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一种冲压金属双极板结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种冲压金属双极板结构及其制备方法，双极板正反面分别对称设置有燃料气体通道、氧化剂气体通道、冷却介质通道以及双极板流场区；双极板流场区中设有气体流场沟槽和用于收集电流的流场凸台，流场沟槽和流场凸台交错排布，冲压双极板的正反面均带有放密封元件的密封槽，密封槽设置于燃料气体通道、氧化剂气体通道、冷却介质通道之间；双极板的边缘为凹凸对应的交错排布结构，形成应力释放区。该方法利用薄金属板为基材，采用冲压技术加工燃料电池双极板，加工简单，易于大批量生产，制造费用大幅降低，有助于推动金属双极板在燃料电池中的应用。

Description

一种冲压金属双极板结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体为一种冲压金属双极板结构及其制备方法。
背景技术
燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的化学能通过电极上的电催化反应直接转化为电能的发电装置。燃料电池主要由膜电极(MEA)和双极板构成；MEA是燃料电池的核心，双极板是电池的重要组成部分，在燃料电池中起到收集电流、气体分配以及水管理、热管理的作用；双极板的种类有很多种，通常采用的双极板为机械加工石墨双极板，技术比较成熟、但加工费用昂贵，主要应用在实验室实验研究；目前燃料电池双极板的研究主要集中在柔性石墨双极板(及注塑石墨双极板)、金属双极板及复合双极板。由于金属材料具有导电、导热性好、机械强度高、容易薄片化、易加工等优点成为首选燃料电池双极板材料之一，世界各大公司及研究单位纷纷进行金属双极板的开发和研究。美国的氢能公司H-power(USpatent 5858567)采用的金属双极板材料为钛材，双极板在高温真空内进行渗氮处理，钛材表面形成一层致密的氮化钛保护膜。这种表面处理可以有效的提高金属的耐腐蚀性，但是它的表面处理时间太长，结构比较为复杂，加工成本较高，无法大幅度地降低双极板在燃料电池中的成本。中国大连化学物理研究所燃料电池组也采用金属材料加工双极板，利用线切割或电火花加工流场通道，加工成本较高，无法实现大批量生产，极大地限制了他们的应用。
目前，对金属双极板的研究很多，大多数集中在对金属双极板的表面改性方面，对金属双极板的加工方法的研究进行的很少。冲压技术已经相当成熟，我们所常用的板式换热器基本都采用此种技术，很多五金器件也利用冲压方式进行加工，但采用冲压技术加工燃料电池双极板的报道尚未发现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冲压金属双极板结构及其制备方法，该方法是利用薄金属板为基材，采用冲压技术加工燃料电池双极板，加工简单，易于大批量生产，制造费用大幅降低，有助于推动金属双极板在燃料电池中的应用。
本发明的技术方案是：
一种冲压金属双极板结构，双极板正反面分别对称设置有燃料气体通道、氧化剂气体通道、冷却介质通道以及双极板流场区；双极板流场区中设有气体流场沟槽和用于收集电流的流场凸台，流场沟槽和流场凸台交错排布，双极板正反对称，正面的流场沟槽为背面的流场凸台，正面的流场凸台为背面的流场沟槽；冲压双极板的正反面均带有放密封元件的密封槽，密封槽设置于燃料气体通道、氧化剂气体通道、冷却介质通道之间；双极板的边缘为凹凸对应的交错排布结构，形成应力释放区。
