一种燃料电池用金属双极板的制作方法

本发明涉及领域，特别是一种燃料电池用金属双极板。

背景技术：

双极板是燃料电池电堆的重要部件之一，其主要功能是作为燃料电池膜电极组件(mea)的支撑结构，分隔燃料与氧化剂，阻止气体透过；作为气体分配流道将气体均匀分配到电极的反应层进行电极反应；同时作为燃料电池热和电的传递载体，收集、传导电流，排出反应热量，保持电池温场均匀。现今双极板主要包括石墨双极板和金属双极板。石墨双极板采用石墨材料，通过雕刻成型各种流道形状，但石墨双极板不仅厚度难以变薄而且重点大，增加了整堆体积和重量，而且石墨双极板的机械强度低、电阻大、加工成本高等缺点，一直制约着电池系统整体性能的提升；金属双极板，由于采用金属材料，强度较高，加工性强，电导率高等优势越来越受到重视并已经成为燃料电池双极板主流选择之一。但目前金属双极板大多采用对称流道设计，为了提高操作电流，双极板与mea的接触面一般较大，这样就会造成燃料气体从流道扩散到反应区域的路径变长，局部燃料供应不足，进而影响整个电堆的性能，同时在进行水冷冷却时，对称的流道设计，双击板的散热面积受限，散热效果不佳，容易出现局部过温，温度均一性不高，进而影响燃料电池电堆的一致性和可靠性。因此，迫切需要一种燃料电池双极板，在保持较高的操作电流的同时，燃料气体扩散性能好，燃料气体自流道扩散的反应区的路径变短，具有较大散热面积，温度均一性提高，适应大功率燃料电堆电堆操作的需求。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种燃料电池用金属双极板。

实现上述目的本发明的技术方案为，一种燃料电池用金属双极板，包括阳极单板和阴极单板，所述阳极单板和阴极单板焊接在一起，所述阳极单板和阴极单板上分别开设有氢气进口公共通道、冷却剂进口公共通道、空气进口公共通道、氢气出口公共通道、冷却剂出口公共通道、空气出口公共通道、氢气进口分配口、氢气出口分配口、电压采集端子、定位孔、气体导流区、氢气流道，所述阳极单板与阴极单板焊接后相互重合，从而阳极单板和阴极单板上的氢气进口公共通道、冷却剂进口公共通道、空气进口公共通道、氢气出口公共通道、冷却剂出口公共通道、空气出口公共通道、电压采集端子、定位孔对接贴合，所述氢气进口公共通道、冷却剂进口公共通道、空气进口公共通道分别位于阳极单板和阴极单板外侧。

所述阳极单板上的氢气流道与所述阴极单板上的空气流道为‘s’型，周期为10-50mm。

所述空气流道与所述氢气流道的流道底部、流道脊部宽度一致。

所述空气流道的流道底部与所述氢气流道的流道底部成相互错位接触，所述氢气流道脊部与所述空气流道脊部之间设有冷却剂流道。

所述氢气流道与所述氢气进口分配口、所述氢气出口分配口之间以及所述空气流道与所述空气进口分配口、所述空气出口分配口之间均设有气体导流区，所述气体导流区设有气体导流块。

所述氢气出口分配口与所述氢气出口公共通道之间以及所述氢气进口分配口与所述氢气进口公共通道之间均设有氢气过渡通道，所述空气出口分配口与所述空气出口公共通道之间以及所述空气进口分配口与所述空气进口公共通道间均设有空气过渡通道，所述冷却剂流道与所述冷却剂进口公共通道和所述冷却剂出口公共通道间设有冷却剂过渡通道。

所述阳极单板与阴极单板外边缘均设有应力缓冲凸台，所述应力缓冲凸台分别沿所述阳极单板与阴极单板一周，且每隔10-50mm成向外的‘几’字形凸起，所述氢气流道、所述空气流道外侧设有应力缓冲槽；所述应力缓冲槽的形状与对应处‘s’型流道保持一致，其长度为5-25mm。

所述阳极单板和阴极单板的材质为不锈钢、钛合金或镁合金；所述阳极单板和阴极单板的成型方式为模压成型；所述阳极单板和阴极单板的厚度为0.02-0.5mm。

所述阳极单板与阴极单板上的电压采集端子、定位孔均为两个，且成中心对称；所述空气进口公共通道与所述空气出口公共通道的大小一致并成中心对称；所述氢气进口公共通道与所述氢气出口公共通道的大小一致并成中心对称。

