CN101937998B - 冲压成型的质子交换膜燃料电池金属双极板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冲压成型的质子交换膜燃料电池金属双极板，包括第一金属板和第二金属板，两板反面通过激光焊接。第一金属板正面设置密封平台区，两板在流场流道与各气体进出口之间设置断续转角导流槽，两板冷却水进出口周边区域设长条形凹槽。密封平台区可和MEA热压成单电池，能减少密封圈使用，变形情况明显改善且密封效果好，极大提高组装效率；断续转角导流槽可对反应气体进行多次分配，使活性区域气体更均匀分配，并有效减缓“水淹”现象；长条形凹槽既能使冷却水分布更均匀、对冷却水导流，又和密封平台区一起对金属板刚度加强，能有效减缓各板变形。该双极板也可由两个第二金属板形成，此双极板特别适于“短堆”组装及测试，减少开模费用。

Description

冲压成型的质子交换膜燃料电池金属双极板

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及用于构成质子交换膜燃料电池的由两个单极板组成的金属双极板。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种直接利用氢能的发电装置，PEMFC把贮存在氢燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，能量转化效率高；燃料电池环境友好，唯一排放物是水。因此，燃料电池技术被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。

燃料电池单体电池主要由膜电极组件，双极板和其他辅助部件组成。为了提高燃料电池的输出功率，通常将若干个单体电池通过直叠或者平铺的方式堆叠在一起，在加上集流板、绝缘板和端板，通过螺杆紧固，组成燃料电池堆。

双极板是燃料电池的重要组成部件。燃料电池要求双极板具有以下性能：

1.流体分布均匀，利于水、气传输；

2.良好的导电性、气密性和化学稳定性；

3.机械性能好、体积小、质量轻、加工简单。

燃料电池的单电池通常是用石墨板做成单极板后再粘结成双极板。但是石墨单极板多通过雕刻而成，加工速度慢，成品率低，即使在组装成燃料电池堆之后也易于破损，因此石墨板很难实现大批量生产，达到大幅度降低生产成本的目的；同时现有的双极板大部分是采用三个腔室相互密封，流场分别做出的结构，增加了双极板的厚度。

目前的发展趋势是使用金属薄板冲压成型为单极板，再焊接或粘结成双极板。金属板具有较好的刚度，加工性能好，为电和热的良导体等优点，但其抗腐蚀能力差，易变形，密封圈容易跑位，气密性难以保证，导致电池堆组装困难。

专利CN1787261A报道的一种冲压金属双极板，缺点是阴、阳极采用密封圈密封的方式，组装电堆时密封圈容易跑位，密封效果差，组装效率低。

专利200810229694.0报道了一种质子交换膜燃料电池金属双极板。所述双极板的阴、阳极腔水流进出口处垫有多个支撑垫片，既对密封胶起支撑作用，垫片之间又构成水流通道。但该垫片和金属板是分离的，不是一次冲压成型的，使得双极板的制作及电堆的组装变得复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术不足而提供一种极板变形情况得到明显改善、有效减少密封圈使用、密封效果好、能够有效提高燃料电池电堆的组装效率并使流场中的水气传输更均匀、极板厚度薄、加工简单且成本低的冲压成型的质子交换膜燃料电池金属双极板。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种冲压成型的质子交换膜燃料电池金属双极板，包括由金属薄板冲压成型的第一金属板和第二金属板；第一金属板和第二金属板的左右两端均设置有空气出口、空气进口、冷却水进口、冷却水出口、氢气进口、氢气出口，冷却水进出口处设有冷却水腔；两板的正反面流场中间区域均设置有凹凸沟槽构成的流场流道，其中，第一金属板的正面凹凸沟槽形成阳极流场，第二金属板的正面凹凸沟槽形成阴极流场，两板的反面相互配合并通过焊接形成冷却水通道流场；两板的流场流道与各气体进出口之间还设置有气体分配流道；其特征在于：

第一金属板不设置密封槽而仅在正面沿流场边缘设置一圈密封平台区，所述密封平台区位于流场边缘与该金属板的边缘之间并相对于金属板边缘所在的平面凸起，其内围呈矩形包围流场边缘、其外围呈矩形锯齿状连续并距金属板边缘一定距离且在四个边角处倒角；第二金属板正面设置密封槽，所述密封槽包括该板外围的封闭式凸起与紧邻的内围断续锯齿状凸起结构之间的凹槽、以及封闭式凸起与氢气进出口和冷却水进出口之间的凹槽。

