CN114864982B - 一种冲压金属双极板及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冲压金属双极板及燃料电池。一种冲压金属双极板，包括：焊接相连的阳极板和阴极板，阴极板和阳极板的背面为双极板冷却腔侧；阳极板和阴极板包括密封槽、歧管、通孔、凹台、凸台和流场；密封槽设置于歧管周边和流场外围；歧管和流场之间设置密封槽、凹/凸台的通道、通孔，通孔设置于歧管密封槽和凸台之间；凹/凸台的间隙为流体通道；气体从歧管进入，通过一侧极板的凹台的间隙流入通孔，再经过另一侧极板的凸台的间隙流入流场。实现了流体在通孔之外流动，流体形成的压差不会影响通孔流体流动状态，提高了运行可靠性的有益效果。

Description

一种冲压金属双极板及燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种冲压金属双极板及燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池金属双极板主要起到阴阳极流体和冷却剂流体输送和导电作用。双极板是由阴阳极板叠合而成，金属双极板一般是金属薄板分别冲压阴阳极板，或焊接或粘接或橡胶密封加工而成。双极板结构分为密封、三腔流体歧管、流体通道、流场及定位、巡检等部分。

冲压加工的金属双极板流体通道，在双极板之一侧极板歧管和流场之间设置凹凸台，凹凸台之间的间隙为流体通道，另一侧极板在相对位置设置冲压的密封槽，并在此极板密封槽之后设置凹凸台，对侧极板相对位置设置密封槽，在凹凸台末端设置通孔，在通孔末端设置双极板焊接线，密封槽分别密封阴阳极流体，焊接线密封冷却剂。

现有技术的双极板的阴阳极腔室处在通孔之上，阴阳极流体形成的压差将会压迫膜电极边框，当阴阳极压差过大，膜电极边框变形将影响流体流动，严重甚至造成堵塞通孔通道。

发明内容

本发明提供了一种冲压金属双极板及燃料电池，以解决阴阳极腔室内的流体形成的压差较大时，挤压膜电极边框变形，影响流体流动，甚至造成堵塞通孔通道的问题。

根据本发明的一方面，提供了一种冲压金属双极板，包括：焊接相连的阳极板和阴极板，所述阴极板和所述阳极板的背面为双极板冷却腔侧；

所述阳极板和所述阴极板包括密封槽、歧管、通孔、凹台、凸台和流场；所述密封槽设置于所述歧管周边和所述流场外围；所述歧管和所述流场之间设置所述密封槽、所述凹台的通道、所述凸台的通道、所述通孔，所述通孔设置于歧管密封槽和所述凸台之间；

所述凹台或所述凸台的间隙为流体通道；气体从所述歧管进入所述冲压金属双极板，通过一侧极板的所述凹台的间隙流入所述通孔，再经过另一侧极板的所述凸台的间隙流入所述流场。

可选的，所述冲压金属双极板与相邻冲压金属双极板之间设置膜电极，所述膜电极的两侧分别与位于所述膜电极两侧的所述冲压金属双极板的密封胶条接触；

所述凹台的台面支撑所述密封槽底部，所述凹台的背面支撑相邻的所述膜电极，所述凹台通过所述膜电极的边框支撑所述冲压金属双极板的密封胶条；

所述凸台的台面支撑相邻的所述膜电极，所述凸台通过所述膜电极的边框支撑堆叠的相邻所述冲压金属双极板的密封胶条。

可选的，所述流场的进口处设置流场分配区，焊接线设置在所述凸台和所述流场分配区之间。

可选的，设置于所述歧管和所述凸台之间的所述密封槽为歧管密封槽；

所述阴极板气腔侧的所述歧管密封槽的背面与所述阳极板气腔侧的所述凹台相对，所述阴极板的所述通孔与所述流场的进口之间设置所述凸台，所述凸台的背面与所述阳极板的气腔侧的所述歧管密封槽相对；

所述阳极板气腔侧的所述歧管密封槽的背面与所述阴极板气腔侧的所述凹台相对，所述阳极板的所述通孔与所述流场的进口之间设置所述凸台，所述凸台的背面与所述阴极板的气腔侧的所述歧管密封槽相对。

