CN210576224U - 一种超轻型风冷燃料电池金属双极板 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种超轻型风冷燃料电池金属双极板，所述金属双极板是由两个零件组成，包括阳极侧极板和阴极流场板，通过焊接等方法将阳极侧极板和阴极流场板装配成为金属双极板。阳极侧极板与膜电极之间采用胶线压合或粘结密封，阳极侧极板与阴极流场板焊接后所形成公共管道四周用密封垫密封燃料气体，组装电池压紧后密封垫高度与组装电池压紧后的阴极流场板高度适配。所述双极板的两个零件都为超薄金属板，冲压及焊接工艺简单，因此制造和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。本实用新型进一步了提高电堆的质量比功率。
Description
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薄金属双极板。
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。
双极板是质子交换膜燃料电池的重要部件之一，起到分隔氧化剂和还原剂、分布流体、收集电流、管理生成水和管理生成热的重要作用，维持电池处于良好的工作状态。在质子交换膜燃料电池中，传统的双极板主要有石墨双极板、金属双极板和复合双极板等。石墨双极板、复合双极板都存在一些限制其应用环境和提高性能的因素，如石墨双极板抗震性差，无法制造得更轻薄，装配力难于控制，成本高；复合双极板虽然在机械强度方面有了长足进步，但由于其采用的材料及零部件较多，加工装配相对繁琐，其质量比功率、体积比功率也难于进一步提高，成本也难于进一步降低。相对而言，金属双极板可以加工非常轻薄，在质量比功率、体积比功率方面均有大幅提高，同时能够满足导电性优良、传热性好、机械强度高等要求。而且采用冲压加工极板，适于大规模生产，可以严格控制其成本。在风冷型燃料电池中，普遍采用石墨双极板。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。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，双极板由两部分构成，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201821416619.0中，利用冲压的方法制备了风冷型燃料电池的薄金属双极板，其中存在的最大问题就是与膜电极所接触的双极板的面积太小，组装电堆时的组装力集中到双极板与膜电极接触面上，导致膜电极所受局部压强过高，容易产生应力剪切，破坏膜电极，导致电池性能衰减。
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
本实用新型提供的金属双极板，其制备材料为厚度0.05-0.1mm金属板；在结构上仅具有两个零件，即阳极侧极板和阴极流场板，且只有冲压、焊接装配工序。因此，本实用新型的超薄超轻金属双极板可以进一步降低双极板的加工成本，进一步提高燃料电池电堆的质量比功率和体积比功率。
本实用新型的技术方案：一种风冷型燃料电池薄金属双极板，所述双极板包括阳极侧极板和阴极侧极板、密封垫；所述阴极侧极板的长和阳极侧极板的长相等，所述阴极侧极板的宽和阳极侧极板的宽相等，所述阳极侧极板的两端相对应位置处分别开设有一个通孔a，作为燃料气体进口公共管道和燃料气体出口公共管道，所述阳极侧极板为设有密封槽和流场的平板，所述阴极侧极板包括流场部分所述阴极侧极板中部的流场部分为连续三棱柱腔结构；所述连续三棱柱腔结构为：多个等腰三棱柱正立、倒立间隔排列，相邻等腰三棱柱共用侧面；所述正立的等腰三角柱的底边所在侧面相接触形成完整平面a；所述倒立等腰三棱柱底面所在侧面相接触形成完整平面b；所述等腰三棱柱正立排列是指等腰三棱柱底边所在的平面位于下方；所述完整平面a为下底面，完整平面b为上底面，所述密封垫设有与所述燃料气体进口公共管道和燃料气体出口公共管道，也就是通孔a相匹配的通孔b，所述密封垫用于燃料气体进口公共管道和燃料气体出口公共管道的密封；所述密封垫的高度与阴极侧流场部分高度相同。
