CN109616684A - 一种通过单套模具成型的质子交换膜燃料电池金属双极板 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃料电池领域，并公开了一种通过单套模具成型的质子交换膜燃料电池金属双极板。金属双极板包括由一套模具成型的两块结构相同的金属单极板，金属单极板的中间设置多条平行排列的波纹状流道，两端分别设置有冷却液流道，两侧均设置有气体流道，将两块所述金属单极板背靠背装配连接形成金属双极板，液体和气体通道的一侧分别设置有液体和气体缓冲槽，用于作为液体和气体的缓冲区域，其中设置有导流肋，用于将气体分流，气体缓冲槽受压迫时将其中的气体压入波浪流场中，同时收集波浪流场中反应生成的水。通过本发明，简化金属双极板加工工艺，降低成本。

Description

一种通过单套模具成型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领域，更具体地，涉及一种通过单套模具成型的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CN201320837486.5提出一种用于燃料电池的金属双极板，包括叠放的阳极单极板和阴极单极板，阳极单极板和阴极单极板上均对应设置有还原剂进出口主流道、氧化剂进出口主流道和冷却液进出口主流道，绕各个主流道设置环形密封带，两个单极板焊接贴合后形成过桥结构的还原剂导流通道、氧化剂导流通道和冷却液导流通道，导流通道与密封带处于上层单极板的不同表面；专利CN201610402862.6提出一种燃料电池双极板，包括水冷燃料电池使用的阴极流场板和阳极流场板，设置有阳极流场通道、冷却流场通道、阴极流场通道，所述阴极流场板和阳极流场板均采用直流道设计，并都依次设置入口区、入口扩散区、反应流场区、出口扩散区、出口区；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；专利CN201010171013.7提出一种燃料电池的双极板，具体的说是一种用于质子交换膜燃料电池的双极板，包括电化学反应中的阴极和阳极板；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。该发明具有阻力小，气体分配均匀，结构简单，易于加工等优点。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；专利CN201520019901.5提出一种螺旋结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，包括定位销孔、密封槽、流道进口、双极板本体、流道出口和螺旋形流道，定位销孔、密封槽、流道进口、流道出口和螺旋形流道均加工于双极板本体上，密封槽用于放置密封圈以防止工作流体外泄；专利CN201510051039.0提出一种叶脉状燃料电池流场结构，其中气体流场结构为叶脉状流场，包括反应气进口，反应气出口和气体流道；其中反应气进口设在叶脉的叶柄处；反应气出口设在叶脉的叶尖处。本发明将叶脉的结构引入流场设计，将叶脉中流体流动阻力小，流体分布均匀的特点使用于流场设计，提升了电池性能。上述双极板均采用了阴阳极不同结构，也就是说，以上双极板的成型均需采用两套模具分别加工阳极板与阴极板。无形中提高了加工成本。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种通过单套模具成型的质子交换膜燃料电池金属双极板，其通过对金属单极板上的各个组件的结构设计和位置的布置，形成两块结构相同的金属单极板，然后通过将两块金属单极板背靠背连接后形成金属双极板，一方面满足质子交换膜燃料电池金属双极板的性能需求，另一方面由于两块金属单极板的结构相同，使得在成形金属单极板过程中无需采用多套模具，降低生产成本。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种通过单套模具成型的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于，所述金属双极板包括由一套模具成型的两块结构相同的金属单极板，其中，

所述金属单极板的中间设置多条平行排列的波纹状流道，两端分别设置有作为冷却液的进口/出口的冷却液流道，两侧均设置有多个作为氢气/ 氧气的进口/出口的气体流道，

将两块所述金属单极板背靠背装配连接形成所述金属双极板，以此使得两块金属单极板上的所述波纹状流道组合形成波浪流场，所述冷却液流道组合形成冷却液通道，所述气体流道组合形成气体通道，其中，所述金属双极板同侧的作为氢气/氧气的所述气体通道间隔分布，两侧相对的所述气体通道中的气体不同；