进一步地，第一金属板和第二金属板在流场流道与各气体进出口之间设置的气体分配流道为断续转角导流槽，各金属板分别设置至少两组该断续转角导流槽。

进一步地，第一金属板和第二金属板左右两端的冷却水进出口周边区域均设有长条形凹槽。

进一步地，两金属板设置的所述长条形凹槽为：第一金属板的冷却水进出口上下两侧分别设有等长的平行排列长条形凹槽，冷却水进出口各自靠近中间流场流道的一侧分别设有等长的错落平行排列长条形凹槽、冷却水进口靠近空气出口以及冷却水出口靠近空气进口的一侧均设置有斜向平行的手指状长条形凹槽；第二金属板的冷却水进口往氢气进口旁的流场流道延伸的区域设有斜向平行的手指状长条形凹槽，冷却水出口往氢气出口旁的流场流道延伸的区域设有不等长的平行排列长条形凹槽。

进一步地，所述密封平台区的近端边缘距离流场边缘为2mm-10mm，所述密封平台区的远端边缘距离流场边缘为3mm-15mm。

进一步地，所述的断续转角导流槽中，导流槽与导流槽之间的转角角度、以及导流槽与流场流道之间的转角角度均在0°-80°之间。

进一步地，第一金属板的反面和第二金属板的反面相互配合并通过精密激光焊接在一起；第一金属板正面的密封平台区通过热压工艺而与膜电极组件的氢气面形成密封，第二金属板正面的密封槽通过密封圈与膜电极组件的氧气面形成密封。

本发明还涉及另一种结构的质子交换膜燃料电池金属双极板，其技术方案为：

冲压成型的质子交换膜燃料电池金属双极板，包括两个结构相同的由金属薄板冲压成型的第二金属板；该第二金属板的左右两端设置有空气出口、空气进口、冷却水进口、冷却水出口、氢气进口、氢气出口，冷却水进出口处设有冷却水腔；两板的正反面流场中间区域均设置有凹凸沟槽构成的流场流道，其中，一个第二金属板的正面凹凸沟槽形成阳极流场，另一个第二金属板的正面凹凸沟槽形成阴极流场，两板的反面相互配合并通过焊接形成冷却水通道流场；

其特征在于：第二金属板正面设置密封槽，所述密封槽包括该板外围的封闭式凸起与紧邻的内围断续锯齿状凸起结构之间的凹槽、以及封闭式凸起与氢气进出口和冷却水进出口之间的凹槽；

第二金属板在流场流道与各气体进出口之间分别设置断续转角导流槽，所述的第二金属板上断续转角导流槽至少为两组；

第二金属板左右两端的冷却水进出口周边区域设有长条形凹槽。

进一步地，所述的断续转角导流槽中，导流槽与导流槽之间的转角角度、以及导流槽与流场流道之间的转角角度均在0°-80°之间；所述的长条形凹槽为：冷却水进口往氢气进口旁的流场流道延伸的区域设有斜向平行的手指状长条形凹槽，冷却水出口往氢气出口旁的流场流道延伸的区域设有不等长的平行排列长条形凹槽。

进一步地，该两个第二金属板的反面相互配合并通过激光焊接构成双极板，两正面均采用密封圈与膜电极组件密封。

本发明的双极板与现有技术的双极板相比，具有以下有益效果：

首先，第一金属板正面所采用的密封平台区结构，使得所得的双极板裸板可以与膜电极组件MEA热压成单电池，组装电堆时能够减少密封圈的使用，变形情况得到明显改善且密封效果好，极大的提高了组装效率。

其次，第一金属板和第二金属板均有设置的断续转角导流槽可以对反应气体进行多次分配，使得活性区域的气体分配更加均匀，能有效的减缓电池中的“水淹”现象；

再次，由于两板在冷却水进出口周边区域均采用了等长或不等长的平行排列或斜向平行的手指状长条形凹槽，既能对冷却水起到导流作用，使冷却水分布更加均匀，同时又和第一金属板外围密封平台区的矩形锯齿状凹凸结构一起，形成金属板的刚度加强结构，能有效的减缓金属板的变形；

最后，第二个技术方案中由另一相同的第二金属板替代第一个技术方案中的第一金属板，使得两个结构相同的第二金属板自身可以相互配合，并能够根据装配需要确定某一块板为阴或阳极板，从而组成具有阴、阳极板结构相同的金属双极板，该结构的双极板特别适用于“短堆”的组装及测试，可以大大减少开模具的费用，满足实验要求。

附图说明

图1为本发明实施例1的金属双极板的分解示意图；

图2为本发明的第一金属板B的反面板面示意图；

图3为本发明的第二金属板A的正面板面示意图；

图4为本发明的第一金属板B的密封平台区靠近流场流道部分的放大示意图；

图5为本发明的金属双极板所采用的断续转角导流槽的示意图。

附图中，各附图标记对应如下：

A-第二金属板、B-第一金属板、1-空气出口、2-第一金属板边缘所在的平面、3-空气进口、4-断续转角导流槽、5-流场流道、6-氢气进口、7-冷却水进口、8-凹槽、9-氢气出口、10-冷却水出口、11-密封平台区、12-密封槽、C-流场边缘到密封平台近端边缘距离、D-流场边缘到密封平台的远端边缘距离、E-导流槽与导流槽之间的转角角度、F-导流槽与流场流道之间的转角角度。

