CN210467988U - 一种风冷型燃料电池金属双极板 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种风冷型燃料电池金属双极板，该金属双极板为一片金属板机加工或冲压得到的，其中包括阳极流场、阴极流场、密封槽和燃料的公共管道。金属双极板中的阳极流场、燃料公共管道与膜电极密封合围形成燃料通道；阴极流场与另一片膜电极合围形成空气通道，空气用于冷却电池且提供参与电化学反应的氧化剂。双极板与膜电极之间采用胶线压合密封或粘结密封。所述双极板制作工艺简单，后续的装配工序都相对简单，非常适于大规模加工制造同时降低成本，并得到实际应用。

Description

一种风冷型燃料电池金属双极板

技术领域

本实用新型属于燃料电池技术领域，具体涉及一种适用于风冷技术的燃料电池用金属双极板。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种可以室温快速启动的低噪音、高能量转换效率的零排放发电装置。质子交换膜燃料电池可用于移动电源、便携电源、航空动力电源、车用动力电源、固定式电站等，可以满足多领域的用电需要，是最接近于实际应用的燃料电池之一。

氢燃料电池工作时，除了对外输出电能之外，同时会伴产约40-50％的热量。在燃料电池冷却方式中主要有液冷(包含水冷)和风冷两种方式。风冷型氢燃料电池是以氢气为燃料，少量空气中氧作为参与电化学反应的氧化剂，过量的空气用于冷却电堆，使其保持在一定的温度(不宜超过80℃)下工作。用风冷技术摈弃了液冷技术中的复杂臃肿的冷却液循环及散热系统(冷却液箱、冷却液循环泵、冷却液管、散热片、风扇、空气增湿器还有诸多传感器、电磁阀等)，更是摈弃了笨重、高功耗的空气压气机(正常工作时要消耗掉燃料电池发电量的 20-40％)，使整个系统简单、易于操作与控制，具有广泛的应用前景。

在风冷型燃料电池中，阴极通道是敞开的，强制对流通入的空气有两个作用，一个是冷却电池，使电池处于平稳的工作状态；另一个作用就是为阴极电化学反应提供氧气。其阴极通道是由膜电极的阴极侧和双极板的合围部分形成的。风冷型燃料电池普遍采用石墨双极板，但是石墨双极板存在抗震性差，无法制造得更轻薄，装配力难于控制，成本高等缺点，在实际应用中还存在低重量比功率和体积比功率等问题。在中国专利201510449567.1和201610333293.4中，用了多孔石墨板(也可用多孔金属板)作阴极板，以减轻阴极板的重量。在中国专利 201010217390.X中，描述了制备石墨双极板的原料和制备双极板的方法。由于金属双极板易于加工，更好的能够满足导电性优良、传热性好、机械强度高等要求，也有用薄金属板做双极板的技术。在中国专利200710056414.6中，使用冲压技术制备了阳极流场板和阴极流场板(不锈钢板板厚为0.1-0.2mm)，阳极板和阴极板中间使用了轻质铝合金作为支撑板，阴极板为边长1.5mm的正方形，或为半径为0.75mm的半圆形。阳极流场板、支撑板和阴极板直接叠合组合在一起，靠密封圈加以密封，面电阻较大，重量较重，结构较为复杂，不适合大批量生产。在中国专利200820153416.7中，双极板由三部分构成，一个是阳极流场冲压板(金属板板厚为0.05-0.2mm)，一个是阴极流场冲压板，还有带孔的塑料构件，阳极流场板和阴极流场板靠焊接或粘结连在一起，塑料构件和阳极流场板是靠焊接连在一起，在这里能够将塑料构件和金属流场板焊接在一起是常用技术难以实现的，焊接不实，会导致密封不住氢气，氢气泄漏。在中国专利 201611012620.2中，是将氢侧板与截面呈弧面的空气流场板焊接起来，再将空气流场板两端的支撑体与氢侧板粘结在一起形成氢气的公共管道，结构复杂，并多处使用胶体粘结技术，在密封、使用寿命和环境适应性等方面需要提供更多的技术保障。在中国专利201510455394.4中，为了提高密封性，采用了一种密封圈支撑结构，不仅增加了加工制备步骤，还影响了散热效果，从达到支撑效果来看，本实用新型专利采用了穿孔板与膜电极的阴极侧全面积接触，既提供了很好的支撑，又增加了导电面积和散热面积，实施效果好于该专利。在中国专利 201711498436.8中，虽然采用了风冷技术，但这和传统提法的风冷型燃料电池存在较大差异，它的阴极结构为封闭式，是采用空气压气机将空气的引入电池阴极通道中，为阴极电化学反应提供氧气，这样空气压气机正常工作时要消耗掉燃料电池发电量的20-40％，笨重、高功耗是这种结构致命的弱点。

