CN115832346B - 一种燃料电池金属极板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池金属极板及其制造方法，属于燃料电池金属极板关键部件设计与制造领域。本发明所提供的金属极板包括氧化剂通道、燃料通道、冷却液通道、氧化剂流通区和流场区等，流场区内排列有若干流道，通过两侧的氧化剂流通区与金属极板两端的氧化剂通道连通，形成空气在极板表面的流动路径通道；流道内的固定截面形状部被多个变化截面形状部所分割，形成截面形状变化的设计。本发明充分考虑了板材成形能力、氧化剂在燃料电池内部流动特性、制造与检测要求，流道采用周期性、变间距构型设计，保证了其对于氧化剂的分配均匀性、氧浓度保持率和生成水移除水平。本发明所采用的制造方法对设计的适配性好，成形精度高，具有推广价值。

Description

一种燃料电池金属极板及其制造方法

技术领域

本发明属于燃料电池金属极板关键部件设计与制造领域，具体涉及一种燃料电池金属极板及其制造方法。

背景技术

在实际应用当中，为了满足输出功率目标，质子交换膜燃料电池通过以多个单电池彼此堆叠而形成燃料电池电堆。各单电池具备膜电极和夹持该膜电极的一对极板，分别称为阴极板和阳极板，而通常情况下，阴极板和阳极板被焊接到一起形成双极板。由于燃料电池电堆需要达到较高的功率密度，因此极板被制造成薄片状，具备多个流体通道和流通区，执行反应气输送、产物水导出、支撑结构、导通电流，传递热量等功能。

专利CN 106469816 A 公开了一种燃料电池用气体流道形成板，描述了作为这样的极板，具有的特征是：在气体流道形成板上的与膜电极接合体相对的面形成有相互平行延伸的多个突条，相互平行地沿延伸方向延伸；凹槽状的多个气体流道，其分别位于相邻的两个突条之间，上述凹槽构成用于使燃料气体或氧化剂气体流通的气体流道，该气体流道用于排出伴随发电而产生的水。在上述突条的背面形成有多个凹槽，上述凹槽分别构成水流道。在上述突条形成有连通路，该连通路将气体流道和水流道连通，并利用毛细管作用将气体流道内的水导入到水流道中。如上设计的极板结构复杂度高，成形困难，由于为防止水气流道联通需增加隔板使得燃料电池单体厚度提高。

在燃料电池电堆中，燃料气体与氧化剂在膜电极中发生电化学反应，而伴随发电而产生的水在蒸发作用下通过燃料气体与氧化剂带出电堆，一旦反应产物水不能及时排出就容易淹没电极或堵塞流道，从而严重阻碍电化学反应持续发生，甚至产生危害膜电极材料的状况。随着燃料电池电堆功率的提升，必然形成了对更大量燃料气体与氧化剂的需求，反应产物水量也进一步提高，显然在电池内部物质扩散传递能力显得至关重要，只有这样才能够保证电池层面具备充足的氧浓度，这在很大程度上取决于极板的设计。以往极板设计中注重对于燃料气体与氧化剂分配的均匀性，但阴极板对于氧浓度保持和产物水移除的能力考虑不足，难以应对当前大功率需求场景，不利于燃料电池电堆的市场化应用。

已知有具有完全相同的单极板的燃料电池双极板，即阴极板和阳极板完全一致，如专利CN102969513公开一种车用燃料电池的大面积金属双极板，实现两板三场功能。其单极板旋转对称，单极板上的流场由两端的引流槽和中间的直流槽组成，引流槽对于引入的燃料电池气体或氧化剂气体分成三股气体。通过技术特征分析可知，这样的极板设计相对简单，仅需一套成形模具，但带来的问题就是无法进一步提高功率，且容易出现氧化剂不足或残留水过多，不符合行业发展趋势。