可选的，所述歧管密封槽和所述流场外围的密封槽内的胶条与所述膜电极形成密封的第一气腔和第二气腔，所述第一气腔和所述第二气腔分别位于所述膜电极的不同表面，所述第一气腔位于所述流体通道之外。

可选的，所述歧管两侧设置歧管密封垫。

可选的，所述歧管密封垫采用硅胶制成。

可选的，所述阳极板和所述阴极板均采用冲压工艺成型。

根据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池，包括：第一方面中任一项所述的冲压金属双极板，所述燃料电池包括多个间隔堆叠的所述冲压金属双极板和所述膜电极。

本发明实施例的技术方案，通过一种冲压金属双极板，包括：焊接相连的阳极板和阴极板，阴极板和阳极板的背面为双极板冷却腔侧；阳极板和阴极板包括密封槽、歧管、通孔、凹台、凸台和流场；密封槽设置于歧管周边和流场外围；歧管和流场之间设置密封槽、凹台的通道、凸台的通道、通孔，通孔设置于歧管密封槽和凸台之间；凹台或凸台的间隙为流体通道；气体从歧管进入冲压金属双极板，通过凹台的间隙流入通孔，再经过凸台的间隙流入流场。解决了阴阳极腔室内的流体形成的压差较大时，挤压膜电极边框变形，影响流体流动，甚至造成堵塞通孔通道的问题，取到了流体在通孔之外流动，流体形成的压差不会影响通孔流体流动状态，提高了运行可靠性的有益效果。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是为本发明实施例一提供了一种冲压金属双极板中一个极板的结构示意图；

图2是为本发明实施例一提供了一种冲压金属双极板中另一个极板的结构示意图；

图3A是根据本发明实施例一提供的一种冲压金属双极板的气流通道的结构示意图；

图3B是现有技术中的一种冲压金属双极板的气流通道的结构示意图；

图4是根据本发明实施例一提供的一种燃料电池的气流通道的结构示意图；

图5是根据现有一种燃料电池的气流通道的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

实施例一

图1为本发明实施例一提供了一种冲压金属双极板中一个极板的结构示意图。

如图1和图2所示，一种冲压金属双极板，包括：焊接相连的阳极板和阴极板，所述阴极板和所述阳极板的背面为双极板冷却腔侧；

所述阳极板和所述阴极板包括密封槽1和7、歧管2、通孔3、凹台4、凸台5流场6和焊线T；所述密封槽1和7设置于所述歧管2周边和所述流场6外围；所述歧管2和所述流场6之间设置所述密封槽7、凸台5的通道、所述通孔3，所述通孔3设置于歧管密封槽7和所述凸台5之间；

所述凹台4或所述凸台5的间隙为流体通道；气体从所述歧管2进入所述冲压金属双极板，通过一侧极板的凹台4的间隙流入所述通孔3，再经过另一侧极板的所述凸台5的间隙流入所述流场6。

如图3A和图4所示，可选的，冲压金属双极板和膜电极8间隔堆叠设置，膜电极8的两侧分别与位于所述膜电极8两侧的所述冲压金属双极板的密封胶条接触；

所述凹台4的台面支撑所述密封槽1底部，所述凹台4的背面支撑相邻的所述膜电极8，所述凹台4通过所述膜电极的边框支撑所述冲压金属双极板的密封胶条；

所述凸台5的台面支撑相邻的所述膜电极8，所述凸台通过所述膜电极8的边框支撑堆叠的另一块所述冲压金属双极板的密封胶条。

可选的，设置于所述歧管2和所述凸台5之间的所述密封槽为歧管密封槽7；

所述阴极板气腔侧的所述歧管密封槽7的背面与所述阳极板气腔侧的所述凹台4相对，所述阴极板的所述通孔3与所述流场6的进口之间设置所述凸台5，所述凸台5的背面与所述阳极板的气腔侧的所述歧管密封槽7相对。

所述阳极板气腔侧的所述歧管密封槽7的背面与所述阴极板气腔侧的所述凹台4相对，所述阳极板的所述通孔3与所述流场6的进口之间设置所述凸台5，所述凸台5的背面与所述阴极板的气腔侧的所述歧管密封槽7相对。

