一种金属双极板密封及冷却剂通道结构的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种金属双极板密封及冷却剂通道结构。


背景技术：

2.双极板是燃料电池重要部件之一，其功能是提供流体流道，防止电池气室中的氢气与空气以及冷剂室液体串通，并在串联的阴阳两极之间建立电流通路，根据材料大致可分为石墨双极板、金属双极板及复合材料双极板，其中，金属双极板由分别冲压的阴极板和阳极板合并而成，质子交换膜燃料电池金属双极板结构主要包括三腔进出口歧管、流体通道、流场和密封边框，流体通道一般设置在进出口歧管与流场之间，金属双极板三腔分别通氢气、空气或含氧气体以及液态冷却剂，因介质不同，三腔需互相隔离密封，为实现三腔密封以及三腔各自流通，金属双极板需冲压独特复杂的边框和通道结构。
3.常规冲压金属双极板密封结构是在金属双极板边框上加工局部错位的密封用胶线槽，双极板通道结构是在在双极板歧管和流场之间设计复杂的凹凸结构，极板冲压时易于破裂，尺寸精度难以保证，模具设计和加工也相当复杂，模具成本高。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供了一种加工简单且密封效果好的金属双极板密封及冷却剂通道结构。
5.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现。
6.本技术提供了一种金属双极板密封及冷却剂通道结构，包括阴极板、阳极板，所述阴极板、阳极板均包括中间反应区和极板边框，所述极板边框上设有冷却剂进口、冷却剂出口、空气进口、空气出口、氢气进口、氢气出口，所述阴极板、阳极板之间的所述中间反应区构成冷却剂流场；
7.所述阴极板与所述阳极板之间设有冷却密封垫，所述冷却密封垫上一体成型设有冷却剂分流件，所述冷却密封垫将所述冷却剂进口、冷却剂出口、冷却剂流场、冷却剂分流件围成一密封区域且关于所述空气进口、空气出口、氢气进口、氢气出口对应位置分别围成独立密封区域，所述冷却剂分流件用于经流冷却剂的导向。
8.进一步限定，上述的一种金属双极板密封及冷却剂通道结构，其中，所述中间反应区为沿金属双极板长度方向延伸的若干条凹槽与背脊，所述中间反应区一面的背脊构成另一面的凹槽、一面上的凹槽构成另一面的背脊。
9.进一步限定，上述的一种金属双极板密封及冷却剂通道结构，其中，所述中间反应区两侧凹槽底部之间的距离为流场深度，所述中间反应区背脊部分突出对应所述阴极板、阳极板极板边框，突出高度用于电池密封件压缩形成极板与燃料电池膜电极之间匹配所需的尺寸。
10.进一步限定，上述的一种金属双极板密封及冷却剂通道结构，其中，所述冷却剂分
流件包括冷却剂通道条、连通条，所述冷却剂通道条关于所述冷却剂进口、冷却剂出口对应位置分别设置若干条，对应位置的若干条所述冷却剂通道条中部通过所述连通条与所述冷却密封垫连接；
11.其中，所述冷却剂通道条的厚度与所述冷却密封垫的厚度相同，所述连通条的厚度小于所述冷却剂通道条的厚度，所述冷却剂通道条用于冷却剂的导流，所述连通条与所述阴极板、阳极板之间的间隙用于冷却剂流通。
12.进一步限定，上述的一种金属双极板密封及冷却剂通道结构，其中，所述阴极板上所述中间反应区远离所述阳极板一侧构成空气流场，所述阳极板上所述中间反应区远离所述阴极板一侧构成氢气流场，所述阴极板远离所述阳极板一侧端面上设有阴极密封垫，所述阳极板远离所述阴极板一侧端面上设有阳极密封垫，所述阴极板密封垫、阳极板密封垫关于所述冷却剂进口、冷却剂出口、空气进口、空气出口、氢气进口、氢气出口、空气流场分别围成独立密封区域。
13.进一步限定，上述的一种金属双极板密封及冷却剂通道结构，其中，所述冷却密封垫与阴极板密封垫、阳极板密封垫的整体轮廓重合，用于电池组装时形成支撑结构，所述冷却密封垫、阴极板密封垫、阳极板密封垫能够在所述阴极板、阳极板上直接制成，也能够单独加工后与所述阴极板、阳极板粘贴、叠装结合。
14.进一步限定，上述的一种金属双极板密封及冷却剂通道结构，其中，所述阴极板上关于所述空气进口、空气出口对应位置分别贯通设有第一流通孔，所述第一流通孔一端与所述空气进口、空气出口导通，另一端与所述空气流场导通，所述阴极板密封垫上关于第一流通孔对应位置一体成型设有空气分流件，所述冷却密封垫上关于所述空气分流件对应位置一体成型设有空气分流支撑件；