基于以上技术方案，优选的，所述的阴极侧极板流场部分的上底面与膜电极接触侧直接接触；所述上底面设有空气通孔，开孔率为25-65％，孔径为0.5-3mm。基于以上技术方案，优选的，所述阴极侧的连续三棱柱流场结构为瓦楞板挤压得到；所述瓦楞板包括垄和沟；所述垄和沟的宽度相同，为0.5-5mm；所述瓦楞板的高度为0.5-5mm；所述挤压为在保证瓦楞板上底面和下底面处于平行平面，在垂直于垄和沟的方面施加压力，最后使瓦楞板的所有垄相接触并位于同一平面，所有的沟相接触并位于同一平面。
基于以上技术方案，优选的，所述阳极侧极板的流场为平行沟槽流场；所述平行沟槽流场的垄与沟的宽度为0.5-1mm，沟深0.2-0.6mm。
基于以上技术方案，优选的，所述阳极侧极板和阴极侧极板的板材可以为不锈钢、钛、钛合金、铝板、铝合金、铜。
本实用新型的所述风冷型燃料电池薄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。所述金属冲压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。
基于以上技术方案，优选的，本实用新型的所述风冷型燃料电池薄金属双极板中，阳极侧极板两端的通孔a是经过机加工、冲压、激光切割、线切割制得，密封槽和流场经过冲压制得，阳极侧极板与膜电极可以采用胶线压合密封，也可以采用粘结密封，这样合围形成燃料气体传输通道。
基于以上技术方案，优选的，本实用新型的所述的风冷型燃料电池薄金属双极板中阴极侧极板的流场部分制备方法为：先压制成瓦楞形，在制备过程中，瓦楞板的上底面制备出空气通孔，然后进一步将瓦楞形挤压形成连续三棱柱腔结构，这样阳极侧极板与阴极流场板和另一片膜电极合围形成空气通道，强制对流的空气流经空气通道，一方面带走电池副产热，另一方面经过面上空气开孔为阴极电化学反应提供氧化剂。瓦楞板的上底面的空气通孔可以在压制成瓦楞板之前完成。强制对流的空气流经连续三棱柱腔结构方向。
基于以上技术方案，优选的，本实用新型的所述的风冷型燃料电池薄金属双极板中，所述阴极侧极板的两端还包括与阳极侧极板两端通孔a相对应的通孔b，阴极侧极板两端b通孔是经过机加工、冲压、激光切割、线切割制得，所述通孔a和通孔b的的四周均设有焊接线a；在阳极侧极板两端的通孔a和阴极流场板两端通孔b周围通过焊接线a装配成为双极板；
对于阴极侧极板只有流场板部分的情况，可以在流场部分区域外部焊接，通孔a和阴极侧流场板区域外部附近设有焊接线b，通过焊接线b装配成双极板，阳极侧极板流场和阴极侧极板的流场部分与膜电极的有效面积区域要对应，阴极侧极板根据实际情况决定制备过程中是否采用带有公共管道通孔模式。阳极侧极板和阴极侧极板的焊接可以采用激光焊、电子束焊、电阻焊、扩散焊、超声波焊或高频焊等焊接方法，优选方案为激光焊接。
基于以上技术方案，优选的，本实用新型的所述的风冷型燃料电池薄金属双极板中，阳极侧极板和阴极流场板焊接后所形成公共管道四周用密封垫密封燃料气体，组装电池压紧后密封垫高度与组装电池压紧后的阴极流场板高度适配。这样阴极流场板既保证了空气对流通过，又保证了分别与阳极板和膜电极的紧密接触，形成电的良导体，同时与之高度相配的密封垫分别与双极板和膜电极接触，压紧后达到高度密封状态，防止燃料泄漏。
基于以上技术方案，优选的，本实用新型的所述的风冷型燃料电池薄金属双极板中，所用制备两个零件均为薄金属板板材，阳极侧极板厚度为0.05-1mm，优选厚度为0.07-0.1mm；阴极流场板厚度为0.04-0.5mm，优选厚度为0.05-0.1mm。使用如此超薄超轻金属板可以进一步降低双极板的加工成本，进一步提高燃料电池电堆的质量比功率。
