CN110391436A - 一种质子交换膜燃料电池金属双极板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种质子交换膜燃料电池金属双极板，包括对应布置的阳极单极板和阴极单极板，两单极板上均设置燃料气体腔、氧化剂气体腔、分配区、冷却介质腔和活性区；活性区由流场区和其两端的凹凸结构组成，两凹凸结构内均布有若干交替布置的凸点和凹点，并在两凹凸结构之间形成非连续型气体介质腔流道以及中空的冷却介质腔流道，气体介质腔流道两端分别与反应气体腔连通；冷却介质腔流道的两端分别与冷却介质腔连通。本发明提供的质子交换膜燃料电池金属双极板，解决了现有金属双极板冲压制备时内应力无法有效释放，导致整体会变形的通病；相对现有结构双极板，其气体与冷却液能够更好分配；且流场边界处沟槽深度略浅的问题得以有效改善。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种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)是以氢气为燃料，氧气或空气为氧化剂，将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的发电装置。双极板在PEMFC中具有隔断反应介质、集流导电、支撑膜电极、导热、以及通过在双极板上加工气体通道或与流场板结合,为反应气体提供通道,均匀分布反应气体以及排水等作用。此外,还可以通过耦合的两个双极板中形成的间隙,利用冷却剂控制电池的温度。
金属双极板相比石墨双极板具有导电性好、散热性好，强度高，容易薄片化，易于使用模具批量加工来降低制造成本等优点，而且可以减小电堆的体积，提高电堆的体积功率密度，金属双极板是目前燃料电池双极板发展的主流趋势。但是金属双极板的制造工艺难度较大，由于双极板的结构非常复杂、流道精细，金属材料具有一定的延展性，冲压成型之后很难保证双极板的平整度及流道一致性，一般在活性区的矩形四个角位置由于应力无法完全释放会导致冲压回弹比较大，流道沟槽深度相对中间较浅，使得进气流量不一致，直接影响电堆性能；而且冲压之后会导致双极板四周翘曲，平整度比较差，若干片双极板叠加装堆之后会使电堆产生很大的内应力，从而加速密封胶及其他部件的使用寿命，大大降低电堆的寿命。
现有技术中为提高电堆寿命，保证双极板制造过程中的内应力释放、提高双极板平整度是非常有必要的技术手段，而双极板前期的合理设计，对于保证双极板平整度至关重要。
如专利CN100388540C公开了一种凸凹互补的流道结构，以及双极板边缘凸点结构来释放内应力；其优势在于，增加双极板的强度，有效释放内应力增加双极板的平整度；但不足之处在于：该凸凹互补流道为连续型流道，并不能解决流道深度不一致的问题；双极板周围的凸点也增加了整体板的尺寸，降低了活性区的占比及电堆的功率密度。
专利CN102306805A公开了一种金属版型，该版型中将气体分配区设计为凹凸点型，凹点为支撑，凸点为导流。其优势在于：该结构具有气体分配作用及冷却腔支撑分配作用；但其不足之处在于：凹凸点结构设在分配区，并不能解决活性区边缘沟槽不一致的问题。
以及专利CN103151531A中阐述一种金属板的分配区为凸凹点结构，当气体分配的凸点为不规则形状时其长度方向与气流方向一致，这样的有点在于能够有效分配气体且能够减小气体的流阻；但其不足之处在于：凸点长度方向与气流方向一致时使得冲压时应力方向一致，不能得到均匀释放，增加双极板的翘曲度及整堆的内应力，降低电堆使用寿命。
发明内容
本发明为解决现有技术燃料电池在制备中产生的形变、内应力释放以及冷却液流阻过大造成流量分配不均的缺陷，提出一种质子交换膜燃料电池金属双极板。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种质子交换膜燃料电池金属双极板，包括对应布置的阳极单极板和阴极单极板，所述阳极单极板和阴极单极板的相对端面上均设置有相对重合的燃料气体腔、氧化剂气体腔、分配区、冷却介质腔和活性区；所述活性区由流场区和沿所述流场区长度方向布置于其两端的凹凸结构组成，两所述凹凸结构内均布有若干交替布置的凸点和凹点，且相对端面上的两所述凹凸结构的凸点和凹点呈错位排布，并在两所述凹凸结构之间形成非连续型气体介质腔流道以及中空的冷却介质腔流道，所述气体介质腔流道两端分别与反应气体腔连通，所述反应气体腔包括燃料气体腔和氧化剂气体腔；所述冷却介质腔流道的两端分别与所述冷却介质腔连通。