可选的，所述歧管密封槽7和所述流场6外围的密封槽内的胶条与所述膜电极8形成密封的第一气腔S1和第二气腔S2，所述第一气腔S1和所述第二气腔S2分别位于所述膜电极8的不同表面，所述第一气腔S1气体压力为P1，所述第二气腔气体压力为P2，P1和P2可以相等，也可以不等。在所述气体通道位置，膜电极两侧的胶条A和胶条B所密封的区域气体压力为P3，P3小于P1，P1和P2之间的压力差不会影响通孔气流，即所述第一气腔S1位于所述流体通道之外。

冲压金属双极板包括焊接的两个金属单板，其中一个阳极板，另一个为阴极板，两个极板设置相对的焊接区域，阳极板和阴极板通过相对设置的焊接区域的焊接线相互结合，形成间隔设置的多个气体歧管；阴极板和阳极板的背面为双极板冷却腔侧，冷却剂腔歧管设置密封槽，双极板之间焊接线和冷却剂腔歧管密封槽内密封胶条密封冷却剂。冷却剂由冷却剂腔歧管进入冷却腔。燃料气体经过燃料进口流入阳极板的流场进行阳极反应，氧化剂由氧化剂进口流入阴极板的流场进行阴极反应。在本实施例中，燃料气体具体指的是氢气，氧化剂具体指的是空气，冷却剂具体指的是水。当然，燃料、氧化剂和冷却剂的种类不限于此，可以根据实际需要进行设置。

图1为双极板中一个极板的结构示意图，如图1所示，密封槽1内设置焊接线，密封槽1和7设置于歧管2周边和流场外围6；设置于歧管2和凸台5之间的密封槽为歧管密封槽7，用于阳极板和阴极板的各个歧管2的气体的密封隔离。如图3A所示，金属双极板的凹台4和凸台5对应设置，如阴极板气腔侧的歧管密封槽7的背面与阳极板气腔侧的凹台4相对，阴极板的通孔3与流场6进口之间设置凸台5，凸台5的背面与阳极板的气腔侧的歧管密封槽7相对，凹台4和凸台5对应的歧管密封槽7处设置密封垫。焊接线T设置于凸台5末端与流场6的进口之间，对应的阴阳极板的歧管密封槽7分别密封阴阳极流体，焊接线用于密封冷却剂。歧管包括燃料歧管、冷却剂腔歧管和氧化剂歧管，进一步的，双极板歧管的外周分别设置密封槽，实现阳极板和阴极板的各个歧管之间的密封隔离，示例性的，参考图1和图2，燃料歧管和氧化剂歧管的外周环设密封槽1和7。参考图3A，凹台4和凸台5之间的间隙为流体通道，燃料气流从歧管2进入冲压金属双极板，通过凹台4的间隙流入通孔3，再经过凸台5的间隙流入流场6进行反应。在燃料气体导入过程中，气体从歧管2进入极板密封槽1底背面相对的极板凹台4间隙，而此凹台4的台面支撑极板密封槽1底，凹台4的背面表面支撑堆叠的膜电极8，膜电极8又与堆叠的下一块双极板密封胶条接触；气体通过通孔3后，进入极板凸台5间隙而流入流场6，凸台5的台面支撑膜电极8，膜电极8又与上一块双极板密封胶条接触，膜电极8两侧是不同压力的不同介质气体。这样的密封结构，膜电极两侧气体的压差只会影响到流场部分，流体压差不会影响极板的通孔位置，提高了冲压金属双极板进行燃料反应时的可靠性。