实用新型有益效果
1、双极板结构简单，易于加工制造，适于大规模生产，可以大幅度降低成本，同时使组装电堆工序和要求相对简单易于控制；
2、相比于石墨型双极板、瓦楞形流场板等，本实用新型的连续三棱柱阴极流场结构(顶部和底部形成上底面和下底面分别与膜电极和阳极板接触)，与膜电极接触的空间间隔跨度极小，可以视为连续状态，这就给膜电极最好的支撑，同时增大了接触面积，降低了欧姆阻抗，提高了电堆一致性，利于提高电池性能；
3、双极板超轻超薄，大幅度降低了双极板的质量和厚度，大幅度提高电堆的质量比功率和体积比功率，对于航空用电源和便携式电源，是最佳选择。
附图说明
图1为双极板-膜电极组合示意图；
图2为阴极流场板制备示意图；
图3为阴极流场板中空气流向示意图；
图4为双极板焊接示意图；
图5为实施例1的燃料电池性能图；
图6为实施例2的燃料电池性能图；
其中，1、阳极侧极板；2、阴极侧极板；2-b、阴极流场板；3、双极板；4、密封槽；5、通孔a；5-b、通孔b；6、焊接线a；7、焊接线b；8、膜电极；9、另一块膜电极；10、空气通孔；11、密封垫；12、阳极流场；13、三棱柱的侧面；14、正立三棱柱；15、倒立三棱柱。
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
选取两个薄金属板零件分别是厚度为0.05mm不锈钢阳极侧极板1，厚度为0.05mm不锈钢阴极侧极板2。将阳极侧极板1冲压制得两端是通孔a5，两端的通孔a5分别作为燃料气体进口公共管道和燃料气体出口公共管道，中间区域部分为阳极流场12，阳极流场12为平行沟槽流场，垄与沟的宽度为1mm，沟深0.4mm，四周为密封槽4，采用胶线压合方法将阳极板的密封槽4与膜电极8密封合围形成燃料气体通道。将阴极侧极板2的流场部分压制成为高度为2mm，间隙宽度为2mm的瓦楞板，其中与膜电极接触面的瓦楞板的垄上同时制得开孔率为35％的孔径为1.5mm空气通孔10，然后在长度方向上将瓦楞板向内挤压，相邻垄都挨到一起，形成多个正立三棱柱14和倒立三棱柱15间隔排列的三棱柱腔结构，相邻的三棱柱共用侧面13，正立三棱柱底边所在的侧面相接触形成完整平面a，为下底面；倒立三棱柱底边所在的侧面相接触形成完整平面b，为上底面，下底面与阳极侧极板1接触。阴极侧极板2的两端分别开设有与通孔a5一致的通孔b5-b；通孔a5和通孔b5-b四周设有焊接线a6；用激光焊将阳极侧极板1的通孔a和阴极侧极板2的通孔b5-b周围通过焊接线a6焊接在一起，如图1所示，形成完整的双极板3。完整的双极板3表面要经过镀银提高导电率和防腐蚀性。选取硅橡胶做公共管道四周用密封垫10，组装电池压紧后密封垫高度值要与阴极的三棱柱腔流场的高度一致。取另一片膜电极9与完整的双极板3的阴极流场板侧贴合在一起，这样阳极侧极板1与阴极流场板2和另一片膜电极9合围形成空气通道。强制对流的空气流经空气通道，一方面带走电池副产热，另一方面再经过面上空气通孔10为阴极电化学反应提供氧气。由多组这样的组合串联组装成32节风冷型燃料电池电堆，以轴流风扇强制对流散热，对电堆进行性能测试，结果如图5所示。在室温24℃、相对湿度52％时，以氢气为燃料，当氢气分压(表压)为0.05MPa，电流密度达到0.65A/cm2，输出功率达到1250W。依照本实用新型计算得到的质量比功率为850W/kg，远远高于石墨双极板电堆的250W/kg。
实施例2