进一步地，在所述的质子交换膜燃料电池金属双极板上，所述阳极单极板和阴极单极板上，所述凹凸结构面积占所述活性区总面积的10-25％。
进一步地，在所述的质子交换膜燃料电池金属双极板上，所述凹点的深度等于所述流场区中流道的沟槽的深度，以及所述凸点的高度等于所述流场区中流道的脊部的高度。
进一步地，在所述的质子交换膜燃料电池金属双极板上，所述凹凸结构内的凹点和凸点的宽度与同一单极板上所述流场区的流道的宽度一致。
进一步地，在所述的质子交换膜燃料电池金属双极板上，所述凹点和所述凸点呈正方形、长方形、三角形或圆形结构。
进一步优选地，在所述的质子交换膜燃料电池金属双极板上，所述凹点的深度为01.-0.4mm；以及所述凸点的高度为0.1-0.4mm。
进一步地，在所述的质子交换膜燃料电池金属双极板上，所述活性区的长度为260-300mm；所述中空腔体的高度为0.2-0.8mm。
进一步地，在所述的质子交换膜燃料电池金属双极板上，所述流场区沿其长度方向均布有若干连续型流道，所述连续型流道为直型流道、S型流道、多蛇形流道中的一种或几种。
进一步优选地，在所述的质子交换膜燃料电池金属双极板上，所述阳极单极板上的所述连续型流道为S型流道或多蛇形流道。
进一步优选地，在所述的质子交换膜燃料电池金属双极板上，所述阴极单极板上的所述连续型流道为直型流道。
进一步地，在所述的质子交换膜燃料电池金属双极板上，所述燃料气体腔、氧化剂气体腔和分配区分别布置于所述活性区长度方向的两侧，所述冷却介质腔布置于所述活性区宽度方向的两侧。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
(1)相对现有两侧为冷却腔结构的双极板，本发明双极板竖直放置时凹凸结构之间形成冷却液腔，减小流阻，解决了局部由于水流量不足造成的温度过高；
(2)通过流道两端的凹凸结构解决了进气端气体压力分配不均的问题；
(3)该凹凸结构实现了制备冲压过程中的应力释放，有效解决流场边界处沟槽深度略浅的问题；
(4)该凸凹点型解决了双极板流道制备冲压过程中内应力无法有效释放而产生的整体平整度差问题；
(5)该凹凸结构具有一定的气体随机分配功效，使各个流道的气压均衡，避免局部气压过大造成的膜电极寿命缩短，有效提高电堆寿命；
(6)同时与传统同等面积双极板大小相比，可以缩小分配区面积40％-50％，能够实现同等气体分配效果，从而使电堆的功率密度能够提升0.1-0.3kW/L。
附图说明
图1为本发明一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场结构中阳极单极板的结构示意图；
图2为本发明一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场结构中阴极单极板的结构示意图；
图3为本发明一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场结构中凸点与凹点呈交替分布的结构示意图；
图4为本发明一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场结构中凸点与凹点结构的应力释放示意图；
图5为本发明一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场结构中凸点与凹点构成的冷却介质腔道对活性区顶端水流的分配示意图；
图6为本发明一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场结构中相对两凹凸结构的装配结构示意图。
具体实施方式
本发明提供的质子交换膜燃料电池金属双极板，基于现有双极板流场结构均为一致且连续设计的基础上，在连续性流场结构的两端布置凸点和凹点，以形成不连续的流场区域结构，解决了双极板在制备冲压过程中造成的局部内因应力集中产生的弹性形变和断裂的问题。此外，本发明提供的质子交换膜燃料电池金属双极板，在相对布置的两所述凹凸结构的凸点和凹点之间形成冷却介质流道，克服了因双极板在竖直方向放置冷却液流阻过大造成流量分配不均的问题。
请参阅图1和图2所示，本实施例提供一种质子交换膜燃料电池金属双极板，由对应布置的阳极单极板和阴极单极板组合构成，所述阴极单极板和阳极单极板背面相对，通过焊接方式在一起组成双极板。在所述阳极单极板和阴极单极板的相对端面上均设置有相对重合的燃料气体腔1、氧化剂气体腔2、冷却介质腔3、分配区4和活性区；所述燃料气体腔1、氧化剂气体腔2和分配区4分别布置于所述活性区长度方向的两侧，所述冷却介质腔3布置于所述活性区宽度方向的两侧。作为一个具体实施方式，燃料气体腔1的流道深度为0.2-0.5mm，氧化剂气体腔2的流道深度为0.2-0.6mm。