另外，在燃料电池电堆中，特别是环境温度很低的情况下，因为环境中相对干燥的气体进入到极板内气体流道内，所以在膜电极中接近气体流道的入口部的部分容易干燥失水。尤其是，在发电量少的低载工作时，由于膜电极中伴随发电而产生的产物水量减少，膜电极更容易干燥。随着电化学反应的持续发生，其结果是膜电极内的质子传输因为水的不足而不能顺利地进行，导致燃料电池电堆发电性能降低。以往的设计中对这种现象的考虑不足，在于对低气量条件下双极板的保持水能力重要度定位不够，没有特别突出流场区9阻止水分流失的设计，如形成截面变化区域。

燃料电池金属极板制造属于精密成形范畴。随着燃料电池金属极板设计的复杂度不断提高，其成形精度并未降低反而有进一步提升的要求，因而面临诸多考验。由于极板表面微结构特征进一步复杂化，局部塑性变形更加强烈、容易产生冲压破裂与回弹严重或不均问题，而且成形特征一致性差，导致生产成本高企。可以看出，金属材料的成形性能、金属极板的设计方案、成形设备的工作能力与成形工序设置，彼此间形成制约与联动关系，因而优秀的金属极板开发必然是综合分析考量的结果并彼此协调。

由于这些情形的存在，需要有针对性的开发一种适用现有设备、低成本大规模生产高精度燃料电池金属极板的设计及制造方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池金属极板及其制造方法，是一种可采用高效成形工艺制造，有利于燃料电池氧浓度保持与产物水移除，并能抑制因膜电极的干燥而引起的发电性能下降的燃料电池用极板及其制造方法。

质子交换膜燃料电池应用于工程中，通常是由多个单电池堆叠形成燃料电池电堆。单电池由金属双极板和膜电极组成，而金属双极板又是由阴极板和阳极板通过焊接形成。阴极板的作用就是将氧化剂提供给膜电极，氧化剂通常具有一定湿度。阳极板的作用是将燃料提供给膜电极，也可以通过外部设备的能力使其具备一定湿度。质子交换膜燃料电池能够发出电能，来源于燃料电池极板提供的氧化剂和燃料，所以在设计质子交换膜燃料电池时，根据需求的电功率确定持续提供给极板的氧化剂、燃料的流量，并同时确定冷却液的流量，以保证燃料电池的反应热及时导出，使反应场所的温度保持相对稳定。因此，无论是阴极板还是阳极板都需要具备一对流通氧化剂的通道、一对流通燃料的通道和一对流通冷却液的通道。阴极板需要对最大化利用好氧化剂并使整个板面上的电流分布均匀。除此之外，冷却液还会在阴极板与阳极板之间的空隙内流动。另外，阴极板与膜电极接触，需要考虑到电流导出具备足够的接触面积，同时也要防止膜电极被压入阴极板中，因此需要使阴极板所具有的沟槽特征尺寸予以限制，不能过大。根据体积功率密度最大化的要求，燃料电池金属极板的最大外轮廓通常为长方形，因此具有板面长度方向、板面宽度方向。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种燃料电池金属极板，作为构成质子交换膜燃料电池双极板的阴极板，所述金属极板包括第一氧化剂通道1用于导入空气、第二氧化剂通道2用于排出空气、第一燃料通道3用于导入氢气、第二燃料通道4用于排出氢气、第一冷却液通道5用于导入冷却液、第二冷却液通道6用于导出冷却液、第一氧化剂流通区7用于空气对流道的分配、第二氧化剂流通区8用于流道空气的收集、流场区9和其他材料区10。

所述的第一氧化剂通道1、第一冷却液通道5和第二燃料通道4位于金属极板板面长度方向的一端，且第一冷却液通道5位于第一氧化剂通道1和第二燃料通道4之间，第二氧化剂通道2、第二冷却液通道6和第一燃料通道3位于另一端，且第二冷却液通道6位于第二氧化剂通道2与第一燃料通道3之间，同时，第一氧化剂通道1和第二氧化剂通道2以及第一燃料通道3和第二燃料通道4分别呈对角分布；所述的流场区9位于金属极板的中部，第一氧化剂流通区7和第二氧化剂流通区8分别位于其两侧，其中，第一氧化剂流通区7位于靠近第一氧化剂通道1、第一冷却液通道5和第二燃料通道4的一侧。