选取两个薄金属板零件分别是厚度为0.08mm钛合金阳极侧极板1，0.2mm钛阴极流场板2。将阳极侧极板1冲压制得两端通孔a5，两端的通孔a5分别作为燃料气体进口公共管道和燃料气体出口公共管道，中间区域部分为阳极流场12，阳极流场12为平行沟槽流场，垄与沟的宽度为0.6mm，沟深0.3mm，四周为密封槽4，采用706硅橡胶粘结方法通过密封槽4将阳极板与膜电极8密封合围形成燃料气体通道。将阴极侧极板2流场部分压制成为高度为2.5mm，间隙宽度为3mm的瓦楞板，其中与膜电极接触面的瓦楞板的垄上同时制得开孔率为45％的孔径为2.5mm空气通孔10，然后在长度方向上将瓦楞板向内挤压，相邻垄都挨到一起，这形成多个正立三棱柱14和倒立三棱柱15间隔排列的三棱柱腔结构，相邻的三棱柱公用侧面13，正立三棱柱底边所在的侧面相接触形成完整平面a，为下底面；倒立三棱柱底边所在的侧面相接触形成完整平面b，为上底面，下底面与阳极侧极板1接触。阴极侧极板2仅为阴极流场板2-b部分，不包括两端，此时，通孔a5和阴极侧流场板区域外部附近设有焊接线b7，用激光焊将阳极侧极板1和阴极流场板2-b的流场边缘处通过焊接线b7焊接在一起，如图4所示，形成完整的双极板3。完整的双极板3表面要经过镀银提高导电率和防腐蚀性。选取硅橡胶做公共管道四周用密封垫10，组装电池压紧后密封垫高度值要与阴极流场板2-b的高度一致。取另一片膜电极9与完整的双极板3的阴极流场板侧贴合在一起，这样阳极侧极板1与阴极流场板2-b和另一片膜电极9合围形成空气通道。强制对流的空气流经空气通道，一方面带走电池副产热，另一方面再经过面上空气通孔10为阴极电化学反应提供氧气。由多组这样的组合串联组装成29节风冷型燃料电池电堆，以轴流风扇强制对流散热，对电堆进行性能测试，在室温22℃、相对湿度46％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0.6A/cm2，输出功率达到970W。依照本实用新型计算得到的质量比功率为780W/kg，远远高于石墨双极板电堆的250W/kg。
实施例3
选取两个薄金属板零件分别是厚度为0.8mm铝合金阳极侧极板1，0.5mm铝阴极流场板2。将阳极侧极板1冲压制得两端通孔a5，两端的通孔a5分别作为燃料气体进口公共管道和燃料气体出口公共管道，中间区域部分为平行沟槽流场12，垄与沟的宽度为1mm，沟深0.5mm，四周为密封槽4，采用706硅橡胶粘结方法通过密封槽4将阳极板与膜电极8密封合围形成燃料气体通道。将阴极侧极板2流场部分压制成为高度为4mm，间隙宽度为3.5mm的瓦楞板，其中与膜电极接触面的瓦楞板的垄上同时制得开孔率为55％的孔径为1mm空气通孔10，然后在长度方向上将瓦楞板向内挤压，相邻垄都挨到一起，形成多个正立三棱柱14和倒立三棱柱15间隔排列的三棱柱腔结构，相邻的三棱柱公用侧面13，正立三棱柱底边所在的侧面相接触形成完整平面a，为下底面；倒立三棱柱底边所在的侧面相接触形成完整平面b，为上底面，下底面与阳极侧极板1接触。阴极侧极板2仅为阴极流场板2-b部分，不包括两端，此时，通孔a和阴极侧流场板区域外部附近设有焊接线b7，用激光焊通过焊接线b7将阳极侧极板1和阴极流场板2-b的流场边缘处焊接在一起，如图4所示，形成完整的双极板3。完整的双极板3表面要经过镀银提高导电率和防腐蚀性。选取硅橡胶做公共管道四周用密封垫10，组装电池压紧后密封垫高度值要与连续三棱柱阴极流场板2-b的高度一致。取另一片膜电极9与完整的双极板3的阴极流场板侧贴合在一起，这样阳极侧极板1与阴极流场板2-b和另一片膜电极9合围形成空气通道。强制对流的空气流经空气通道，一方面带走电池副产热，另一方面再经过面上开孔(10)为阴极电化学反应提供氧气。由多组这样的组合串联组装成30节风冷型燃料电池电堆，以轴流风扇强制对流散热，对电堆进行性能测试，在室温24℃、相对湿度42％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0.6A/cm2，输出功率达到980W。依照本实用新型计算得到的质量比功率为600W/kg，也远高于石墨双极板电堆的250W/kg。