请参阅图1-4所示，在本实施例中，所述活性区由流场区和沿所述流场区长度方向布置于其两端的凹凸结构6组成，两所述凹凸结构内均布有若干交替布置的凸点10和凹点11，阳极单极板上的凹凸结构上的凸点10和凹点11与阴极单极板上相对应述凹凸结构上的凸点10和凹点11呈错位排布。解决了双极板在制备冲压过程中造成的局部内应力集中问题，释放内应力，防止冲压过程中有可能产生的断裂现象；以及有效解决了冲压后流道边界处由于材料刚性回弹造成的深度不均以及双极板整体产生的弹性形变问题，有效降低了进气端的气体流量分配不均问题。
此外，请参阅图5所示，在两所述凹凸结构之间形成中空的非连续性的冷却介质腔道，所述冷却介质腔道的两端分别与所述冷却介质腔连通，即阳极单极板和阴极单极板之间形成一定的间隙，该间隙为非连续性的腔体结构。该具有冷却介质腔道的金属双极板方案应用于所有冷却口设在流场区宽度方向两侧的流道组合，如图S型-直型流道、S型-S型流道、S型-多蛇形流道等，由于这些方式冷却液没有一个直通的空间可以流动，所以冷却液的流动阻力较大，该凸凹结构区形成冷却介质腔道可以解决双极板由于冷却腔流阻过大造成流量分配不均的问题。
具体地，作为一个优选实施例，如图6所示，阳极单极板和阴极单极板在装配一起时，阴极单极板上的凹点11与阳极单极板的平面处接触，阳极单极板的凹点11与阴极单极板的平面处接触，并在两所述凹凸结构之间形成非连续型气体介质腔流道9以及中空的冷却介质腔流道8，所述气体介质腔流道9两端与反应气体腔连通，该反应气体腔包括燃料气体腔1和氧化剂气体腔2；所述冷却介质腔流道8的两端分别与所述冷却介质腔4连通。
如图5所示，为凸点10与凹点11构成的冷却介质腔道对活性区顶端水流的分配示意图，冷却液流从冷却介质腔3进入凸凹点11形成的冷却介质腔流道8，冷却介质腔流道8的流阻相对流场区的连续流道区流阻较小，能够实现均匀分配冷却液，能够保证一定水压下，使得冷却水出口上端有冷却液流过，克服了因双极板在竖直方向放置冷却液流阻过大造成流量分配不均的问题。
请继续参阅图1所示，在阳极单极板上，氢气从燃料气体腔1流入，经过分配区4进入活性区，活性区面积包括两端的由若干均布的凸点10和凹点11构成的凹凸结构6以及由若干S型流道5构成的流场区。以及如图2所示，在阴极单极板上，氢气同样从燃料气体腔1流入，经过分配区4进入活性区，该活性区包括两端的由若干均布的凸点10和凹点11构成的凹凸结构6以及由若干长直流道7构成的流场区。在阳极单级板上设有燃料气体腔1，即氢气流道，其流道深度为0.2-0.5mm；在阴极单极板上设有氧化剂气体腔2，即空气流道，其流道深度为0.2-0.6mm。
在本实施例中，所述阳极单极板和阴极单极板上的各所述凹凸结构面积占所述活性区6总面积的10-25％，且所述活性区的长度为260-300mm，宽度为80-100mm。
在本实施例中，所述凹点11的深度等于所述流场区中流道的沟槽的深度，以及所述凸点10的高度等于所述流场区中流道的脊部的高度。即图1所示，阳极单极板上凸点10的高度与S型流道5的高度一致，凹点11的深度与S型流道5沟槽的深度一致；以及如2所示，阴极单极板上凸点10的高度与长直流道7的高度一致，凹点11的深度与长直流道7的沟槽的深度一致。
在本实施例中，请继续参阅图3所示，该凸点10和凹点11均为正方形，实线为凸点10，虚线为凹点11，凹点11的深度为01.-0.4mm；凸点10的高度为0.1-0.4mm。请继续参阅图6所示，为两相对凹凸结构的装配结构示意图，其高度h1为阳极单极板中凸点10的高度，为0.1mm-0.4mm，其呈梯形角度β为25呈-85°；凹点11深度h2为阴极单极板中凸点10的高度，为0.1-0.6mm，其呈梯形角度α为25呈-75°。阳极单极板和阴极单极板上除凸点10和凹点11部分分别为阳极单极板和阴极单极板的中间平台部分，该中间平台的高度位于凸点10和凹点11之间，中间平台相对于其一侧的凹点11或凸点10的垂直间距为0.1-0.4mm。
在本实施例中，所述凹凸结构内的凹点11和凸点10的宽度与同一单极板上所述流场区的流道的宽度一致。具体地，如图1，阳极单极板上中S型流道5的宽度为0.5-1.5mm，则阳极单极板上交替分布的凸点10和凹点11的宽度也同样为0.5-1.5mm；以及如图2所示，阴极单极板上长直流道7的宽度为0.6-1.8mm，则阴极单极板上交替分布的凸点10和凹点11的宽度也同样为0.6-1.8mm。
