CN116259777A - 一种燃料电池的金属极板及电堆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池的金属极板及电堆，金属极板包括极板本体，所述极板本体包括流场区、流体进口区和流体出口区，所述流场区周围的极板本体的端面上设有凸起的弹性结构件，所述弹性结构件在所述极板本体上冲压成型。本发明在金属极板的流场区周围设置冲压成型的弹性结构件，相邻金属极板装配时极板本体与弹性结构件接触，或者两块相邻金属极板的弹性结构件相互接触，通过弹性结构件的塑性形变和弹性形变调整极板形状，保证核心接触面以及流体进出区的面间接触性和平整度，使得气体扩散层不会被过度压缩，流场区的气体/冷却水分布更加均匀。

Description

一种燃料电池的金属极板及电堆

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池金属极板及电堆。

背景技术

燃料电池是将燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置，其中质子交换膜燃料电池是目前最有希望产业化的燃料电池。燃料电池的电堆是其核心部件，电堆由多个单电池堆叠而成，每个单电池包括一金属阴极板、一膜电极和一金属阳极板。

金属极板包括流场区和流体进出区，流场区整体呈波浪状态，单电池组装后，流体进出区可能处于悬空状态，这类悬空部分的尺寸是随机的，因此电堆的装配公差难以预测，进而导致以下三个问题：

（1）悬空公差会使设计图纸与实际状态不一致，核心导电面处气体扩散层与极板间接触不紧密，此时只能加大封装力强行弥合悬空带，但由于极板呈波浪形，使得本来已经接触部位的膜电极（核心发电部位）严重形变，致使电池性能和耐久性下降；

（2）悬空公差会导致装配力及大气量进气波动，产生的往复应力可达400MPa以上，超过常用金属的疲劳应力；电池运行过程中，由于存在悬空部位，流体进出区为无支撑的简支梁结构，因此进气部位会发生抖动，进而产生应力疲劳，导致裂纹产生，造成氢气漏气，影响电堆安全运行；

（3）悬空公差会导致金属极板各部位的贴合紧密程度不一致，致使面内流阻分布不一致，会有部分冷却液/反应气体进入后直接逃逸到出口，降低传热传质效果。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明需要解决的技术问题是如何消除单电池金属极板之间的悬空部位，保证核心接触面以及流体进出区的面间接触性和平整度。

为解决上述问题，本发明提供一种燃料电池的金属极板，包括极板本体，所述极板本体包括流场区、流体进口区和流体出口区，所述流场区周围的极板本体的端面上设有凸起的弹性结构件，所述弹性结构件在所述极板本体上冲压成型。

本发明在金属极板的流场区周围设置冲压成型的弹性结构件，相邻金属极板装配时极板本体与弹性结构件接触，或者两块相邻金属极板的弹性结构件相互接触，通过弹性结构件的塑性形变和弹性形变调整极板形状，保证核心接触面以及流体进出区的面间接触性和平整度，使得气体扩散层不会被过度压缩，流场区的气体/冷却水分布更加均匀。

优选地，所述弹性结构件超出所述流场区的高度等于所述极板本体在装配压力下的平面度。弹性结构件略高于流场区，并且与装配压力下的平面度对应，保证弹性结构件能够填补可能出现的悬空部位。

优选地，所述极板本体的厚度为0.05-0.15mm，所述流场区的高度为0.2-0.5mm，所述弹性结构件的高度为0.3-0.7mm。弹性结构件的高度与流场区的高度和极板本体的厚度相关，根据常规金属极板在厚度方向的尺寸确认弹性结构件的高度。

优选地，所述弹性结构件的截面为轴对称图形。轴对称的弹性结构件承压能力强，其塑性形变和弹性形变可预测性高。

优选地，所述弹性结构件的截面图形呈双层台阶结构。这种结构的弹性结构件能够发生较大的弹性形变，弹性结构件受力情况下可以使金属极板趋于平整，保证核心接触面以及流体进出区的面间接触性和平整度。

优选地，所述弹性结构件的截面图形包括一条顶边和两条斜边，所述顶边的两端分别与一所述斜边的顶端连接，所述斜边的底端与所述极板本体连接，所述斜边与所述顶边的之间夹角为钝角。这种弹性结构件的结构简单，成型容易，结构强度高，可以吸收振动，避免金属极板因应力疲劳产生裂纹，弹性结构件受力情况下可以使金属极板趋于平整。

优选地，所述弹性结构件的截面图形的所述斜边与所述顶边的之间夹角大于等于108°。考虑到金属材质的延展性，限定其拔模角在18°以上，保证弹性结构件具有足够的弹性和承压能力。