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 (9)
1.一种超轻型风冷燃料电池金属双极板，其特征在于：所述双极板包括阳极侧极板和阴极侧极板、密封垫；所述阳极侧极板的两端相对应位置处分别开设有通孔a；所述阳极侧极板为设有密封槽和流场的平板，所述阴极侧极板包括流场部分；所述阴极侧极板的流场部分为连续三棱柱腔结构；所述连续三棱柱腔结构为：多个等腰三棱柱正立、倒立间隔排列，相邻等腰三棱柱共用侧面；所述正立的等腰三棱柱的底边所在侧面相接触形成完整平面a；所述倒立等腰三棱柱底面所在侧面相接触形成完整平面b；所述完整平面a为下底面，完整平面b为上底面；所述密封垫设有与通孔a相匹配的通孔b；所述密封垫的高度与阴极侧极板的流场部分高度相同。
2.根据权利要求1所述的超轻型风冷燃料电池金属双极板，其特征在于，所述上底面与膜电极接触侧直接接触；所述上底面设有空气通孔，开孔率为25-65％，孔径为0.5-3mm。
3.根据权利要求1所述的超轻型风冷燃料电池金属双极板，其特征在于，所述阴极侧极板的连续三棱柱腔结构为瓦楞板挤压得到；所述瓦楞板包括垄和沟；所述垄和沟的宽度相同，为0.5-5mm；所述瓦楞板的高度为0.5-5mm；所述挤压为保证瓦楞板的上底面和下底面处于平行平面时，在垂直于垄和沟的水平方向施加压力，最后使瓦楞板的所有垄相接触并位于同一平面，所有的沟相接触并位于同一平面。
4.根据权利要求1所述的超轻型风冷燃料电池金属双极板，其特征在于，所述阳极侧极板的板材厚度为0.05-1mm；所述阴极侧极板的流场部分的板材厚度为0.04-0.5mm。
5.根据权利要求1所述的超轻型风冷燃料电池金属双极板，其特征在于，所述阳极侧极板的流场为平行沟槽流场；所述平行沟槽流场的垄与沟的宽度为0.5-1mm，沟深0.2-0.6mm。
6.根据权利要求1所述的超轻型风冷燃料电池金属双极板，其特征在于，所述阳极侧极板和阴极流场板材质可以独立为不锈钢、钛、钛合金、铝、铝合金、铜。
7.按照权利要求1所述的超轻型风冷燃料电池金属双极板，其特征在于：所述通孔a为机加工、冲压、激光切割、线切割制得，所述阳极侧极板的密封槽和流场经过冲压制得。
8.按照权利要求1所述的超轻型风冷燃料电池金属双极板，其特征在于：所述阴极侧极板的两端分别设有与阳极侧极板两端通孔a一致的通孔b；所述通孔b是经过机加工、冲压、激光切割、线切割制得。
9.按照权利要求8所述的超轻型风冷燃料电池金属双极板，其特征在于：所述通孔a和通孔b周围设有焊接线；所述通孔a和通孔b通过焊接线装配成为双极板。
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| CN112701312A (zh) * | 2019-10-23 | 2021-04-23 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种超轻型风冷燃料电池金属双极板 |
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| WO2023117694A1 (de) * | 2021-12-21 | 2023-06-29 | Ekpo Fuel Cell Technologies Gmbh | Brennstoffzellenvorrichtung mit flachbauteil sowie verfahren zur herstellung einer brennstoffzellenvorrichtung mit flachbauteil und anlage hierfür |
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