作为一个优选实施例，根据实际需要，该所述凹点11和所述凸点10也可以采用长方形、三角形或圆形结构。如上述实施例所述，将正方形的凸点10和凹点11替换为圆形结构，其高度为0.18mm，直径为个数与位置均不变，可得到另外一种双极板流场结构。
请参阅图4所示，为质子交换膜燃料电池金属双极板流场结构中凸点10与凹点11结构的应力释放示意图，相对于长直流道或连续蛇形流道而言，其应力方向基本为流道的径向方向；而本发明所采用的凸凹结构之间可以实现内应力相互抵消，使得双极板冲压后其内应力减小，保证沟槽深度的一致，提高了双极板整体的平整度。
根据实际生产需求，所述流场区沿其长度方向均布有若干连续型流道，所述连续型流道为直型流道、S型流道、多蛇形流道中的一种或几种。优选地，所述阳极单极板上的所述连续型流道为S型流道或多蛇形流道。所述阴极单极板上的所述连续型流道为直型流道。本实施例提供的凸凹结构，适用于任意流道组合搭配，如s型流道、直型流道、多蛇形流道等，可有效解决流场边缘流道深度不一致的问题，以及可有效解决流场区域边界内应力无法完全释放造成整板平整度较差的问题。此外，该凸凹结构设在活性区进出气的两端，在进气端可以实现气体的随机压力分配，可以减少分配区的面积，提高活性区的占比，增加电堆的体积功率密度。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种质子交换膜燃料电池金属双极板，包括对应布置的阳极单极板和阴极单极板，两单极板的相对端面上均设置有相对重合的燃料气体腔、氧化剂气体腔、分配区、冷却介质腔和活性区；其特征在于，所述活性区由流场区和沿所述流场区长度方向布置于其两端的凹凸结构组成，两所述凹凸结构内均布有若干交替布置的凸点和凹点，且相对端面上的两所述凹凸结构的凸点和凹点呈错位排布，并在两所述凹凸结构之间形成非连续型气体介质腔流道以及中空的冷却介质腔流道，所述气体介质腔流道两端分别与反应气体腔连通；所述冷却介质腔流道的两端分别与所述冷却介质腔连通。
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，所述凹凸结构面积占所述活性区总面积的10-25％。
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，所述凹点的深度等于所述流场区中流道的沟槽的深度，以及所述凸点的高度等于所述流场区中流道的脊部的高度。
4.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，所述凹凸结构内的凹点和凸点的宽度与同一单极板上所述流场区的流道的宽度一致。
5.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，所述凹点和所述凸点呈正方形、长方形、三角形或圆形结构。
6.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，所述活性区的长度为260-300mm，宽度为80-100mm；所述凹点的深度为0.1-0.4mm；所述凸点的高度为0.1-0.4mm；以及所述中空腔体的高度为0.2-0.8mm。
7.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，所述流场区沿其长度方向均布有若干连续型流道，所述连续型流道为直型流道、S型流道、多蛇形流道中的一种或几种。
8.根据权利要求7所述的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于，所述阳极单极板上的所述连续型流道为S型流道或多蛇形流道。
9.根据权利要求7所述的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于，所述阴极单极板上的所述连续型流道为直型流道。
10.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，所述燃料气体腔、氧化剂气体腔和分配区分别布置于所述活性区长度方向的两侧，所述冷却介质腔布置于所述活性区宽度方向的两侧。
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