一体成型氢燃料电池双极板的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池领域，尤其涉及一种一体成型氢燃料电池双极板。


背景技术：

2.本实用新型涉及氢燃料电池双极板，更具体地，涉及包括一体成型的双极板包括阳(氢)极板和阴(氧)极板复合一体串联成型设计、一体串联成型同时形成封闭冷却流场、注氢口、注氧口、注水口、排氢口、排氧口、排水口。
3.氢燃料电池是一种阳极的氢气和阴极的氧气通过电化学反应将化学能转化为电能的发电装置。氢能是高能量密度的清洁能源，被普遍认为是人类的重要的未来能源之一，氢燃料电池因其发电过程无噪音、无污染、高效率等优势，在新能源产业中极具发展潜力。
4.氢燃料电池的核心组成是电堆，一个完整的电堆包含膜电极(mea)、双极板(bp)、gdl、端板、绝缘板、密封圈等部件。这些部件共同决定了电堆的发电效率和使用寿命。双极板是电堆核心部件之一，主要作用是通过氢板(阳)和氧板(阴)气体流场输送氢气和氧气并隔离气体，散热导电，排出反应生成物(水)等，因此要求双极板具有较高的导电能力，导热能力，良好的气密性、可加工性能、良好的耐腐蚀性。目前石墨是产业化应用中最广泛的双极板材料，但石墨加工的双极板厚度较大，装堆尺寸受限制，抗冲击性能差，石墨堆发电的体积密度和重量密度小等缺点，因此延展性更好，重量更轻，体积更小，更便于进行薄壁加工的金属材料成为了双极板成型技术研究成为热点。金属双极板可以加工为单板厚度0.2mm以下，显著地减小了电堆体积和重量。
5.现阶段加工金属双极板的主要方式为氢(阳)板氧(阴)板单独分别设计加工，使用模具冲压成型，利用金属薄板冲压制成单板，再对两个单板与膜电极封装组出单电池，然后将每组单电池阴阳极通过导电导热密封材料串联组堆，阴阳极板串联同时需设计独立的冷却流场介质导出化学反应热量，确保单电池内工作温度低于设定的温度。基于这个装堆工艺，现有的开发方式存在开模成本高，研发测试成本高，制作工艺复杂，冷却流场由阴阳单板被动成型，导热冷却模块设计难度大，连接位置容易失效等问题。如图1所示，现有技术中氢板101与氧板102通常为相同结构的单板，冲压后在其双面形成流场通道，两单板之间通过焊接对称贴合连接后，其中部即形成冷却流道100，相对应的氢板101的背面为氢气流道103，氧板102正面为氧气流道104；进一步的如图2所示，利用该双极板制备燃料电池，包括依次设置的氢板101、膜电极105、氧板102、氢板101、膜电极105、氧板102，其中位于中心的氧板102、氢板101之间焊接形成上述的冷却流道100，燃料电池电堆是由多个单板、膜电极105、间隔设置而成，为了保证散热，在堆叠过程中就需要牺牲部分氢气流道103与氧气流道104将其焊接成冷却流道100置于电堆中，若要保证充足的散热效果就需要设置足够的冷却流道100，这会导致单板流道的损耗，从而降低燃料电池的电堆的能量密度，若要提高燃料电池的能量密度，必然导致散热不良。同时由两块单板焊接形成的双极板对焊接要求高，且经过焊接后的接触面的导电率会受到影响，增加了单电池串联的接触电阻，从而影响发电效率。
6.现有技术中常见的还有另一解决方案，如公开号cn217114452u的专利公开了一种外冷却型液冷燃料电池双极板，双极板由带有流场单片极板构成，单片极板包括反应区域和反应区域两侧的冷却翅片。一种包括上述非共用型双极板的电堆，所述电堆包括依次设置的端板、绝缘板、集流板、多个双极板与膜电极交互叠放组成的重复单元、另一侧的集流板、绝缘板、端板；双极板的冷却翅片部分超出电堆本体，将冷却翅片合围形成电堆的外冷却腔，冷却介质流经外冷却腔将电堆内部产生的热量带出去，最后通过系统外部散热片散至周围环境中或作为优质热源加以利用。该方案中的冷却是通过向外延伸的翅片进行散热，虽然单级板堆叠时不会损失流道用于形成散热流道，但额外的增加的翅片结构使得电堆整体体积增大，电堆的能量密度损失更大，该方案提供了优秀的散热效果，但放弃了体积的控制。
7.现有技术中冷却水与燃料电池进行换热带走热量进而使燃料电池保持在合理的温度范围内。冷却水在燃料电池内吸热进而温度升高，导致冷却水进口端和出口段带走热量不一，使燃料电池在冷却水进口端和出口端产生温差，影响电堆性能。