所述的第一氧化剂通道1、第二氧化剂通道2、第一燃料通道3、第二燃料通道4、第一冷却液通道5和第二冷却液通道6均为由带弧形角的非规则多边形围成的多面体，即其截面形状为非规则多边形，且其靠近第一氧化剂流通区7或第二氧化剂流通区8的部分均为直线段。

所述的第一氧化剂流通区7与第一氧化剂通道1连接，用于将进入第一氧化剂通道1的氧化剂气体导入到流场区9，并实现氧化剂气体在流场区9内所有流道91中的均匀分配，其内部通路具备1分2再分4的分配形式，分配前的通路与第一氧化剂通道1连接，分配后的通路与流道91一一对应相接；所述的第二氧化剂流通区8与第二氧化剂通道2连接，用于将进入流场区9的空气汇聚到第二氧化剂通道2，并实现在流场区9内所有流道91中的阻力作用相同，其内部通路具备4合2再合1的集合形式，集合前的通路与流道91一一对应相接，集合后的通路与第二氧化剂通道2连接；第一氧化剂流通区7、流场区9和第二氧化剂流通区8共同形成了空气在极板表面的流动路径通道，具体的：空气经第一氧化剂通道1进入第一氧化剂流通区7，随后均匀地分配到流道91中，再由第二氧化剂流通区8将空气收集后排出至第二氧化剂通道2。

所述的流场区9包括多个流道91和平坦部92，二者沿板面长度方向布置，且二者沿板面宽度方向交替排列，其中，流道91和平坦部92具备拓补关系。

所述的流道91包括一个固定截面形状部和多个变化截面形状部，每一个流道91上的固定截面形状部被变化截面形状部分割成多段，且变化截面形状部沿板面长度方向非等间隔排列；所有流道91的固定截面形状部截面积之和大于第一氧化剂通道1的截面积，利于进入每根流道91中氧化剂分配均衡。

所述的其他材料区10包括加强筋部101、定位结构部102和电位测量部103。所述的加强筋部101设置在金属极板长度方向的两侧边缘，用于增强金属极板的刚度，防止变形；所述的定位结构部102为设置于金属极板四角，用于组装燃料电池电堆时与定位部件接触提供定位；突出于金属极板的电位测量部103连接电压巡检控制器，用于保证对每一节单体电池的监视测量，防止单电池电压低导致反极，同时用作对于单电池内阻测试的通道。

一种燃料电池金属极板的制造方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一，所述第一氧化剂通道1、第二氧化剂通道2、第一燃料通道3、第二燃料通道4、第一冷却液通道5、第二冷却液通道6均由板材采用冲裁工艺制成。

步骤二，对经步骤一后得到的板材，采用刚性模塑性成形工艺制造第一氧化剂流通区7和第二氧化剂流通区8。

步骤三，对经步骤二后得到的板材，先采用刚性模电致塑性成形工艺制造变化截面形状部，再采用刚性模塑性成形工艺制造流道91的固定截面形状部，最终得到成形的燃料电池金属极板。

进一步地，所述的流场区9由多个重复单元排列而成，每个重复单元包括1对或2对或3对流道结构，每对流道结构由相邻的一个流道91和一个平坦部92组成，且若一个重复单元内有多个流道91，则多个流道91互不相同，即本发明每个重复单元可以是如实施例中的2个沟槽（统称为流道91）和2个岸部（统称平坦部92），也可以3个沟槽（统称为流道91）和3个岸部（统称平坦部92），或者是1个沟槽（称为流道91）和1个岸部（称平坦部92）。

进一步的，第一氧化剂通道1截面积、第一燃料通道3截面积、第一冷却液通道5截面积均通过对应流体流量确定，即截面积等于对应流体流量除以流速，其中，氧化剂、燃料的流量根据需求的电功率确定，并同时确定冷却液的流量，氧化剂的流速范围为15～40m/s，燃料的流速范围为20～50m/s，冷却液的流速范围为1～4m/s，优选的是，氧化剂的流速为25m/s，燃料的流速为40m/s，冷却液的流速为2.5m/s。

进一步地，所述的第一氧化剂通道1与第二氧化剂通道2截面积比在1～2之间，第一燃料通道3与第二燃料通道4截面积比在1～2之间，第一冷却液通道5与第二冷却液通道6截面积比在0.8～1.5之间。