15.其中，所述空气分流支撑件的厚度与所述冷却密封垫的厚度相同以用于支撑所述空气分流件，所述空气分流件的厚度小于所述阴极板密封垫的厚度且用于经流空气的导向。
16.进一步限定，上述的一种金属双极板密封及冷却剂通道结构，其中，所述阳极板上关于所述氢气进口、氢气出口对应位置分别贯通设有第二流通孔，所述第二流通孔一端与所述氢气进口、氢气出口导通，另一端与所述氢气流场导通，所述阳极板密封垫上关于第二流通孔对应位置一体成型设有氢气分流件，所述冷却密封垫上关于所述氢气分流件对应位置一体成型设有氢气分流支撑件；
17.其中，所述氢气分流支撑件的厚度与所述冷却密封垫的厚度相同以用于支撑所述氢气分流件，所述氢气分流件的厚度小于所述阳极板密封垫的厚度且用于经流氢气的导向。
18.进一步限定，上述的一种金属双极板密封及冷却剂通道结构，其中，所述冷却密封垫能够由多部分叠加制成，此时冷却剂分流件、空气分流支撑件、氢气分流支撑件能够分别在在构成所述冷却密封垫的各部分上制成。
19.进一步限定，上述的一种金属双极板密封及冷却剂通道结构，其中，所述冷却密封垫、阴极板密封垫、阳极板密封垫为橡胶材料，其加工工艺能够采用压模、注胶工艺，所述橡胶材料能够采用但不局限于液态硅胶、三元乙丙橡胶、氟橡胶等，所述橡胶材料硬度(邵尔a)：(35～60)度。
830、第一空气通道条-840、第一叠加密封垫-850、第二叠加密封垫-860。
具体实施方式
35.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
36.本技术的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
37.下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本技术实施例提供的伺服器进行详细地说明。
38.如图1-图6所示，本技术实施例提供了一种金属双极板密封及冷却剂通道结构，包括阴极板100、与阴极板100连接的阳极板200，所述阴极板100包括第一极板边框130以及第一中间反应区110，所述阳极板200包括第二极板边框230以及第二中间反应区210，所述第一中间反应区110与第一极板边框130由薄金属板一体冲压而成，所述第二中间反应区210与第二极板边框230由薄金属板一体冲压而成，所述第一中间反应区110与第二中间反应区210均具有若干条凹槽与背脊，所述第一中间反应区110、第二中间反应区210上一面的背脊构成另一面的凹槽、一面上的凹槽构成另一面的背脊，所述第一中间反应区110远离阳极板200一侧的背脊以及凹槽构成空气流场，所述第二中间反应区210远离阴极板100一侧的背脊以及凹槽构成氢气流场，所述第一中间反应区110、第二中间反应区210连接面一侧的背脊以及凹槽构成冷却剂流场。
39.在一种较佳的实施方式中，所述阴极板100与阳极板200连接后，所述第二中间反应区210靠近阴极板100一侧凹槽和第一中间反应区110靠近阳极板200一侧凹槽相对，所述第二中间反应区210靠近阴极板100一侧背脊和第一中间反应区110靠近阳极板200一侧背脊相对，所述第一中间反应区110靠近阳极板200的背脊与第二中间反应区210靠近阴极板100的背脊接触，其接触方式能够为线接触、面接触，所述第一中间反应区110与第二中间反应区210相对侧的凹槽部分构成若干条冷却剂流道，所述若干条冷却剂流道构成了冷却剂流场。
40.在一种较佳的实施方式中，所述第一中间反应区110靠近、远离阳极板200两侧背脊之间的距离为0.3～0.5mm，所述第二中间反应区210靠近、远离阴极板100两侧背脊之间的距离为0.3～0.5mm，即所述阴极板100与阳极板200连接后，其构成的冷却剂流场深度为0.3～0.5mm，其中，所述第一中间反应区110、第二中间反应区210构成冷却剂流场的背脊突出第一极板边框130或第二极板边框230的高度为0.15～0.2mm，所述第一中间反应区110、第二中间反应区210远离冷却剂流场一侧背脊突出第一极板边框130或第二极板边框230的高度为0.1～0.2mm。