所述空气进口公共通道与所述氢气进口公共通道面积比值为3:1与5:1之间；所述空气出口公共通道与所述氢气进口公共通道面积比值为3:1与5:1之间。

利用本发明的技术方案制作的一种燃料电池用金属双极板，本发明的双极板上的氢气流道与空气流道成相互错位设计，一方面使得冷却剂流道的接触面积显著增加，提升了换热效果，增强了燃料电池反应温度一致性，避免燃料电池大功率工作时的局部过温；另一方面使双极板与mea接触面积不变的情况下，即接触电导率不变的情况下，缩短了燃料向mea的扩散距离，减小了浓度梯度，进而提升燃料电池效率。

在反应区内设置多条并行的s形流场流道，s形流道有助于气体的扰动，使燃料气体更容易扩散到mea，进而提升燃料电堆的效率。

应力缓冲凸台和应力缓冲槽的设立，不仅增强了双极板的整体强度，而且减少因为温度、材料等应变引起的双极板变形，进而保障双极板的平整性。

阳极板和阴极板均采用模压成型，加工方便，便于批量化生产。

附图说明

图1是本发明所述一种燃料电池用金属双极板的阳极单板结构示意图；

图2是本发明所述一种燃料电池用金属双极板的阴极单板结构示意图；

图3是本发明所述一种燃料电池用金属双极板的双极板与mea组合的结构示意图；

图中，1、阳极单板；2、阴极单板；3、氢气进口公共通道；4、冷却剂进口公共通道；5、空气进口公共通道；6、氢气出口公共通道；7、冷却剂出口公共通道；8、空气出口公共通道；9、氢气进口分配口；10、氢气出口分配口；11、‘几’字形凸起；12、氢气流道；13、电压采集端子；14、定位孔；15、应力缓冲槽；16、应力缓冲凸台；17、空气进口分配口；18、空气出口分配口；19、气体导流块；20、气体导流区；21、空气流道；22、冷却剂过渡通道；23、氢气过渡通道；24、空气过渡通道；25、冷却剂流道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体描述，如图1-图3所示，一种燃料电池用金属双极板，包括阳极单板1和阴极单板2，所述阳极单板1和阴极单板2焊接在一起，所述阳极单板1和阴极单板2上分别开设有氢气进口公共通道3、冷却剂进口公共通道4、空气进口公共通道5、氢气出口公共通道6、冷却剂出口公共通道7、空气出口公共通道8、氢气进口分配口9、氢气出口分配口10、电压采集端子13、定位孔14、气体导流区20、氢气流道12，所述阳极单板1与阴极单板2焊接后相互重合，从而阳极单板1和阴极单板2上的氢气进口公共通道3、冷却剂进口公共通道4、空气进口公共通道5、氢气出口公共通道6、冷却剂出口公共通道7、空气出口公共通道8、电压采集端子13、定位孔14对接贴合，所述氢气进口公共通道3、冷却剂进口公共通道4、空气进口公共通道5分别位于阳极单板1和阴极单板2外侧；所述阳极单板1上的氢气流道12与所述阴极单板2上的空气流道21为‘s’型，周期为10-50mm；所述空气流道21与所述氢气流道12的流道底部、流道脊部宽度一致；所述空气流道21的流道底部与所述氢气流道12的流道底部成相互错位接触，所述氢气流道12脊部与所述空气流道21脊部之间设有冷却剂流道25；所述氢气流道12与所述氢气进口分配口9、所述氢气出口分配口10之间以及所述空气流道21与所述空气进口分配口17、所述空气出口分配口18之间均设有气体导流区20，所述气体导流区20设有气体导流块19；所述氢气出口分配口10与所述氢气出口公共通道6之间以及所述氢气进口分配口9与所述氢气进口公共通道3之间均设有氢气过渡通道23，所述空气出口分配口18与所述空气出口公共通道8之间以及所述空气进口分配口17与所述空气进口公共通道5间均设有空气过渡通道24，所述冷却剂流道25与所述冷却剂进口公共通道4和所述冷却剂出口公共通道7间设有冷却剂过渡通道22；所述阳极单板1与阴极单板2外边缘均设有应力缓冲凸台16，所述应力缓冲凸台16分别沿所述阳极单板1与阴极单板2一周，且每隔10-50mm成向外的‘几’字形凸起11，所述氢气流道12、所述空气流道21外侧设有应力缓冲槽15；所述应力缓冲槽15的形状与对应处‘s’型流道保持一致，其长度为5-25mm；所述阳极单板1和阴极单板2的材质为不锈钢、钛合金或镁合金；所述阳极单板1和阴极单板2的成型方式为模压成型；所述阳极单板1和阴极单板2的厚度为0.02-0.5mm；所述阳极单板1与阴极单板2上的电压采集端子13、定位孔14均为两个，且成中心对称；所述空气进口公共通道5与所述空气出口公共通道8的大小一致并成中心对称；所述氢气进口公共通道3与所述氢气出口公共通道6的大小一致并成中心对称；所述空气进口公共通道5与所述氢气进口公共通道3面积比值为3:1与5:1之间；所述空气出口公共通道8与所述氢气进口公共通道3面积比值为3:1与5:1之间。