进一步地，所述燃料电池金属极板的材料为纯钛、钛合金或不锈钢，且厚度在0.5～1.2mm之间。

进一步地，所述步骤一至步骤三中的冲裁工艺与刚性模塑性成形工艺均为一次成形。

进一步地，所述步骤二中的刚性模电致塑性成形工艺中所用辅助脉冲电流由两对电极施加，每对电极间互成90度，且所用辅助脉冲电流作用时间不低于5秒，电流大小在10～100A之间。

随着燃料电池电堆功率的提升，产水量增加，氧浓度在流道91中不断降低。由于采用截面形状变化的设计，提高了空气在流道91中流动的阻力，使得空气在电池内部扩散传递能力提高，保证了电池层面具备充足的氧浓度。

特别是在环境温度很低的情况下，因为环境中相对干燥的气体进入到极板内气体流道内，所以在膜电极中接近气体流道的入口部的部分容易干燥失水。尤其是，在发电量少的低载工作时，由于膜电极中伴随发电而产生的产物水量减少，膜电极更容易干燥。本设计采用的变截面设计，对低气量条件下极板的保持水能力形成积极作用，阻止水分持续流失。

本发明的有益效果：

与现有技术相比，本发明中一种燃料电池金属极板，在结构设计方面充分考虑了板材成形能力、氧化剂在燃料电池内部流动特性、制造与检测要求，流道采用周期性、变间距构型设计，保证了其对于氧化剂的分配均匀性、氧浓度保持率和生成水移除水平。本发明所采用的制造方法对设计的适配性好，成形精度高，具有推广价值。

附图说明

图1为本发明一种燃料电池金属极板结构示意图。

图2（a）为本发明的实施例1流场区结构示意图。

图2（b）为本发明的实施例1流场区结构A-A剖视局部放大图。

图2（c）为本发明的实施例1流场区结构B-B剖视局部放大图。

图3（a）为本发明的实施例2流场区结构示意图。

图3（b）为本发明的实施例2流场区结构C-C剖视局部放大图。

图4为本发明一种燃料电池金属极板制造方法流程图。

图中：1第一氧化剂通道；2第二氧化剂通道；3第一燃料通道；4第二燃料通道；5第一冷却液通道；6第二冷却液通道；7第一氧化剂流通区；8第二氧化剂流通区；9流场区；10其他材料区；91流道；911第一固定截面形状部；912变化截面形状部；913第二固定截面形状部；92平坦部；921第一平坦部；922第二平坦部；101加强筋部；102定位结构部；103电位测量部。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

如图1所示，一种燃料电池金属极板, 最大外形尺寸为450x160mm，由钛合金制作，厚度为1mm，其作为构成质子交换膜燃料电池双极板的阴极板，包括第一氧化剂通道1用于导入空气，第二氧化剂通道2用于排出空气，第一燃料通道3用于导入氢气，第二燃料通道4用于排出氢气，第一冷却液通道5用于导入冷却液，第二冷却液通道6用于导出冷却液，第一氧化剂流通区7用于空气对流道的分配，第二氧化剂流通区8用于流道空气的收集，流场区9和其他材料区10。第一燃料通道3、第二燃料通道4、第一冷却液通道5、第二冷却液通道6，是在组装成电堆后才具备输送功能。

第一氧化剂通道1、第一冷却液通道5和第二燃料通道4位于金属极板板面长度方向的一端，第二氧化剂通道2、第二冷却液通道6和第一燃料通道3位于金属极板板面长度方向的另一端，且第一氧化剂通道1和第二氧化剂通道2以及第一燃料通道3和第二燃料通道4分别呈对角分布；所述的流场区9位于金属极板的中部，第一氧化剂流通区7和第二氧化剂流通区8位于其两侧，且第一氧化剂流通区7位于靠近第一氧化剂通道1、第一冷却液通道5和第二燃料通道4的一侧。