由于金属双极板所具有的优势，其应用越来越广泛。采用的零件越多，材料种类越多，则加工、装配的成本会越高，在加工、装配和运行过程中出现问题的几率也会提高，同时会增加后续维护、维修成本，对燃料电池的连续运行不利。

实用新型内容

本实用新型提供风冷型燃料电池金属双极板具有双极板所有功能：包括燃料气体、氧化剂气体(空气)及冷却空气的输送和分布；尾气、反应产物及冷却空气的排出；电流的收集、输送和传导；电化反应产生的热量的排出等。在结构上仅为一个零件，其制备材料为市场上常用厚度1-5mm的金属板，经过机加工或冲压得到的，主要部分包括阳极流场、阴极流场、密封槽和燃料气体的公共管道。金属双极板易于加工，更好的能够满足导电性优良、传热性好、机械强度高等要求。燃料可以为氢气、甲醇和乙醇等。

本实用新型的技术方案是将一片金属板机加工或冲压得到的金属双极板，主要部分包括阳极流场、阴极流场、阳极侧密封槽、阴极侧密封槽和公共气体管道。

基于以上技术方案，优选的，本实用新型的金属双极板中的阳极流场和阳极侧密封槽位于金属双极板正面，燃料公共管道进口和燃料公共管道出口位于金属双极板的两端或同端，阳极侧密封槽位于金属双极板正面的四周，燃料公共管道进口和燃料公共管道出口以及阳极流场与膜电极在阳极侧密封槽密封合围形成燃料通道。

基于以上技术方案，优选的，本实用新型的金属双极板中的阴极流场和阴极侧密封槽位于金属双极板背面，阴极侧密封槽为位于阴极侧的燃料公共管道进口和燃料公共管道出口的周围的环形密封槽，与另一片膜电极密封连接，阴极流场与另一片膜电极合围形成空气通道，空气用于冷却电池且提供参与电化学反应的氧化剂。

基于以上技术方案，优选的，所述双极板还包括阴极金属集流板，所述阴极金属集流板设置于双极板的阴极侧，在使用本实用新型的金属双极板组装电池时，在双极板的阴极流场板和膜电极之间加上阴极金属集流板，所述阴极金属集流板为穿孔板，所述阴极金属集流板的尺寸与阴极流场部分一致，开孔率为30-60％，孔径为 1-2mm，厚度为0.02-0.1mm，所述阴极金属集流板起到收集电流、降低内阻和支撑膜电极的作用。

本实用新型采用风扇强制对流为电堆送风进行空气冷却且提供参与电化学反应的氧化剂，风扇位于燃料电池电堆的侧面，风扇转动所产生的强制对流空气沿着阴极流场方向进入电池，起到冷却作用的同时为阴极电化学反应提供氧气。

本实用新型的金属双极板中的阳极流场可以为平行沟槽流场、点状流场、蛇形流场；阴极流场可以为垄沟流场、柱状流场。

本实用新型的金属双极板中的金属双极板的材质可以为不锈钢、铝合金、钛合金、铜、镍等。

有益效果

1、金属双极板易于加工，更好的能够满足导电性优良、传热性好、机械强度高等要求；

2、本实用新型的金属双极板组装电池时，在双极板的阴极流场板和膜电极之间加上阴极金属集流板，穿孔板与膜电极的阴极侧全面积接触，起到收集电流、降低接触电阻作用，同时避免了金属双极板阴极流场的垄(或圆柱)对膜电极的剪切作用，支撑并保护了膜电极。

