气体导流肋包括与第一氧气主通道(2)对应的第一氧气主通道导流肋(26)、与第一冷却液主通道(3)对应的第一冷却液主通道导流肋(25)、与第一氢气主通道(4)对应的第一氢气主通道导流肋(10)、与第二冷却液主通道(5)对应的第二冷却液主通道导流肋(8)、与第二氧气主通道(6)对应的第二氧气主通道导流肋(9)；与第三氢气主通道(14)对应的第三氢气主通道导流肋(19)、与第三冷却液主通道(17)对应的第三冷却液主通道导流肋(16)、与第三氧气主通道(18)对应的第三氧气主通道导流肋(19)、与第四冷却液主通道(21)对应的第四冷却液主通道导流肋(20)、与第四氢气主通道(23)对应的第四氢气主通道导流肋(22)；
所述气体流场中间流场区域为直流道(12)，在所述第一氢气主通道(4)、第一冷却液主通道(3)、第二冷却液主通道(5)对应的入口处设有两块三角形横向流道区域，所述入口处的横向流道区域与中间流场区域不在同一平面；在所述第三氢气主通道(14)、第三冷却液主通道(17)、第四冷却液主通道(21)、第四氢气主通道(23)对应的出口处设有两块三角形横向流道区域，所述出口处的横向流道区域与中间流场区域不在同一平面；所述气体导流肋为多个矩形槽竖直平行排列的结构；所述阳极金属单板和阴极金属单板中间通反应气体，背面的形成冷却液流通区域。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于：所述金属单板四周设置有关于中心线对称的定位孔，所述定位孔包括第一定位孔(1)、第二定位孔(7)、第三定位孔(15)和第四定位孔(24)。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于：所述金属单板在四周设置有密封槽(11)。
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