所述的第一氧化剂通道1、第一燃料通道3、第一冷却液通道5、第二氧化剂通道2、第二燃料通道4、第二冷却液通道6均为带弧形角的非规则多边形围成的多面体，即截面形状为非规则多边形。第一氧化剂通道1、第一燃料通道3、第一冷却液通道5、第二氧化剂通道2、第二燃料通道4、第二冷却液通道6靠近空入剂第一流通区或空出第二流通区的部分为直线段。

流场区9位于金属极板的中部，如图2a所示，其包括多个流道91和多个平坦部92，且二者沿板面宽度方向交替排列，其中，流道91和平坦部92具备拓补关系。流道91包括两种，第一种由多个变化截面形状部912和一个第二固定截面形状部913组成，第二种由一个第一固定截面形状部911和多个变化截面形状部912组成，其中，变化截面形状部912将第一固定截面形状部911分割成多段，变化截面形状部912将第二固定截面形状部913分割成多段。任意流道91中沿板面长度方向上两个相邻的变化截面形状部912的间距皆为非等间距。所有流道91的第一固定截面形状部911和第二固定截面形状部913的截面积之和大于第一氧化剂通道1截面积，利于进入每根流道91中氧化剂分配均衡。即本实施例中，第一根流道91由一个第二固定截面形状部913和多个变化截面形状部912构成，变化截面形状部912间隔出现，第二根流道91由一个第一固定截面形状部911和多个变化截面形状部912构成，变化截面形状部912间隔出现，由于变化截面形状部912在第一根流道91和第二根流道91上起始位置不同，所以区分为2个固定截面形状部(第一固定截面形状部911、第二固定截面形状部913)。由图2可知，任意流道91中沿板面长度方向上两个相邻的变化截面形状部912的间距皆为非等间距。

所述的平坦部92包括第一平坦部921和第二平坦部922。所述的第一平坦部921位于第一种与第二种流道91之间，第二平坦部922位于第一种流道91的另一侧，第一平坦部921与第一种流道91为一组，第二平坦部922与第二种流道91为一组，两组在流场区9内沿板面宽度方向交替排列。

具体地，流场区9包括30个流道91和29个平坦部92，流道91呈“直流道”，沿板面长度方向从一侧到另一侧延伸。如图2b和图2c所示，流道91中固定截面形状部的截面为“凹”型，在实际制造中，由于采用模具加工方式，因此两个竖边在模具可以脱出的情况下所形成的角度约为40°，而变化截面形状部912呈现“缩颈”状态，即流道91在此处形成紧缩，包括垂直板面方向和板面宽度方向上的紧缩，紧缩处最小截面积为固定截面形状部截面面积的0.25倍。如图2a所示，变化截面形状部912在流道91上沿板面长度方向按1：1.25：1.5：1.6的间隔距离重复排列，但其在两种流道91上第一次出现位置不同，变化截面形状部912在第二种流道91上出现的要晚于第一种流道91。

第一氧化剂流通区7位于流场区9旁靠近第一氧化剂通道1一侧，用于将进入第一氧化剂通道1的氧化剂气体导入到流场区9，并实现氧化剂气体在所有流道91中的均匀分配；由于第一氧化剂流通区7与第一氧化剂通道1的连接部较小，因此第一氧化剂流通区7内部设置导流结构，导流结构为等比数放大结构，具备1分2再分4的分配形式，具体地，第一氧化剂流通区7主体结构由导流通路组成，导流通路的入口与第一氧化剂通道1相接，出口与流道91的入口一一对应相接。

第二氧化剂流通区8位于流场区9旁靠近第二氧化剂通道2一侧，用于将进入流场区9的空气汇聚到第二氧化剂通道2，并实现在所有流道91中的阻力作用相同，因此空出分配区内部亦设置导流结构，为具备4合2再合1的集合形式，具体的，第二氧化剂流通区8由导流通路组成，流道91及的出口与导流通路的入口一一对应相接，导流通路的出口与第二氧化剂通道2相接。

第一氧化剂流通区7、流场区9和第二氧化剂流通区8共同形成了空气在极板表面流动路径通道，空气经第一氧化剂通道1进入第一氧化剂流通区7，随后均匀地分配到流场区9的多个流道91中，再由第二氧化剂流通区8将空气收集后排出至第二氧化剂通道2。