41.在一种较佳的实施方式中，所述第一中间反应区110与第二中间反应区210上背脊
与凹槽的结构可以为直型、蛇型、螺旋型、交指型、网格型等，通过采用不同结构的背脊与凹槽结构，能够形成不同形式的空气流场、氢气流场、冷却剂流场，而不同形式流场均具有不同的优缺点，故第一中间反应区110、第二中间反应区210上背脊与凹槽的结构根据使用要求确定。
42.在一种较佳的实施方式中，所述阴极板100、阳极板200上均设有进口区以及出口区，所述进口区包括空气进口310、冷却剂进口320、氢气进口330，所述出口区包括空气出口410、冷却剂出口420、氢气出口430，所述阴极板100与阳极板200上的空气进口310、冷却剂进口320、氢气进口330、空气出口410、冷却剂出口420、氢气出口430在二者连接后完全对齐，所述空气出口410与空气进口310关于金属双极板的中心对角对称分布，所述氢气出口430与氢气进口330关于金属双极板的中心对角对称分布，所述冷却剂进口320位于空气进口310与氢气进口330之间，所述冷却剂出口420位于空气出口410与氢气出口430之间，所述冷却剂出口420与冷却剂进口320关于金属双极板的中心对称分布。
43.在一种较佳的实施方式中，所述第一极板边框130远离阳极板200一侧端面上设有阴极密封垫700，所述阴极密封垫700沿第一极板边框130边缘将进口区、出口区、第一中间反应区110全部包围并将阴极板100上的空气进口310、冷却剂进口320、氢气进口330、空气出口410、冷却剂出口420、氢气出口430、第一中间反应区110分别围成独立的区域，所述第二极板边框230远离阴极板100一侧端面上设有阳极密封垫600，所述阳极密封垫600沿第二极板边框230边缘将进口区、出口区、第二中间反应区210全部包围并将阴极板100上的空气进口310、冷却剂进口320、氢气进口330、空气出口410、冷却剂出口420、氢气出口430、第一中间反应区110分别围成独立的区域，所述阴极密封垫700、阳极密封垫600的厚度取决于与阴极板100、阳极板200配合的膜电极的结构。
44.在一种较佳的实施方式中，所述阴极板100与阳极板200之间设有冷却密封垫800，所述冷却密封垫800沿第一极板边框130、第二极板边框230边缘将进口区、出口区、第一中间反应区110、第二中间反应区210全部包围并将空气进口310、氢气进口330、空气出口410、氢气出口430围成独立的区域，同时冷却密封垫800将第一中间反应区110、第一流通孔120、冷却剂进口320、冷却剂出口420围在同一区域，所述冷却密封垫800的厚度为阴极板100、阳极板200连接且第一中间反应区110与第二中间反应区210背脊部分接触后阴极板100与阳极板200的垂向距离。
45.在一种较佳的实施方式中，所述阳极密封垫600、阴极密封垫700、冷却密封垫800的轮廓对应重合，其截面形状为方形、梯形或凹形、凸性且顶部、底部端面为平面，所述阳极密封垫600、阴极密封垫700、冷却密封垫800在电池组装时起到密封作用的同时配合各通道结构形成支撑。
46.在一种较佳的实施方式中，所述第一极板边框130上关于空气进口310、空气出口410对应位置分别贯通设有若干个第一流通孔120，所述第一流通孔120的数量由空气流通截面要求确定，所述空气进口310对应位置第一流通孔120与空气出口410对应位置第一流通孔120关于金属双极板中心对角对称分布，所述阴极密封垫700将第一流通孔120与空气进口310、空气出口410隔绝且将第一流通孔120与第一中间反应区110围在同一区域，所述冷却密封垫800将第一流通孔120与第一中间反应区110、第二中间反应区210隔绝且将空气进口310与对应位置第一流通孔120围在同一区域、将空气出口410与对应位置第一流通孔
120围在同一区域。