阳极板和阴极板采用冲压工艺成型，加工效率高且加工精度高。

本发明实施例通过一种冲压金属双极板，包括：焊接相连的阳极板和阴极板，阴极板和阳极板的背面为双极板冷却腔侧；阳极板和阴极板包括密封槽、歧管、通孔、凹台、凸台和流场；密封槽设置于歧管周边和流场外围；歧管和流场之间设置密封槽、凹台的通道、凸台的通道、通孔，通孔设置于歧管密封槽和凸台之间；凹台或凸台的间隙为流体通道；气体从歧管进入冲压金属双极板，通过凹台的间隙流入通孔，再经过凸台的间隙流入流场。气腔侧气体通过极板密封槽底背面相对的凹台间隙进入通孔通进气腔，再经过凸台间隙进入流场区，实现气腔气体导入。燃料电池电堆是双极板和膜电极间隔堆叠的装置。在气体导入过程中，气体从歧管进入极板密封槽底背面相对的极板凹台间隙，而此凹台台面支撑极板密封槽底，凹台背面表面支撑堆叠的膜电极，膜电极又与堆叠的下一块双极板密封胶条接触；气体通过通孔后，进入极板凸台间隙而流入流场，凸台台面支撑膜电极，膜电极又与上一块双极板密封胶条接触，膜电极两侧是不同压力的不同介质气体。这样的密封结构，膜电极两侧气体的压差只会影响到流场部分，不会影响极板的通孔位置，凹凸台之间的间隙为流体通道；凹凸台末端与流场的进口之间设置焊接线，密封槽分别密封阴阳极流体，焊接线密封冷却剂；燃料气流从歧管通过阳极板和阴极板相对的间隙，流入通孔，再通过凸台流入流场。这解决了阴阳极腔室内的流体形成的压差较大时，挤压膜电极边框变形，影响流体流动，甚至造成堵塞通孔通道的问题，取到了流体在通孔之外流动，流体形成的压差不会影响通孔流体流动状态，提高了运行可靠性的有益效果。

可选的，所述凸台支承膜电极，所述凸台通过膜电极边框支撑堆叠电池的另一块双极板密封对侧胶条。

如图3B和图5所示，在现有技术中，通孔3设置于凹台4末端，通孔与流场进口之间设置焊线。在这种结构中，所述歧管密封槽7和所述流场6外围的密封槽内的胶条与所述膜电极8形成密封的第一气腔S1和第二气腔S2，所述第一气腔S1和所述第二气腔S2分别位于所述膜电极8的不同表面，所述第一气腔S1气体压力为P1，所述第二气腔气体压力为P2，P1和P2可以相等，也可以不等。当P1和P2流体压差过大时，压差将会压迫膜电极8边框，膜电极8边框的材料一般为薄膜材料，在一定温度和压力下，容易受压变形，膜电极8边框变形将影响流体流动，严重甚至造成堵塞通孔3通道，影响冲压金属双极板中的燃料气流反应。

在本实施例提供的冲压金属双极板中，将通孔3设置在凸台5之前，凸台5支撑膜电极8，凸台5通过膜电极8边框支撑对侧胶条，对侧胶条与膜电极8之间形成的对侧密封腔内的流体在通孔3之外流动，阳极板和阴极板之间的流体压差不会影响通孔3流体的流动状态，提高了冲压金属双极板的可靠性。

如图1和图3A所示，可选的，所述流场的进口处设置流场分配区9，焊接线设置在所述凸台5和所述流场分配区9之间。

燃料气体经过凸台5后进入流场分配区9，在流场分配区9平衡燃料气体的分配，控制流速，令燃料气体分配更均匀后再进入流场6进行反应。

如图4所示，可选的，歧管密封槽7和流场6外围的密封槽内的胶条与所述膜电极8形成密封的第一气腔S1和第二气腔S2，所述第一气腔S1和所述第二气腔S2分别位于所述膜电极8的不同表面，所述第一气腔S1位于所述流体通道之外。

如图5所示，现有技术中，形成的第一气腔S1在另一侧极板的通孔3之上，第一气腔S1的内压力将会影响第二气腔S2的通孔3，当腔室内流体形成的压差较大将压迫膜电极8边框，膜电极8之膜受压变形，将影响第二气腔S2的通孔，严重时将会堵塞第二气腔S2的气流进出。

如图4所示，冲压金属双极板层叠设置，两个冲压金属双极板之间设置膜电极8；阴极板和阳极板的通道处歧管密封槽处设置歧管密封槽7，用于与对应的膜电极8配合形成密封的第一气腔S1和第二气腔S2，具体为，歧管密封槽7和流场6外围密封槽内胶条通过膜电极封盖形成气腔密封。第一气腔S1和第二气腔S2分别位于冲压金属双极板的不同侧，由于双极板和膜电极间隔堆叠设置，则第一气腔S1和第二气腔S2分别位于膜电极8的不同表面。本实施例中，凸台5设置在通孔3末端，一块冲压金属双极板的第一气腔S1位于流体通道之外，位于膜电极8的上侧，另一块冲压金属双极板的第二气腔S2位于膜电极8的下侧，第一气腔S1处于通孔3之外；气流从歧管经过双极板中下侧极板的冷却剂腔凸台，并在凸台的肩部所形成的间隙流入通孔3，再通过双极板中上侧极板凸台5之间的间隙流入流场分配区9和流场区6。流体在通孔3之外流动，不会影响通孔流体的流动状态，即第一气腔S1的内压力不会影响第二气腔S2的通孔3。