所有流道91的第一固定截面形状部911和第二固定截面形状部913的截面积之和大于第一氧化剂通道1的截面积，利于进入每根流道91中氧化剂分配均衡。

在本实施例中，第一燃料通道3与第二燃料通道4在板面内为旋转对称。第一氧化剂流通区7和第二氧化剂流通区8由于第一氧化剂通道1、第二氧化剂通道2大小不同，因此第一氧化剂流通区7和第二氧化剂流通区8主体结构相似，尺寸不同，因此可称之为整体近似。

第一氧化剂通道1截面积、第一燃料通道3截面积、第一冷却液通道5截面积均通过对应流体流量确定，即截面积等于对应流体流量除以流速，其中，氧化剂、燃料的流量根据需求的电功率确定，并同时确定冷却液的流量，氧化剂的流速为30m/s，燃料的流速为50m/s，冷却液的流速为2.5m/s。

第一氧化剂通道1截面积与第二氧化剂通道2截面积比为1.5，第一燃料通道3截面积与第二燃料通道4截面积比为1，第一冷却液通道5截面积与第二冷却液通道6截面积比为1.2。

其他材料区10包括加强筋部101、定位结构部102和电位测量部103。所述的加强筋部101设置在金属极板长度方向的两侧边缘，用于增强金属极板的刚度，防止变形；所述的定位结构部102为设置于金属极板四角，用于为组装燃料电池电堆时与定位部件接触提供定位；突出于金属极板的电位测量部103连接电压巡检控制器，用于保证对每一节单体电池的监视测量，防止单电池电压低导致反极，同时用作对于单电池内阻测试的通道。

针对上述燃料电池金属极板的制造方法，是从金属平板形式开始，采用分步成形法，加工出具备金属板设计特征从而变成能够用于燃料电池中使用的极板，该制造方法流程如图4所示，包括如下步骤：

步骤1，第一氧化剂通道1、第二氧化剂通道2、第一燃料通道3、第二燃料通道4、第一冷却液通道5、第二冷却液通道6均由板材采用冲裁工艺成型；

步骤2，在完成步骤1的基础上，采用刚性模塑性成形工艺制造第一氧化剂流通区7和第二氧化剂流通区8；

步骤3，采用刚性模电致塑性成形工艺制造变化截面形状部912，再采用刚性模塑性成形工艺制造第一固定截面形状部911和第二固定截面形状部913。

第一固定截面形状部911及第二固定截面形状部913的极板变形在板材“成形极限”范围内，因此可以通过设计合适的模具和常规冲压加工方法制造，而变化截面形状部912的变形复杂，超出了板材“成形极限”，因而采用电致塑性成形工艺制造，特别是控制电流为30A，辅助脉冲电流作用时间为5秒。

最终得到成形的燃料电池金属极板。

实施例2

如图1所示，一种燃料电池金属极板, 最大外形尺寸为500x200mm。本实施例中的燃料电池金属极板与实施例1中结构基本相同，区别在于：

所述的平坦部92包括第一平坦部921和第二平坦部922。所述的第二平坦部922位于第一种与第二种流道91之间，第一平坦部921位于第一种流道91的另一侧，第二平坦部922与第一种流道91为一组，第一平坦部921与第二种流道91为一组，两组在流场区9内沿板面宽度方向交替排列。

具体地，所述的流场区9共有35个流道91和34个平坦部92，所述的流道91呈“波浪型”，也可以称之为“蜿蜒流道”， 沿板面长度方向从一侧到另一侧延伸，“波浪”的直边部分与水平方向的角度为10°，较现有的同类型结构的角度低，用以适配整体设计。如图3b所示，流道91中固定截面形状部的截面为“凹”型，在实际制造中，由于采用模具加工方式，因此两个竖边在模具可以脱出的情况下角度约为40°，而变化截面形状部912呈现“缩颈”状态，即流道91在此处形成紧缩，紧缩处最小截面积为第一固定截面形状部911截面面积的0.25倍，如图3a所示，变化截面形状部912在相邻的第一根和第二根流道91上第一次出现位置不同，变化截面形状部912在第二根流道91上出现的要晚于第一根流道91。