8.燃料电池双极板及流场的设计将直接影响燃料电池燃料气体和氧化剂的流体分布以及水、热管理，从而直接影响燃料电池的工作效率以及使用寿命。
9.相对于阳极氢气发生的氧化反应，阴极一端的反应动力学极为缓慢，氧气的扩散系数较氢气低约一个数量级，且电化学反应产物水主要也从阴极侧排出，如果流场(流道)结构设计不合理，会导致气体的扩散即反应物传质能力降低和反应产物难以排出即“水淹”等问题出现。
10.现有技术中，常见的流道设计多为二维平面内的设计，即沿流体流动方向流道横截面面积不发生变化、或水力直径无变化的设计。在此类二维流场板中，气体主要依靠浓度差异的扩散作用由流道中进入扩散层和电极表面，传质性能较差，尤其在高电流密度下，浓差极化现象尤为明显，反应物往往不能及时输送至多孔电极电化学反应表面，造成电池性能急剧衰减；气体扩散层中排到流道中的水滴往往在气体扩散层表面以恒定状态运动，直至吹扫出流道，且在气体扩散层中尤其是脊下所对区域会存在停留的液滴，导致反应气体向多孔电极中扩散的有效面积减小，从而进一步恶化了传质性能。


技术实现要素：

11.(一)要解决的技术问题
12.为了解决现有技术的上述问题，本实用新型提供一种一体成型氢燃料电池双极板，通过一体化结构使其冷却流场更易设计，且能够有效的减少进口端和出口端的温差，并使气体流场内的的气体表现为紊流，提高了双极板的传质能力。
13.(二)技术方案
14.为了达到上述目的，本实用新型采用的主要技术方案包括：
15.一种一体成型氢燃料电池双极板，其特征在于：包括一体成型的金属双极板；所述双极板的表面和背面形成表里一体的凹凸形状，其凹部形成气体流路；所述双极板中部沿双极板长度方向形成若干贯通的冷介质流路；所述气体流路的用于进气的扩散区与用于出气的回收区设置在对角线处；所述扩散区与回收区通过反应区相连构成气体流路；所述气体流路的凹部的横截面积被设定为从与气体流动的方向垂直的方向来看时的对应位置截
面图中反应区相对于扩散区与回收区相对大。
16.进一步的，所述气体流路中扩散区与回收区具有笔直流路，反应区为曲折流路；所述冷介质流路为笔直流路。
17.进一步的，所述反应区包含若干并列设置的波浪形流路。
18.进一步的，所述波浪形流路沿气体流动方向上包含一笔直的气体可通过路径。
19.进一步的，所述双极板表面与背面沿周向设有密封槽。
20.进一步的，所述双极板的两端分别设置三个开口，包括相对设置的注氧口与注氢口，相对设置于中部的注冷介质口与排冷介质口，相对设置的排氢口与排氧口；所述双极板表面与背面的气体流场呈中心对称设置。
21.进一步的，所述冷介质流路的横截面积被设定为从与冷介质流动的方向垂直的方向来看时的对应位置截面图中冷介质中游侧相对于冷介质上游侧与冷介质下游侧相对大。
22.进一步的，所述冷介质流路中的冷介质上游侧与冷介质下游侧被构造为在镂空的双极板中部的前端与尾端呈点状分布的若干两端均一体连接双极板本体的第一连接体后形成的相互贯通的流路。
23.进一步的，所述冷介质流路中的冷介质中游侧被构造为在镂空的双极板中部的中段沿冷介质流动方向并列设置若干平行且垂直于冷介质流动方向的两侧侧面均一体连接双极板本体的第二连接体以形成笔直流路。
24.进一步的，所述双极板的截面图中冷介质流路的横截面宽度与气体流路的横截面宽度相当。
25.(三)有益效果
26.本实用新型的有益效果是：
27.1、本实用新型的一种一体成型氢燃料电池双极板，应用增材制造技术数字建模设计并一体成型，无需模具进行加工，可以大幅降低研发周期和研发成本，完整成型后的一体成型双极板阴阳极串联成形组织均匀致密，降低由传统组堆工艺导致的接触电阻，氢场、氧场、冷却水道各自独立设计互不干涉，密封效果优秀，最后基于这样的双极板加工方式，设计者可以不再受冲压加工方式的限制，更自由的对流场进行设计和仿真分析，以获得发电效率和冷却效率更佳的流场，优化简化了现行的组堆工艺，提高电堆组堆的成品率降本增效。