可选的，所述歧管两侧设置歧管密封垫7。

如图4所示，歧管两侧设置歧管密封垫7，以实现各歧管之间的密封隔离，示例性的，将燃料歧管、冷却剂腔歧管和氧化剂歧管密封隔离。

可选的，所述歧管密封垫均采用硅胶制成。

硅胶耐氧化且密封效果好，采用注塑成型工艺成型歧管密封垫。

实施例二

本发明实施例二提供一种燃料电池，包括：上述任一项实施例提供的冲压金属双极板；燃料电池包括多个间隔堆叠的冲压金属双极板和膜电极。采用上述实施例提供的冲压金属双极板的燃料电池的运行可靠性更高。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种冲压金属双极板，其特征在于，包括：焊接相连的阳极板和阴极板，所述阴极板和所述阳极板的背面为双极板冷却腔侧；

所述阳极板和所述阴极板均包括密封槽、歧管、通孔、凹台、凸台和流场；所述密封槽设置于所述歧管周边和所述流场外围；所述歧管和所述流场之间设置所述密封槽、所述凹台的通道、所述凸台的通道、所述通孔，所述通孔设置于歧管密封槽和所述凸台之间；设置于所述歧管和所述凸台之间的所述密封槽为歧管密封槽；

所述阴极板气腔侧的所述歧管密封槽的背面与所述阳极板气腔侧的所述凹台相对，所述阴极板的所述通孔与所述流场的进口之间设置所述凸台，所述凸台的背面与所述阳极板的气腔侧的所述歧管密封槽相对；

所述阳极板气腔侧的所述歧管密封槽的背面与所述阴极板气腔侧的所述凹台相对，所述阳极板的所述通孔与所述流场的进口之间设置所述凸台，所述凸台的背面与所述阴极板的气腔侧的所述歧管密封槽相对；

所述冲压金属双极板与相邻冲压金属双极板之间设置膜电极；所述歧管密封槽和所述流场外围的密封槽内的胶条与所述膜电极形成密封的第一气腔和第二气腔；

所述凹台或所述凸台的间隙为流体通道；气体从所述歧管进入所述冲压金属双极板，通过一侧极板的所述凹台的间隙流入所述通孔，再经过另一侧极板的所述凸台的间隙流入所述流场。

2.根据权利要求1所述的冲压金属双极板，其特征在于，所述膜电极的两侧分别与位于所述膜电极两侧的所述冲压金属双极板的密封胶条接触；

所述凹台的台面支撑所述密封槽底部，所述凹台的背面支撑相邻的所述膜电极，所述凹台通过所述膜电极的边框支撑所述冲压金属双极板的密封胶条；

所述凸台的台面支撑相邻的所述膜电极，所述凸台通过所述膜电极的边框支撑堆叠的相邻所述冲压金属双极板的密封胶条。

3.根据权利要求1所述的冲压金属双极板，其特征在于，所述流场的进口处设置流场分配区，焊接线设置在所述凸台和所述流场分配区之间。

4.根据权利要求3所述的冲压金属双极板，其特征在于，所述第一气腔和所述第二气腔分别位于所述膜电极的不同表面，所述第一气腔位于所述流体通道之外。

5.根据权利要求4所述的冲压金属双极板，其特征在于，所述歧管两侧设置歧管密封垫。

6.根据权利要求5所述的冲压金属双极板，其特征在于，所述歧管密封垫采用硅胶制成。

7.根据权利要求1所述的冲压金属双极板，其特征在于，所述阳极板和所述阴极板均采用冲压工艺成型。

8.一种燃料电池，其特征在于，包括：权利要求1-7任一项所述的冲压金属双极板，所述燃料电池包括多个间隔堆叠的所述冲压金属双极板和膜电极。