优选地，所述斜边在所述极板本体平面上的投影的长度为斜边宽幅，所述斜边宽幅是所述弹性结构件的高度的2.4-2.5倍。当高度固定时，弹性结构件存在最优性能结构，经优化计算，当斜边宽幅是高度的2.4-2.5倍时，弹性结构件的弹性域最优，可兼顾载荷与可吸收的尺寸公差。

优选地，所述弹性结构件的顶部设有弹性垫。在弹性结构件上设置弹性垫，可以进一步提高减振性能和密封性。

本发明还提供一种燃料电池的电堆，包括上述的金属极板。金属极板受压后，弹性结构件通过耦合的塑性形变与弹性形变调整极板形状，可以降低厚度方向公差链设计的复杂性，使得电堆组装力可预测、可设计。

相对现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明在燃料电池的金属极板上设置了弹性结构件，用于填补原来可能出现悬空的位置，同时给予双方向的金属极板一定的弹性反力，弹性结构件可以吸收振动，避免金属极板因应力疲劳产生裂纹，从而保证燃料电池的安全。

2、设置弹性结构件可以吸收厚度方向因复杂薄板结构自身应力带来的不规则尺寸变化（翘曲），弹性结构件受力情况下可以使金属极板趋于平整，保证膜电极变形可控且可预测。

3、弹性结构件受压后可以通过耦合的塑性形变与弹性形变保证核心接触面以及流体进出区的面间接触性和平整度，使流场区的气体/冷却水分布更加均匀，减少逃逸。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中金属极板的结构示意图。

图2为本发明具体实施方式中多种弹性结构件的截面图形示例。

图3为本发明实施例1中弹性结构件受力前后的截面图形变化图。

图4为本发明实施例1中金属极板装配过程的结构变化示意图。

图5为本发明实施例2中弹性结构件的截面图形。

图6为本发明实施例2中弹性结构件的尺寸设计优化曲线。

图7为本发明实施例2中弹性结构件的形变测试曲线图。

图8为本发明实施例3中弹性结构件的截面图形。

1-极板本体，2-流场区，3-流体进口区，4-流体出口区，5-弹性结构件，6-弹性垫。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。需要说明的是，以下各实施例仅用于说明本发明的实施方法和典型参数，而不用于限定本发明所述的参数范围，由此引申出的合理变化，仍处于本发明权利要求的保护范围内。

本发明的具体实施方式提供一种燃料电池的电堆，电堆包括多个单电池，每个单电池由双金属极板和膜电极组成。金属极板的典型结构如图1所述，包括极板本体1，极板本体1的中部为流场区2，与膜电极位置对应；流场区2的两侧为流体进口区3和流体出口区4，分别设有供介质进出的通道。在流场区2周围的极板本体1的端面上设有多个凸起的弹性结构件5，如图1中所示，弹性结构件5设置在流场区2的四周，在其他实施方式中，弹性结构件5也可以设置在极板本体1的其他位置，比如流体进口区3和流体出口区4中。弹性结构件5用于填补金属极板上原来可能出现悬空的位置，通过弹性结构件5的塑性形变和弹性形变调整极板形状，保证核心接触面以及流体进出区的面间接触性和平整度，使得气体扩散层不会被过度压缩，提高流场区2的流体分布均匀性，减少逃逸，改善传热效果。

弹性结构件5与极板本体1为一体结构，在极板本体1上冲压成型。冲压成型的弹性结构件5为金属材料，具有较好的结构强度和弹性，可以吸收振动，避免金属极板因应力疲劳产生裂纹，从而延长电堆的使用寿命。进一步地，可以在弹性结构件5上设置弹性垫6，弹性垫6由橡胶材料制成，能提高弹性结构件5的减振能力和金属极板之间的密封性。

常规金属极板的极板本体1的厚度为0.05-0.15mm，流场区2整体呈波浪状态，高度为0.2-0.5mm。为了能够填补金属极板可能产生的悬空，设计弹性结构件5的高度超过流场区2的高度，并且超出的高度等于极板本体1在装配压力下的平面度，因此弹性结构件5的高度为0.3-0.7mm范围内。比如极板本体1的厚度为0.1mm，流场区2的高度为0.5mm，设计图纸表明其在0.2MPa压力下绘制，平面度为0.05mm，则弹性结构件5的高度为0.55mm。

进一步地，弹性结构件5的截面为轴对称图形，使弹性结构件5具有很强的承压能力，弹性形变和塑性形变可预测。弹性结构件5通过耦合的塑性形变与弹性形变调整极板形状，可以降低厚度方向公差链设计的复杂性，使得电堆组装力可预测、可设计。