此外，所述液体和气体通道靠近所述述波浪流场的一侧均设置有气体缓冲槽，分别用于作为液体和气体的缓冲区域，该液体和气体缓冲槽中设置有导流肋，用于将气体分流，对于气体缓冲槽，通过压迫所述气体缓冲槽使得该气体缓冲槽中的气体压入所述波浪流场中，同时还用于收集所述波浪流场中反应生成的水。

进一步优选地，所述金属单极板上对称设置有多个定位孔，在两块所述金属单极板背靠背装配时用于定位。

进一步优选地，所述缓冲槽的宽度和深度范围在1mm～3mm，有利于反应气体的分配、缓冲及出口气体的汇合，深度与流场区域深度一致，方便极板的成型。

进一步优选地，所述液体和气体通道的一侧设置有加强筋，用于支撑所述金属双极板的结构，避免电池组装压力压溃液体和气体通道，同时还可用于将液体和气体分流。

进一步优选地，所述金属单极板两侧的气体通道对称分布，同侧的所述气体通道上下对称分布。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明中提供的金属双极板，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；

2、本发明气体通道的一侧设置缓冲槽和导流肋，合理分配反应气体，同时液体通道一侧设置的加强经也使得液体流量分布均匀，从而提高电池的输出性能。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的金属单极板的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的两块金属单极板组装的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1，11-冷却液流道2，9,13,18-定位孔4,5,6,8,14,15，16,17-气体流道3-气体缓冲槽，12-液体缓冲槽7-导流肋19-加强筋

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

质子交换膜燃料电池金属双极板由两块金属单板焊接而成，金属双极板起导流、隔绝反应气体、导电的作用。金属双极板的制作一般采用两套模，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，分别由两套模具成型的金属单板焊接便制成了质子交换膜燃料电池金属双极板。

本发明提供一种仅需单套模具便可成型的质子交换膜燃料电池金属双极板，由于该金属双极板包括两块结构相同，背靠背焊接的金属单极板，使得在质子交换膜燃料电池金属双极板的制作中，只采用一套模具即可满足电池设计要求。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的金属单极板的结构示意图，如图1所示，冷却水流道1,11，气体流道4,5,6，8,14,15,16,17，定位孔 2,9,13,18，缓冲槽3，导流肋7，波浪流道10，缓冲槽12，加强筋19。金属单极板的中间设置多条平行排列的波纹状流道10，两端分别设置有作为冷却液的进口/出口的冷却液流道1,11，左侧设置有多个作为氢气/氧气的进口/出口的气体流道4,5,6，8,右侧设置有多个作为氢气/氧气的进口/出口的气体流道14,15,16,17，将两块金属单极板背靠背装配连接形成金属双极板，以此使得两块金属单极板上的波纹状流道10组合形成波浪流场，用于流通反应气体，冷却液流道1,11组合形成冷却液通道，气体流道4,5,6， 8,14,15,16,17组合形成气体通道。

气体流道4,5与气体流道6,8关于Z轴对称，定位孔2,9,13,18关于X、 Z轴对称分布中金属单极板上，在气体流场的入口和出口处设有气体缓冲槽 3，并在槽内分布有用来做气体导流作用的导流肋7。

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。

金属双极板气体进出口、冷却水进出口采用了加强筋19，支撑双极板结构，避免电池组装压力压溃气体及冷却水通道，同时，合理设置的加强筋19还对流体其导流分配作用。

金属双极板氢气及氧气流道结构完全一样，均为波浪形；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通道。

金属双极板气体入口和出口处设有气体缓冲槽3，并在槽内分布有用来做气体导流作用的导流肋7，气体缓冲槽应有合理的宽度和深度，宽度范围在1-3mm，有利于反应气体的分配、缓冲及出口气体的汇合，深度与流场区域深度一致，方便极板的成型，能更好地缓冲和分配气体。

本实施例中，燃料电池金属双极板的单板结构如图1所示，该金属单板由一套模具冲压成型，冲压成型金属单板包括：冷却水主流道(1,11)，气体主流道(4,5,6，8,14,15,16,17)，定位孔(2,9,13,18)，缓冲槽(3)，流场区域(10)，气体及冷却液导流肋(7,12，19)。