所述流场沟槽与流场凸台宽度的比例控制在1.5～1∶1，流场沟槽宽度控制在0.5～2mm，流场凸台的宽度控制在0.5～1.5mm，流场沟槽沟槽深度或流场凸台高度控制在0.1～1.0mm。
所述冲压金属双极板的基材选用不锈钢、钛材、钛合金材、铝材或铝合金材，基材厚度控制在0.1～1mm范围内。
所述冲压金属双极板结构的制备方法，根据双极板的设计要求加工冲压双极板模具，模具分上下两个模具，加工完模具后，进行双极板的加工；首先利用裁剪机将金属板剪切成一定尺寸大小的平板，再用铣床加工出气体及冷却介质通道；然后将加工好的平板放入模具中利用油压机加工冲压金属双极板。
本发明的有益效果是：
1、本发明提出一种利用冲压方法加工燃料电池金属双极板方法，采用冲压技术加工流场通道，利用模具批量进行生产，双极板成本大幅降低，其加工简单，易于大批量生产，制造费用大幅降低。
2、本发明双极板的流场通道采用两面对称结构、结构简单，易于加工，利用冲压技术加工的双极板为纯金属双极板，双极板的导电性和导热性很好。
3、本发明双极板边缘采用凹凸结构，有效降低双极板在冲压过程中产生的应力。
4、本发明利用冲压技术加工双极板，由于所用金属板很薄，双极板的重量大幅降低。
5、本发明利用冲压技术加工双极板为凹凸结构，可以有效提高双极板的强度。
附图说明
图1为本发明冲压金属双极板结构示意图。
图2为标明凹凸结构的冲压双极板结构图。
图3为图2中冲压金属双极板侧面结构示意图。
图4为冲压金属双极板内部流场切面结构示意图(即图2的A-A剖视图)。
图中，1为燃料气体通道；2为氧化剂气体通道；3为冷却介质通道；4为应力释放区；5双极板流场区；6为流场沟槽；7为流场凸台；8为密封槽；9为支撑台；10为气体分配头。
具体实施方式
1、冲压金属双极板及材的选择：冲压金属双极板基材的选择包括基材种类的选择和基材厚度的选择。冲压金属双极板的基材可以选用不锈钢、钛材(包括钛合金)以及铝材(包括铝合金)；由于不同材料的机械强度及延展性能不同，所选择的材料的厚度也有所不同，基材厚度一般控制在0.1～1mm范围内，考虑到基材的机械强度、重量等因素基材厚度最好控制在0.2～0.5mm之间。
2、冲压金属双极板结构设计：双极板的结构对燃料电池的性能影响很大；只有合理的双极板结构才能保证燃料电池性能的正常发挥。根据理论计算及实际经验设计出一种气体分布均匀，结构新颖，加工简单的冲压双极板结构。如图1-2所示，双极板中带有燃料气体通道1、氧化剂气体通道2及冷却介质通道3，各通道之间有放密封元件的密封槽8。冲压金属双极板的流场结构采用凹凸结构，流场中的凹陷部分为气体在流场中流动的沟槽6，反应气体可以在沟槽中进行流动和传递；流场中的凸起部分即流场凸台7主要用于收集燃料电池反应产生的电流，并将其传到出去；为了保证气体在流场中分配均匀，双极板中带有导致气体分配均匀的气体分配头10；反应气体经分配头10后均匀地进入到流场的各沟槽6中进行电化学反应，通过流场中的流场凸台7将电流收集并传到出去；流场中的沟槽6与流场凸台7宽度的比例控制在1.5～1∶1，流场沟槽6宽度控制在0.5～2mm，最佳为0.6～1.2mm；流场凸台7的宽度控制在0.5～1.5mm；最佳控制在0.5～1.0mm；流场沟槽6沟槽深度或流场凸台7高度控制在0.1～1.0mm；最佳控制在0.3～0.8mm；同时考虑到金属板在冲压过程中会产生应力，因此在双极板的边缘为凹凸对应的交错排布结构，从而形成了应力释放区4；由于双极板的凹凸结构提高了双极板的机械强度。
3、冲压金属双极板结构设计及冲压双极板的加工：根据双极板结构设计冲压双极板的模具结构；利用模具在一台冲压机床上进行冲压双极板的加工。由于采用模具加工双极板，双极板加工速度很快，在很短的时间内可以加工出结构相同的双极板双十片，到数百片，极大地提高了双极板的生产效率，降低了燃料电池双极板的生产成本。