结合如图2所示，图2中的A-G列举了七种可选的弹性结构件5截面图形，包括梯形、台阶形、三角形、圆弧形等，在具体实施例中，弹性结构件5的截面图形还可能是其他的轴对称形状。

其中，优选地弹性结构件5的截面图形如图2中的A所示，其包括一条顶边和两条斜边，顶边的两端分别与一斜边的顶端连接，斜边的底端与极板本体1连接，斜边与顶边的之间夹角为钝角。这种弹性结构件5的结构简单，成型容易，结构强度高。考虑到金属材质的延展性，限定截面图形的斜边与顶边的之间夹角大于等于108°，即拔模角大于等于18°，保证弹性结构件5具有足够的强度和弹性。

以下结合具体实施例对本发明的技术方案和效果进行举例说明。

实施例1：本实施例提供一种金属极板，其流场区2周围设有弹性结构件5，弹性结构件5的截面图形如图3所示，呈双层台阶结构，受压后会发生弹性形变。极板本体1的材质为SUS316L，厚度为0.1mm，弹性结构件5在极板上冲压成型，整体高度为0.65mm。

金属极板装配过程的结构变化如图4所示，第一阶段P1开始施加装配压力，极板本体1存在翘曲部位；第二阶段P2弹性结构件5与相邻金属极板接触，填补可能出现悬空的位置，对极板本体1的结构进行调节；第三阶段P3金属极板达到平衡状态，弹性结构件5受力情况下可以使金属极板趋于平整，保证核心接触面以及流体进出区的面间接触性和平整度。

实施例2：本实施例与实施例1不同之处在于，弹性结构件5的截面图形如图5所示，呈梯形结构，包括一条顶边和两条斜边。顶边的长度A为1.2mm，高度H为0.65mm，截面图形的高与斜边之间的角度为拔模角α，斜边在极板本体平面上的投影的长度为斜边宽幅W，W=H*tanα。

当高度H固定时，斜边宽幅W会影响弹性结构件的性能，包括弹性形变可吸收尺寸量和可承受荷载。对于W与H的关系进行优化计算，结果如图6所示，结果表明当斜边宽幅W是弹性结构件高度H的2.4-2.5倍，弹性结构件5的性能最优，可兼顾载荷与形变吸收。

根据优化计算结果，设计弹性结构件5的宽幅W为1.6mm，测试其在不同承载压力下的形变量，进行三次循环，结果如图7所示。结果显示弹性结构件5能够承载很大的压力，第一次承压时同时发生塑性形变和弹性形变，部分塑性形变不恢复，之后弹性结构件主要发生弹性形变，其形变量可控、可设计。

实施例3：本实施例与实施例2不同之处在于，弹性结构件5的顶部设有弹性垫6，其截面图形如图8所示，弹性垫6的厚度为0.2mm，可以进一步提高弹性结构件5的减振性能和密封性。

最后应说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种燃料电池的金属极板，其特征在于，包括极板本体(1)，所述极板本体(1)包括流场区(2)、流体进口区(3)和流体出口区(4)，所述流场区(2)周围的极板本体(1)的端面上设有凸起的弹性结构件(5)，所述弹性结构件(5)在所述极板本体(1)上冲压成型，所述弹性结构件(5)超出所述流场区(2)的高度等于所述极板本体(1)在装配压力下的平面度。

2.根据权利要求1所述的燃料电池的金属极板，其特征在于，所述极板本体(1)的厚度为0.05-0.15mm，所述流场区(2)的高度为0.2-0.5mm，所述弹性结构件(5)的高度为0.3-0.7mm。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池的金属极板，其特征在于，所述弹性结构件(5)的截面为轴对称图形。

4.根据权利要求3所述的燃料电池的金属极板，其特征在于，所述弹性结构件(5)的截面图形呈双层台阶结构。

5.根据权利要求3所述的燃料电池的金属极板，其特征在于，所述弹性结构件(5)的截面图形包括一条顶边和两条斜边，所述顶边的两端分别与一所述斜边的顶端连接，所述斜边的底端与所述极板本体(1)连接，所述斜边与所述顶边的之间夹角为钝角。

6.根据权利要求5所述的燃料电池的金属极板，其特征在于，所述弹性结构件(5)的截面图形的所述斜边与所述顶边的之间夹角大于等于108°。

7.根据权利要求6所述的燃料电池的金属极板，其特征在于，所述斜边在所述极板本体(1)平面上的投影的长度为斜边宽幅，所述斜边宽幅是所述弹性结构件(5)的高度的2.4-2.5倍。

8.根据权利要求3所述的燃料电池的金属极板，其特征在于，所述弹性结构件(5)的顶部设有弹性垫(6)。

9.一种燃料电池的电堆，其特征在于，包括如权利要求1-8任一所述的金属极板。

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