本实施方案的特点为，包括阳极单板1和阴极单板2,所述阳极单板1和阴极单板2焊接在一起，所述阳极单板1和阴极单板2上分别开设有氢气进口公共通道3、冷却剂进口公共通道4、空气进口公共通道5、氢气出口公共通道6、冷却剂出口公共通道7、空气出口公共通道8、氢气进口分配口9、氢气出口分配口10、电压采集端子13、定位孔14、气体导流区20、氢气流道12，所述阳极单板1与阴极单板2焊接后相互重合，从而阳极单板1和阴极单板2上的氢气进口公共通道3、冷却剂进口公共通道4、空气进口公共通道5、氢气出口公共通道6、冷却剂出口公共通道7、空气出口公共通道8、电压采集端子13、定位孔14对接贴合，所述氢气进口公共通道3、冷却剂进口公共通道4、空气进口公共通道5分别位于阳极单板1和阴极单板2外侧，本发明的双极板上的氢气流道与空气流道成相互错位设计，一方面使得冷却剂流道的接触面积显著增加，提升了换热效果，增强了燃料电池反应温度一致性，避免燃料电池大功率工作时的局部过温；另一方面使双极板与mea接触面积不变的情况下，即接触电导率不变的情况下，缩短了燃料向mea的扩散距离，减小了浓度梯度，进而提升燃料电池效率。

在反应区内设置多条并行的s形流场流道，s形流道有助于气体的扰动，使燃料气体更容易扩散到mea，进而提升燃料电堆的效率。

应力缓冲凸台和应力缓冲槽的设立，不仅增强了双极板的整体强度，而且减少因为温度、材料等应变引起的双极板变形，进而保障双极板的平整性。

阳极板和阴极板均采用模压成型，加工方便，便于批量化生产。

需要说明的是：空气流道的流道底部与所述氢气流道的流道底部成相互错位接触，即所述空气流道的流道底部中心线与所述氢气流道的流道底部中心间距w，所述间距w的最大值为流道宽度一半，且当两个双极板与mea组装后，与mea接触的一个双极板的氢气流道的流道脊部和另一个双极板的空气流道的流道脊部的中心偏差亦是w；所述氢气流道脊部与所述空气流道脊部之间设有冷却剂流道。

气体导流区设有气体导流块，使流道内部的气体分布均匀；所述气体导流快的形状为长方型、圆形或两者的组合。

应力缓冲凸台、所述应力缓冲槽的设立，不仅增强了双极板的整体强调，而且减少因为温度、材料等应变引起的双极板变形，进而保障双极板的平整性。

在本实施方案中，

实施例1：

采用该双极板的燃料电池电堆，该电堆功率为80kw，该双极板为316l模压成型后焊接而成，厚度为0.15mm；s型流道的周期为20mm；设有缓冲槽其长度为10mm，未设置应力缓冲凸台。空气进口公共通道与所氢气进口公共通道面积比值为4:1,空气流道的流道底部中心线与所述氢气流道的流道底部中心间距w为0.2mm。采用此方案后与未设置错位的双极板电堆相比效率提高了约1%，同样工况条件下温度差减小1.5℃。

实施例2：

在实施例1的基础上，阳极单板和阴极单板为钛合金材质模压成型，厚度为0.1mm；s型流道的周期为15mm;设有缓冲槽其长度为8mm，阳极单板、阴极单板外边缘设有应力缓冲凸台，应力缓冲凸台分别沿所述阳极单板、所述阴极单板一周，且每隔15mm成向外的‘几’字形凸起,空气流道的流道底部中心线与所述氢气流道的流道底部中心间距w为0.3mm。采用此方案后与未设置错位的双极板电堆相比效率提高了约1.5%，同样工况条件下温度差减小2℃。

在本实施方案中，阳极单板上的氢气流道与阴极单板上的空气流道为‘s’型，且空气流道。

与氢气流道的流道底部、流道脊部宽度一致；空气流道的流道底部与所述氢气流道的流道底部成相互错位接触；当两个双极板与mea组装后，与mea接触的一个双极板氢气流道的流道脊部和另一个双极板空气流道的流道脊部中心也保持错位相对。

阳极单板、阴极单板外边缘设有应力缓冲凸台，应力缓冲凸台分别沿阳极单板、所述阴极单板一周，且每隔10-20mm成向外的‘几’字形凸起；同时在氢气流道、空气流道外侧设有应力缓冲槽，减少因为温度、材料等应变引起的双极板变形，进而保障双极板的平整性。

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。