实施例1
根据理论计算设计冲压双极板结构，为了降低冲压双极板模具的加工难度，双极板结构采用正反对称结构，双极板板材选用厚度为0.3mm的304不锈钢；双极板结构如图1-4所示，双极板中带有燃料气体通道1、氧化剂气体通道2和冷却介质通道3以及气体合理分配的流场结构；双极板流场区5中有气体流场沟槽6，宽度为上宽1.2mm，下宽0.8mm，深度为0.6mm，反应气体可以进行均匀分配和流动；双极板流场区5中与流场沟槽6相连的是收集电流的流场凸台7；双极板流场区5采用正反对称，流场正面的沟槽为背面的流场凸台，正面的流场凸台为背面的沟槽。冲压双极板的正反两面都带有密封槽8，密封槽宽2mm，深0.3mm，双极板的边缘为凹凸对称的梯形应力释放区4；为了保证气体在流场中分配均匀，双极板中带有导致气体分配均匀的气体分配头10；
根据双极板的设计要求加工冲压双极板模具(模具分上下两个模具)。加工完模具后，进行双极板的加工。首先利用裁剪机将金属板剪切成一定尺寸大小的平板，再用铣床加工出气体及冷却介质通道；然后将加工好的平板放入模具中利用油压机加工冲压金属双极板。加工出的双极板基本达到设计要求，表面平整，机械强度高。由于金属双极板上带有凹凸的沟槽，以及边缘的应力释放区4，金属板的强度有了很大的提高，避免了由于金属板过薄导致在电池组中挤压变形现象；由于双极板采用模具化加工，加工出的双极板外形尺寸保持一致，有利于电池组的组装。由于采用非常薄的金属板进行加工双极板，双极板的重量和体积大大降低，提高了燃料电池的重量比功率和体积比功率；利用此模具加工双极板，加工速度快，可以大批量地加工双极板，极大地降低了双极板的成本。

Claims (6)

1、一种冲压金属双极板结构，其特征在于：双极板正反面分别对称设置有燃料气体通道(1)、氧化剂气体通道(2)、冷却介质通道(3)以及双极板流场区(5)；双极板流场区(5)中设有气体流场沟槽(6)和用于收集电流的流场凸台(7)，流场沟槽(6)和流场凸台(7)交错排布，双极板正反对称，正面的流场沟槽为背面的流场凸台，正面的流场凸台为背面的流场沟槽；冲压双极板的正反面均带有放密封元件的密封槽(8)，密封槽(8)设置于燃料气体通道(1)、氧化剂气体通道(2)、冷却介质通道(3)之间；双极板的边缘为凹凸对应的交错排布结构，形成应力释放区(4)。
2、按照权利要求1所述冲压金属双极板结构，其特征在于：所述流场沟槽(6)与流场凸台(7)宽度的比例控制在1.5～1∶1，流场沟槽(6)宽度控制在0.5～2mm，流场凸台的宽度控制在0.5～1.5mm，流场沟槽(6)沟槽深度或流场凸台(7)高度控制在0.1～1.0mm。
3、按照权利要求2所述，其特征在于：所述流场沟槽(6)宽度控制在0.6～1.2mm；流场凸台的宽度控制在0.5～1.0mm；流场沟槽(6)沟槽深度或流场凸台高度控制在0.3～0.8mm。
4、按照权利要求1所述冲压金属双极板结构，其特征在于：所述冲压金属双极板的基材选用不锈钢、钛材、钛合金材、铝材或铝合金材，基材厚度控制在0.1～1mm范围内。
5、按照权利要求4所述冲压金属双极板结构，其特征在于：所述基材厚度控制在0.2～0.5mm之间。
6、一种冲压金属双极板结构的制备方法，其特征在于：根据双极板的设计要求加工冲压双极板模具，模具分上下两个模具，加工完模具后，进行双极板的加工；首先利用裁剪机将金属板剪切成一定尺寸大小的平板，再用铣床加工出气体及冷却介质通道；然后将加工好的平板放入模具中利用油压机加工冲压金属双极板。
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