47.在一种较佳的实施方式中，所述冷却密封垫800将空气进口310与对应位置第一流通孔120围成的同一区域、所述冷却密封垫800将空气出口410与对应位置第一流通孔120围成的同一区域中分别设有数量等同且位置关于金属双极板中心对角对称分布的若干条第一空气通道条840，所述第一空气通道条840的长度方向一端位于空气进口310或空气出口410靠近第一中间反应区110、第二中间反应区210一侧边缘，另一端向靠近第一中间反应区110、第二中间反应区210一侧延伸至与冷却密封垫800连接，单个第一流通孔120处于对应位置的相邻两个第一空气通道条840之间，即所述第一空气通道条840的数量与第一流通孔120的数量相关，所述第一空气通道条840的厚度与冷却密封垫800的厚度相同。
48.在一种较佳的实施方式中，所述阴极密封垫700将第一中间反应区110围成的独立区域中关于第一空气通道条840对应位置设有与第一空气通道条840数量等同的第二空气通道条710，所述第二空气通道条710的厚度取决于与阴极板100配合的膜电极的结构，其厚度小于阴极密封垫700的厚度0.05～0.1mm，当所述空气进口310、空气出口410内流通空气时，流经空气进口310、空气出口410的空气将通过第一流通孔120，从而增大空气的流通面积。
49.在一种较佳的实施方式中，所述阳极密封垫600上关于两个第一空气通道条840对应位置围成两个第一支撑区620，所述第一支撑区620轮廓与冷却密封垫800包围空气进口310、空气出口410的轮廓对应重合，用于在电池组装时增强支撑效果。
50.在一种较佳的实施方式中，所述第二极板边框230上关于氢气进口330、氢气出口430对应位置分别贯通设有若干个第二流通孔220，所述第二流通孔220的数量由氢气流通截面要求确定，所述氢气进口330对应位置第二流通孔220与氢气出口430对应位置第二流通孔220关于金属双极板中心对角对称分布，所述阳极密封垫600将第二流通孔220与氢气进口330、氢气出口430隔绝且将第二流通孔220与第二中间反应区210围在同一区域，所述冷却密封垫800将第二流通孔220与第一中间反应区110、第二中间反应区210隔绝且将氢气进口330与对应位置第二流通孔220围在同一区域、将氢气出口430与对应位置第二流通孔220围在同一区域。
51.在一种较佳的实施方式中，所述冷却密封垫800将氢气进口330与对应位置第二流通孔220围成的同一区域、所述冷却密封垫800将氢气出口430与对应位置第二流通孔220围成的同一区域中分别设有数量等同且位置关于金属双极板中心对角对称分布的若干条第一氢气通道条810，所述第一氢气通道条810的长度方向一端为氢气进口330或氢气出口430靠近第一中间反应区110、第二中间反应区210一侧边缘，另一端向靠近第一中间反应区110、第二中间反应区210一侧延伸至与冷却密封垫800连接，单个第二流通孔220处于对应位置的相邻两个第一氢气通道条810之间，即所述第一氢气通道条810的数量与第二流通孔220的数量相关，所述第一氢气通道条810的厚度与冷却密封垫800的厚度相同。
52.在一种较佳的实施方式中，所述阳极密封垫600将第二中间反应区210围成的独立区域中关于第一氢气通道条810对应位置设有与第一氢气通道条810数量等同的第二氢气通道条610，所述第二氢气通道条610的厚度取决于与阳极板200配合的膜电极的结构，其厚度小于阳极密封垫600的厚度0.0.5～0.1mm，当所述氢气进口330、氢气出口430内流通氢气时，流经氢气进口330、氢气出口430的空气将通过第二流通孔220，从而增大空气的流通面
积。
53.在一种较佳的实施方式中，所述阴极密封垫700上关于两个第一氢气通道条810对应位置围成两个第二支撑区720，所述第二支撑区720轮廓与冷却密封垫800包围氢气进口330、氢气出口430的轮廓对应重合，用于在电池组装时增强支撑效果。
54.在一种较佳的实施方式中，所述冷却密封垫800上关于冷却剂进口320、冷却剂出口420对应位置设有冷却剂分流通道，所述冷却剂分流通道包括分别位于冷却剂进口320、冷却剂出口420对应位置的两个连通条830，两个连通条830两端与冷却密封垫800连接且分别将冷却剂进口320、冷却剂出口420围成独立区域，所述连通条830关于长度方向对称设有若干条冷却剂通道条820，所述连通条830用于若干条冷却剂通道条820的一体成型，在若干条冷却剂通道条820的注塑或者压膜加工过程中，若没有类似连通条830的连通结构，所述冷却剂通道条820只能单条逐一加工，通过所述连通条830能够实现多条冷却剂通道条820的一体加工，大大提高了金属双极板的生产加工效率。