本实施例中，图2是按照本发明的优选实施例所构建的两块金属单极板组装的结构示意图，如图2所示，两块金属双极板在焊接过程中通过定位孔定位，其中，上金属单极板的定位孔2,9,13和18分别与下金属单极板的定位孔9,2,13,18对齐，对齐后焊接便制成金属双极板。

金属双极板制成后，导流肋和加强筋对冷却水进行导流分配，使冷却水均匀流经波浪流场10，可均匀带走电池运行时产生的热量。

本实施例中，金属双极板制成后，气体流道4,6，14,16为氢气流道，气体通道5,8，15,17氧气流道。本实施例中，氢气流动方式包括：从气体流道4,6进入，尾气从气体流道14,16中排出，或者从气体流道14,16进入，尾气从气体流道4,6中排出。氧气流动方式包括：从气体流道5,8进入，尾气从气体流道15,17排出，或者从15,17进入，尾气从5,8排出。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。

气体主流道进入波浪流场10前，气体均匀进入气态缓冲槽3，气体导流肋7对反应气体进行导流，对气体进行分配，进入波浪形流场，使电化学反应更加均匀。

流场区域为波浪形10，金属双极板制成后，金属单板一与金属单板二的波浪流场背面可形成通道，该通道即为冷却水通道。波浪形流道可使电池生成的水及时排出。

本发明仅通过单套模具，便可成型金属双极板所需的金属单板，生产效率为常规生产效率的两倍，双极板加工简单，结构的灵活性高，金属双极板的制作采用一套模具，流场结构为对称结构，减小双极板对齐焊接时的误差，同时也可减小电堆装配时的误差，另外，本发明金属板流场气体进出口采用了气体缓冲槽道，可合理分配反应气体，使流量分布均匀，且使反应气体在流道内的流阻小，燃料电池内化学反应生成的液态水能够很容易地从流道内排出，不易阻塞气体流道。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种通过单套模具成型的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于，所述金属双极板包括由一套模具成型的两块结构相同的金属单极板，其中，

所述金属单极板的中间设置多条平行排列的波纹状流道(10)，两端分别设置有作为冷却液的进口/出口的冷却液流道(1,11)，两侧均设置有多个作为氢气/氧气的进口/出口的气体流道(4,5,6,8,14,15，16,17)，

将两块所述金属单极板背靠背装配连接形成所述金属双极板，以此使得两块金属单极板上的所述波纹状流道组合形成波浪流场，所述冷却液流道组合形成冷却液通道，所述气体流道组合形成气体通道，其中，所述金属双极板同侧的作为氢气/氧气的所述气体通道间隔分布，两侧相对的所述气体通道中的气体不同；

此外，所述液体和气体通道的一侧分别设置有液体和气体缓冲槽(3,12)，分别用于作为液体和气体的缓冲区域，该液体和气体缓冲槽中设置有导流肋，用于将气体分流，对于所述气体缓冲槽(3)，通过压迫所述气体缓冲槽使得该气体缓冲槽中的气体压入所述波浪流场中，同时还用于收集所述波浪流场中反应生成的水。

2.如权利要求1所述的一种通过单套模具成型的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于，所述金属单极板上对称设置有多个定位孔(2,9,13,18)，在两块所述金属单极板背靠背装配时用于定位。

3.如权利要求1或2所述的一种通过单套模具成型的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于，所述液体和气体缓冲槽的宽度范围在1mm～3mm，有利于反应气体的分配、缓冲及出口气体的汇合，深度与流场区域深度一致，方便极板的成型。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种通过单套模具成型的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于，所述液体和气体通道的一侧设置有加强筋(19)，用于支撑所述金属双极板的结构，避免电池组装压力压溃液体和气体通道，同时还可用于将液体和气体分流。

5.如权利要求1或2所述的一种通过单套模具成型的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于，所述金属单极板两侧的气体通道对称分布，同侧的所述气体通道上下对称分布。