28.2、本实用新型通过第一连接体与第二连接体的设置，使得冷介质在冷介质流路中的流速发生变化，所述冷介质为冷却水，增加了冷却水在冷介质流道中的停留时间，具体为点状分布的第一连接体在上游侧(入口)将冷却水进行分散，降低了流速，同时通过第一连接体的特殊设计能够快速的实现冷却水的分流，使其能够快速的分流至第二连接体形成的笔直流路中，最终又在下游侧(出口)处通过第一连接体阻挡分散减速合流后排出，通过前后第一连接体的扰流作用，增加传热，能够带走更多的热量，同时在增加传热时间的同时，基于一体成型的双极板基于自身的导热性，能够有效的减少进口端和出口端的温差，减小了热应力，使电堆工作更稳定，更安全，寿命更长。
29.3、本实用新型的双极板反应区的气体流道设置为波浪形并且沿气体流动方向上包含一笔直的气体可通过路径，波浪形区域可使阳极气体流道内的阳极气体的流动速度和压力产生波动，再由流通方向上具备的笔直的通过路径将波动气体混合进而使阳极气体的
运动状态表现为紊流；阴极气体运动状态同理也表现为紊流，进而提高了双极板的传质能力，有利于提高燃料电池的有效输出功率。同时紊流气体具备更好的吹扫能力，能够在传输过程中更全面的对流道中的水滴进行冲击使其进行非规律运动而更易被吹扫出流道。
附图说明
30.为了更清楚地说明本实用新型实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
31.图1是现有技术双极板结构；
32.图2是现有技术电堆结构爆炸图；
33.图3是本实用新型双极板结构示意图；
34.图4是本实用新型双极板横截面示意图；
35.图5是本实用新型a部放大图；
36.图6是本发明内部冷介质流道局部放大示意图；
37.图7是本实用新型反应区放大图；
38.图8是本实用新型双极板立体图；
39.图9是本实用新型双极板装配示意图；
具体实施方式
40.为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。
41.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
42.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
43.实施例一，请参照图3-8所示：
44.一种一体成型氢燃料电池双极板，包括一体成型的金属双极板200；所述双极板200的表面和背面形成表里一体的凹凸形状，其凹部形成气体流路201；所述双极板200中部沿双极板长度方向形成若干贯通的冷介质流路202；所述气体流路201的用于进气的扩散区203与用于出气的回收区205设置在对角线处；所述扩散区203与回收区205通过反应区204相连构成气体流路201；所述气体流路201的凹部的横截面积被设定为从与气体流动的方向垂直的方向来看时的对应位置截面图中反应区204相对于扩散区203与回收区205相对大。也即如图3所示，扩散区203与回收区205设置于对角线处，通过流道的逐步延伸及向宽度方向扩展形成较宽区域的反应区204；扩散区203包括沿长度方向的入口段以及入口段末端转折朝向宽度方向延伸的扩展段，扩展端后紧连着反应区204，由于扩展段沿宽度方向扩展，将导致入口段的流道经扩展端的扩展后具备更大的流道开口，反应区204为了保证每条流道的均匀性，会在具有较大开口的扩展段设置多个反应区流道进行对应，从而保证流道气体的均匀，同理回收区205与扩散区203呈中心对称设置。
45.所述气体流路201中扩散区203与回收区205具有笔直流路，具体是指入口段及扩展段的笔直流道，反应区204为曲折流路；进一步的反应区204包含若干并列设置的波浪形流路；所述波浪形流路沿气体流动方向上包含一笔直的气体可通过路径，如图7所示，上下波浪形间的距离不宜过大，不然无法形成所述的笔直的可通过路径，当波浪形的上下起伏过大时会形成弯曲的流路，从而使得气体直接沿流路运动，而难以形成紊流，不利于提高传质能力。其原因在于当具备笔直的气体可通过路径时，气体在流过流道时，以位于笔直流道中的气体进行分析，该气体正常应该以匀速流过，而本实用新型流道在笔直流道上下两侧直接连接有上下间隔布置的弧形容置区206，气体在贴合该弧形容置区206的内壁流动时的速度会发生变化，且该区域与笔直路径相连，从而在流经弧形容置区206的气体速度变化后冲击笔直路径中的气体从而使得气体的流动速度和压力产生波动而形成紊流，进而提高了双极板的传质能力，有利于提高燃料电池的有效输出功率。同时紊流气体具备更好的吹扫能力，能够在传输过程中更全面的对流道中的水滴进行冲击使其进行非规律运动而更易被吹扫出流道。