55.在一种较佳的实施方式中，所述冷却剂通道条820的厚度与冷却密封垫800的厚度相同，所述连通条830的宽度为2～3mm，所述连通条830的厚度比冷却剂通道条820的厚度小0.2～0.25mm，所述连通条830与阴极板100或者阳极板200之间的间隙用于流通冷却剂。
56.在一种较佳的实施方式中，所述冷却密封垫800可以由多部分叠加制成，如图6-图7所示，冷却密封垫800包括第一叠加密封垫850、第二叠加密封垫860，所述第一叠加密封垫850、第二叠加密封垫860分别在第一极板边框130、第二极板边框230上成型，所述第一叠加密封垫850与第二叠加密封垫860的轮廓与冷却密封垫800相同且叠加后与冷却密封垫800厚度相同，所述第一空气通道条840一体成型设置在第一叠加密封垫850上，所述第一氢气通道条810一体成型设置在第二叠加密封垫860上，所述连通条830、冷却剂通道条820一体成型设置在第一叠加密封垫850上，所述冷却剂通道条820的厚度不变，所述连通条830与冷却剂通道条820的相对位置由于连通条830的位置调整而改变。
57.在一种较佳的实施方式中，如图7-图9所示，冷却密封垫800包括第一叠加密封垫850、第二叠加密封垫860，所述第一叠加密封垫850、第二叠加密封垫860分别在第一极板边框130、第二极板边框230上成型，所述第一叠加密封垫850与第二叠加密封垫860的轮廓与冷却密封垫800相同且叠加后与冷却密封垫800厚度相同，所述第一空气通道条840一体成型设置在第一叠加密封垫850上，所述第一氢气通道条810、第一空气通道条840一体成型设置在第二叠加密封垫860上，所述连通条830、冷却剂通道条820一体成型设置在第一叠加密封垫850上，所述冷却剂通道条820的厚度不变，所述连通条830与冷却剂通道条820的相对位置由于连通条830的位置调整而改变。
58.在一种较佳的实施方式中，所述阴极密封垫700、第二空气通道条710一体成型，所述冷却密封垫800、第一氢气通道条810、冷却剂通道条820、连通条830、第一空气通道条840一体成型，所述阳极密封垫600、第二氢气通道条610一体成型，所述阴极密封垫700、第二空气通道条710、冷却密封垫800、第一氢气通道条810、冷却剂通道条820、连通条830、第一空气通道条840、阳极密封垫600、第二氢气通道条610构成金属双极板的密封件，所述密封件与第一极板边框130、第二极板边框230的结合方式可采用密封件与第一极板边框130、第二极板边框230一体注胶工艺，也可将密封件单独加工，然后以粘贴、叠装的方式与第一极板边框130、第二极板边框230结合。
59.在一种较佳的实施方式中，所述第一极板边框130、第二极板边框230于对应位置分别贯通设有定位孔500，所述定位孔500用于阴极板100、阳极板200连接时的定位。
60.在一种较佳的实施方式中，所述密封件由橡胶材料加工，其加工工艺可采用压模、注胶工艺，橡胶材料能够使用但不限于液态硅胶、三元乙丙橡胶、氟橡胶等，橡胶材料硬度(邵尔a)：(35～60)度。
61.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。此外，需要指出的是，本技术实施方式中的方法和装置的范围不限按示出或讨论的顺序来执行功能，还可包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能，例如，可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法，并且还可以添加、省去、或组合各种步骤。另外，参照某些示例所描述的特征可在其他示例中被组合。
62.上面结合附图对本技术的实施例进行了描述，但是本技术并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本技术的启示下，在不脱离本技术宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本技术的保护之内。