3、结构简单，易于加工制造，适于大规模生产，大幅度降低成本；

4、组装电堆工序和要求相对简单，双极板板形平整，提高了电堆一致性，同时降低了欧姆阻抗，利于提高电池性能；

5、燃料可以为氢气、甲醇和乙醇等，该金属双极板可以应用于氢燃料电池、直接甲醇燃料电池和直接乙醇燃料电池等。

附图说明

图1本实用新型双极板-膜电极组合示意图；

图2双极板正面阳极侧示意图：a为平行沟槽流程；b为点状流场；

图3双极板侧面示意图；

图4双极板背面阴极侧示意图：a为垄沟流场；b为柱形流场；

图5为燃料公共管道进口和出口位于双极板同端示意图；a为阳极侧蛇形流场，b为阴极侧垄沟流场；

图6为实施例1的燃料电池性能图；

其中，1金属双极板；2阳极流场；3阴极流场；4阳极侧密封槽；5阴极侧密封槽；6燃料公共管道进口；7燃料公共管道出口；8膜电极；9另一块膜电极；10阴极金属集流板；11、电池内空气流动方向。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。

实施例1

选取厚度为1.2mm硬质铝合金板，用机加工的方法加工成如图1-图4所示的双极板1，其中燃料公共管道进口6和燃料公共管道出口7为通孔，阳极流场 2为平行沟槽流场，槽深0.3mm，垄与沟槽的宽度都是1mm，阴极流场3是与阳极平行沟槽相垂直的平行沟槽流场，垄宽0.8mm，沟槽宽3.2mm，沟槽深度为0.8mm，阳极侧密封槽4深度0.2mm宽度为1mm，阴极侧密封槽5深度0.2mm 宽度为1mm，阳极流场2和阴极流场3的有效面积(与膜电极有效面积一致) 为120mm²。阴极金属集流板为开孔率为33％，孔径为2mm，厚度为0.08mm，外形尺寸面积为120mm²的镀银铜板。在组装电池前，金属双极板1表面要经过镀银提高导电率和防腐蚀性。选取硅橡胶线分别对阳极侧密封槽4和阴极侧密封槽5与膜电极8和另一片膜电极9的相应部位进行密封。按照压滤机组装方式膜电极和双极板隔次组装，电堆两端用端板和螺栓紧固，最终组装成60节电堆。阴极流场采用风扇为电堆送风进行空气冷却且提供参与电化学反应的氧化剂，对电堆进行性能测试，结果如图6所示。在室温22℃、相对湿度36％时，以氢气为燃料，当氢气分压(表压)为0.05MPa，采用风冷散热时，电流密度达到0.7A/cm²，输出功率达到2.7kW。

实施例2

选取厚度为1.5mm不锈钢，阳极侧采用图5用机加工的方法加工成公共管道进出口在同端的双极板1，其中燃料公共管道进口6和燃料公共管道出口7为进出通孔，阳极流场2为蛇形流场，槽深0.4mm，垄与沟槽的宽度都是1mm，阴极流场3是仍采用垄沟流场，垄宽1mm，沟槽宽2.5mm，沟槽深度为1mm，阳极侧密封槽4深度0.2mm宽度为1mm，阴极侧密封槽5深度0.2mm宽度为 1mm，阳极流场2和阴极流场3的有效面积(与膜电极有效面积一致)为60mm²。阴极金属集流板为开孔率为55％，孔径为1mm，厚度为0.04mm，外形尺寸面积为60mm²的镀银铝板。在组装电池前，金属双极板1表面要经过镀银提高导电率和防腐蚀性。选取粘结胶分别对阳极侧密封槽4和阴极侧密封槽5与膜电极8 和另一片膜电极9的相应部位进行密封。按照压滤机组装方式膜电极和双极板隔次组装，电堆两端用端板和螺栓紧固，最终组装成60节电堆。阴极流场采用风扇为电堆送风进行空气冷却且提供参与电化学反应的氧化剂，对电堆进行性能测试，在室温18℃、相对湿度31％时，以氢气为燃料，当氢气分压(表压)为0.05MPa，采用风冷散热时，电流密度达到0.5A/cm²，输出功率达到1.2kW。