通过流道91的“波浪”和“紧缩”设计，可以提高了空气在流道91中流动的阻力，使得空气在电池内部扩散传递能力提高，保证了电池层面具备充足的氧浓度。降低在低载工作时产物水量减少而导致的膜电极更容易干燥问题。

在本实施例中，第一燃料通道3与第二燃料通道4在板面内为旋转对称。第一氧化剂流通区7和第二氧化剂流通区8由于第一氧化剂通道1、第二氧化剂通道2大小不同，因此第一氧化剂流通区7和第二氧化剂流通区8主体结构相似，尺寸不同，因此可称之为整体近似。

第一氧化剂通道1截面积、第一燃料通道3截面积、第一冷却液通道5截面积均通过对应流体流量确定，即截面积等于对应流体流量除以流速，其中，氧化剂、燃料的流量根据需求的电功率确定，并同时确定冷却液的流量，氧化剂的流速为25m/s，燃料的流速为50m/s，冷却液的流速为3m/s。

第一氧化剂通道1截面积与第二氧化剂通道2截面积比为1.4。第一燃料通道3截面积与第二燃料通道4截面积比为1。第一冷却液通道5截面积与第二冷却液通道6截面积比为1.3。

针对上述燃料电池金属极板的制造方法，是从金属平板形式开始，采用分步成形法，加工出具备金属板设计特征从而变成能够用于燃料电池中使用的极板，该制造方法包括如下步骤：

步骤1，第一氧化剂通道1、第二氧化剂通道2、第一燃料通道3、第二燃料通道4、第一冷却液通道5、第二冷却液通道6均由板材采用冲裁工艺成型；

步骤2，在完成步骤1的基础上，采用刚性模塑性成形工艺制造第一氧化剂流通区7和第二氧化剂流通区8；

步骤3，采用刚性模电致塑性成形工艺制造变化截面形状部912，再采用刚性模塑性成形工艺制造第一固定截面形状部911和第二固定截面形状部913。

第一固定截面形状部911及第二固定截面形状部913的极板变形在板材“成形极限”范围内，因此可以通过设计合适的模具和常规冲压加工方法制造，而变化截面形状部912的变形复杂，超出了板材“成形极限”，因而采用电致塑性成形工艺制造，特别是控制电流为50A，辅助脉冲电流作用时间为5秒。

最终得到成形的燃料电池金属极板。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种燃料电池金属极板，作为构成质子交换膜燃料电池双极板的阴极板，其特征在于，所述金属极板包括第一氧化剂通道（1）用于导入空气、第二氧化剂通道（2）用于排出空气、第一燃料通道（3）用于导入氢气、第二燃料通道（4）用于排出氢气、第一冷却液通道（5）用于导入冷却液、第二冷却液通道（6）用于导出冷却液、第一氧化剂流通区（7）用于空气对流道的分配、第二氧化剂流通区（8）用于流道空气的收集、流场区（9）和其他材料区（10）；

所述的第一氧化剂通道（1）、第一冷却液通道（5）和第二燃料通道（4）位于金属极板板面长度方向的一端，且第一冷却液通道（5）位于第一氧化剂通道（1）和第二燃料通道（4）之间；第二氧化剂通道（2）、第二冷却液通道（6）和第一燃料通道（3）位于另一端，且第二冷却液通道（6）位于第二氧化剂通道（2）与第一燃料通道（3）之间；同时，第一氧化剂通道（1）和第二氧化剂通道（2）以及第一燃料通道（3）和第二燃料通道（4）分别呈对角分布；所述的流场区（9）位于金属极板的中部，第一氧化剂流通区（7）和第二氧化剂流通区（8）分别位于其两侧，其中，第一氧化剂流通区（7）位于靠近第一氧化剂通道（1）、第一冷却液通道（5）和第二燃料通道（4）的一侧；

所述的第一氧化剂通道（1）、第二氧化剂通道（2）、第一燃料通道（3）、第二燃料通道（4）、第一冷却液通道（5）和第二冷却液通道（6）均为由带弧形角的非规则多边形围成的多面体，即其截面形状为非规则多边形，且其靠近第一氧化剂流通区（7）或第二氧化剂流通区（8）的部分均为直线段；