46.本实用新型一实施例中所述冷介质流路为笔直流路。
47.如图8所示，所述双极板200的两端分别设置三个开口，包括相对设置的注氧口210与注氢口211，相对设置于中部的注冷介质口212与排冷介质口213，相对设置的排氢口214与排氧口215；所述双极板表面与背面的气体流场呈中心对称设置。所述双极板表面与背面沿周向设有密封槽207。
48.如图6所示，所述冷介质流路的横截面积被设定为从与冷介质流动的方向垂直的方向来看时的对应位置截面图中冷介质中游侧相对于冷介质上游侧与冷介质下游侧相对大。冷介质中游侧为冷介质流动方向的中部，冷介质上游侧为冷介质的注冷介质口212处，冷介质下游侧为排冷介质口213处。所述冷介质流路中的冷介质上游侧与冷介质下游侧被构造为在镂空的双极板中部的前端与尾端呈点状分布的若干两端均一体连接双极板本体的第一连接体208后形成的相互贯通的流路。所述第一连接体208通常呈圆柱状，在转角处或宽度方向变大处也可以设置为条状或弯曲状以适应形状的变化曲线。第一连接体208是一体成型双极板在3d打印成型时在其中部设置的用于连接两侧用于成型气体流道的连接体，相邻两连接体之间为镂空用于冷介质的流动，第一连接体208的作用一方面是用于对冷
介质(冷却水)进行扰流，降低水流速度，增加了冷却水在冷介质流道中的停留时间，具体为点状分布的第一连接体208在上游侧(注冷介质口212)将冷却水进行分散，降低了流速，另一方面起到支撑两侧的底板作用，进一步的，一体成型结构免去了传统单级板的焊接操作，完整成型后的一体成型双极板阴阳极串联成形组织均匀致密，降低由传统组堆工艺导致的接触电阻，氢场、氧场、冷却水道各自独立设计互不干涉，密封效果优秀，以获得发电效率和冷却效率更佳的流场。
49.所述冷介质流路中的冷介质中游侧被构造为在镂空的双极板中部的中段沿冷介质流动方向并列设置若干平行且垂直于冷介质流动方向的两侧侧面均一体连接双极板本体的第二连接体209以形成笔直流路。第二连接体209形成的笔直流路与第一连接体208所形成的流路相贯通，第一连接体208与第二连接体209的设置，使得冷介质在冷介质流路中的流速发生变化，所述冷介质为冷却水，增加了冷却水在冷介质流道中的停留时间，具体为点状分布的第一连接体208在上游侧(注冷介质口212)将冷却水进行分散，降低了流速，同时通过第一连接体208的特殊设计能够快速的实现冷却水的分流，使其能够快速的分流至第二连接体209形成的笔直流路中，最终又在下游侧(排冷介质口213)处通过第一连接体208阻挡分散减速合流后排出，通过前后第一连接体208的扰流作用，增加传热，能够带走更多的热量，同时在增加传热时间的同时，基于一体成型的双极板基于自身的导热性，能够有效的减少进口端和出口端的温差，减小了热应力，使电堆工作更稳定，更安全，寿命更长。
50.所述双极板的截面图中冷介质流路的横截面宽度与气体流路的横截面宽度相当。能够提供更优异的降温效果。
51.一种燃料电池电堆，包含所述一体成型氢燃料电池双极板，其通过图9方式设置，即双极板200与膜电极105间隔设置形成电堆，该结构的优点在于双极板200两侧均可直接形成一个完整的燃料电池单元，其可以直接与膜电极105进行堆叠，而不需要如图2中现有技术方案中需要牺牲部气体流道来构造冷介质流道用于散热，并且在保证空间利用率的情况下具备更好的散热效果，也能够有效的增加电池的能量密度。同时应用增材制造技术数字建模设计并一体成型，可以使得双极板具备更薄的厚度，无需模具进行加工，可以大幅降低研发周期和研发成本，完整成型后的一体成型双极板阴阳极串联成形组织均匀致密，降低由传统组堆工艺导致的接触电阻，氢场、氧场、冷却水道各自独立设计互不干涉，密封效果优秀，最后基于这样的双极板加工方式，设计者可以不再受冲压加工方式的限制，更自由的对流场进行设计和仿真分析，以获得发电效率和冷却效率更佳的流场，优化简化了现行的组堆工艺，提高电堆组堆的成品率降本增效。
52.一种一体成型氢燃料电池双极板的制备方法，按照双极板的图纸将3d打印金属材料采用slm激光选区熔化工艺进行3d打印，得到所述的燃料电池双极板。
53.以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。