实施例3

选取厚度为1.8mm钛合金板，用机加工的方法加工成如图1-图4所示的双极板1，其中公共管道6)7为通孔，阳极流场2为点状流场，柱高0.4mm，柱径 1mm，阴极流场3柱状流场，柱高0.8mm，柱径2.6mm，阳极侧密封槽4深度 0.2mm宽度为1mm，阴极侧密封槽5深度0.2mm宽度为1mm，阳极流场2和阴极流场3的有效面积(与膜电极有效面积一致)为60mm²。阴极金属集流板为开孔率为45％，孔径为1.5mm，厚度为0.06mm，外形尺寸面积为60mm²的镀银钛板。在组装电池前，金属双极板1表面要经过镀银提高导电率和防腐蚀性。选取密封胶分别对阳极侧密封槽4和阴极侧密封槽5与膜电极8和另一片膜电极9 的相应部位进行密封。按照压滤机组装方式膜电极和双极板隔次组装，电堆两端用端板和螺栓紧固，最终组装成30节电堆。阴极流场采用风扇为电堆送风进行空气冷却且提供参与电化学反应的氧化剂，对电堆进行性能测试，结果如图6 所示。在室温25℃、相对湿度40％时，以氢气为燃料，当氢气分压(表压)为 0.05MPa，采用风冷散热时，电流密度达到0.4A/cm²，输出功率达到0.5kW。

上面描述了本实用新型的一种简单结构的金属冲压双极板，本实用新型所属领域的技术人员应当可以理解，所述仅仅为本实用新型的具体实施例，并非用于限制本实用新型。凡是本实用新型的精神及原则内所做的任何修改、尺寸结构的缩放、等同替换或者改进，均应包含在本实用新型保护范围之内。

Claims (8)

1.一种风冷型燃料电池金属双极板，其特征在于，所述金属双极板为一片金属板，所述双极板包括正面和背面，所述双极板包括阳极流场、阴极流场、阳极侧密封槽、阴极侧密封槽、燃料进口公共管道和燃料公共管道出口；

所述阳极流场和阳极侧密封槽位于金属双极板的正面，燃料公共管道进口和燃料公共管道出口位于金属双极板的两端或同端，阳极侧密封槽位于金属双极板正面的四周；

金属双极板中的阴极流场和阴极侧密封槽位于金属双极板背面，阴极侧密封槽位于阴极侧的燃料公共管道进口和燃料公共管道出口的周围。

2.按照权利要求1所述的金属双极板，其特征在于：阳极流场为平行沟槽流场、点状流场、蛇形流场。

3.按照权利要求1所述的金属双极板，其特征在于：阴极流场为垄沟流场、柱状流场。

4.按照权利要求1所述的金属双极板，其特征在于：金属双极板的材质为不锈钢、铝合金、钛合金、铜、镍中的一种。

5.根据权利要求1所述的金属双极板，其特征在于，所述双极板还包括阴极金属集流板；所述阴极金属集流板设置于双极板的阴极侧；所述金属集流板的尺寸与阴极流场一致。

6.根据权利要求5所述的金属双极板，其特征在于，所述阴极金属集流板为穿孔板，阴极金属集流板的开孔率为30-60％，孔径为1-2mm，厚度为0.02-0.1mm。

7.根据权利要求5所述的金属双极板，其特征在于，所述阴极金属集流板材质可为铝、铝合金、不锈钢、钛、钛合金、铜中的一种。

8.根据权利要求1所述的金属双极板，其特征在于，所述金属板的厚度为1-5mm。

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