所述的第一氧化剂流通区（7）与第一氧化剂通道（1）连接，其内部通路具备1分2再分4的分配形式，分配前的通路与第一氧化剂通道（1）连接，分配后的通路与流道（91）一一对应相接；所述的第二氧化剂流通区（8）与第二氧化剂通道（2）连接，其内部通路具备4合2再合1的集合形式，集合前的通路与流道（91）一一对应相接，集合后的通路与第二氧化剂通道（2）连接；第一氧化剂流通区（7）、流场区（9）和第二氧化剂流通区（8）共同形成了空气在极板表面的流动路径通道；

所述的流场区（9）包括多个流道（91）和平坦部（92），二者沿板面长度方向布置，且二者沿板面宽度方向交替排列，其中，流道（91）和平坦部（92）具有拓补关系；所述的流场区（9）由多个重复单元排列而成，每个重复单元包括3对流道结构，每对流道结构由相邻的一个流道（91）和一个平坦部（92）组成，且若一个重复单元内有多个流道（91），则多个流道（91）互不相同；

所述的流道（91）包括一个固定截面形状部和多个变化截面形状部，每一个流道（91）上的固定截面形状部被变化截面形状部分割成多段，且变化截面形状部沿板面长度方向非等间隔排列；所有流道（91）的固定截面形状部截面积之和大于第一氧化剂通道（1）的截面积，利于进入每根流道（91）中氧化剂分配均衡；所述的流道（91）呈“波浪型”，沿板面长度方向从一侧到另一侧延伸，“波浪”的直边部分与水平方向的角度为10°，变化截面形状部紧缩处最小截面积为固定截面形状部截面面积的0.25倍；

所述的其他材料区（10）包括加强筋部（101）、定位结构部（102）和电位测量部（103）；所述的加强筋部（101）设置在金属极板长度方向的两侧边缘；所述的定位结构部（102）为设置于金属极板四角；突出于金属极板的电位测量部（103）连接电压巡检控制器。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属极板，其特征在于，所述的第一氧化剂通道（1）截面积、第一燃料通道（3）截面积、第一冷却液通道（5）截面积分别等于对应流体流量除以流速，其中，氧化剂、燃料的流量根据需求的电功率确定，并同时确定冷却液的流量。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池金属极板，其特征在于，所述的氧化剂的流速范围为15～40m/s，燃料的流速范围为20～50m/s，冷却液的流速范围为1～4m/s。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属极板，其特征在于，所述的第一氧化剂通道（1）与第二氧化剂通道（2）截面积比在1～2之间，第一燃料通道（3）与第二燃料通道（4）截面积比在1～2之间，第一冷却液通道（5）与第二冷却液通道（6）截面积比在0.8～1.5之间。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属极板，其特征在于，所述燃料电池金属极板的材料为纯钛、钛合金或不锈钢，且厚度在0.5～1.2mm之间。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种燃料电池金属极板的制造方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一，第一氧化剂通道（1）、第二氧化剂通道（2）、第一燃料通道（3）、第二燃料通道（4）、第一冷却液通道（5）、第二冷却液通道（6）均由板材采用冲裁工艺制成；

步骤二，对经步骤一后得到的板材，采用刚性模塑性成形工艺制造第一氧化剂流通区（7）和第二氧化剂流通区（8）；

步骤三，对经步骤二后得到的板材，先采用刚性模电致塑性成形工艺制造变化截面形状部，再采用刚性模塑性成形工艺制造流道（91）的固定截面形状部，最终得到成形的燃料电池金属极板。

7.根据权利要求6所述的一种燃料电池金属极板的制造方法，其特征在于，所述步骤一至步骤三中的冲裁工艺与刚性模塑性成形工艺均为一次成形。

8.根据权利要求6所述的一种燃料电池金属极板的制造方法，其特征在于，所述步骤二中的刚性模电致塑性成形工艺中所用辅助脉冲电流由两对电极施加，每对电极间互成90度，且所用辅助脉冲电流作用时间不低于5秒，电流大小在10～100A之间。