具体实施方式

下面结合附图及各实施例进一步说明本发明。

实施例1：

如图1-5所示的冲压成型的质子交换膜燃料电池金属双极板，由金属薄板冲压成型的第二金属板A和第一金属板B通过激光焊接构成。

如图1的分解图所示，第二金属板A和第一金属板B左右两端均设置有空气出口1、空气进口3、冷却水进口7、冷却水出口10、氢气进口6、氢气出口9，冷却水进出口处设有冷却水腔；两板的正反面流场中间区域均设置有凹凸沟槽构成的流场流道5，其中，第一金属板B的正面凹凸沟槽形成阳极流场，第二金属板A的正面凹凸沟槽形成阴极流场，两板的反面相互配合通过焊接后形成冷却水通道流场；两板的流场流道5与各气体进出口之间还设置有气体分配流道4；

第二金属板A正面设置密封槽12，所述密封槽12包括该板外围的封闭式凸起与紧邻的内围断续锯齿状凸起结构之间的凹槽、以及封闭式凸起与氢气进出口6、9以及冷却水进出口7、10周围的凹槽。

第一金属板B不设置密封槽而仅在正面沿流场边缘设置一圈密封平台区11，如图1和2、以及图4所示密封平台区的放大图，所述密封平台区11位于流场流道5的边缘与该金属板的边缘之间、并相对于该金属板边缘所在的平面2凸起，其内围呈矩形包围流场边缘、其外围呈矩形锯齿状连续并距金属板边缘一定距离且在四个边角处倒角。流场流道5所在的流场的边缘到密封平台区11近端边缘C为2mm-10mm，流场边缘到密封平台区11的远端边缘D为3mm-15mm。本实施例优选C为4mm，D为7.5mm，或者C为5mm，D为10mm。

该密封平台区11特别适用采用热压膜电极组件MEA密封工艺，能够保证热压工艺后的单电池的气密性好，采用该结构的单电池进行电堆组装够减少密封圈的使用，不仅变形情况得到明显改善且密封效果好，极大的提高了组装效率。

如图1-3，第一金属板B和第二金属板A在流场流道5与各气体进出口之间设置的气体分配流道4为断续转角导流槽，各金属板分别设置至少两组该断续转角导流槽4；如图5所示断续转角导流槽4为：导流槽与导流槽之间的转角角度E、以及导流槽与流场流道之间的转角角度F均在0°-80°之间。该断续转角导流槽可以对反应气体进行多次分配，使得活性区域的气体分配更加均匀，能有效的减缓电池中的“水淹”现象。

第一金属板B和第二金属板A左右两端的冷却水进出口7、10周边区域均设有长条形凹槽8。两板设置的长条形凹槽分别为：第一金属板B的冷却水进出口7、10上下两侧分别设有等长的平行排列长条形凹槽8，冷却水进出口7、10各自靠近中间流场流道5的一侧分别设有等长的错落平行排列长条形凹槽8、冷却水进口7靠近空气出口1以及冷却水出口10靠近空气进口3的一侧均设置有斜向平行的手指状长条形凹槽8；

第二金属板A的冷却水进口7往氢气进口6旁的流场流道5延伸的区域设有斜向平行的手指状长条形凹槽8，冷却水出口10往氢气出口9旁的流场流道5延伸的区域设有不等长的平行排列长条形凹槽8。该凹槽8既能对冷却水起到导流作用，使冷却水分布更加均匀，同时又和第一金属板B外围密封平台区11的矩形锯齿状凹凸结构一起，形成金属板的刚度加强结构，能有效的减缓金属板的变形。

第一金属板B和第二金属板A的反面通过精密激光焊接；第一金属板B正面的密封平台区11通过热压工艺而与膜电极组件的氢气面形成密封，第二金属板A正面的密封槽12通过密封圈与膜电极组件的氧气面形成密封。由此组成的单池进行电堆组装不仅能够减少密封圈的使用，减少其跑位引起的双极板变形而导致的气密性差的负面影响，极大的提高了组装效率。

实施例2：

冲压成型的质子交换膜燃料电池金属双极板，由金属薄板冲压成型的两个结构相同的第二金属板A配合形成；两第二金属板A反面相互配合的分解示意图与附图1类似，仅需将图1中的第一金属板B替换为第二金属板A即可，其他保留，因而不另给出附图。

如图3-5所示，该第二金属板A的左右两端均设置有空气出口1、空气进口3、冷却水进口7、冷却水出口10、氢气进口6、氢气出口9，冷却水进出口处设有冷却水腔；两板的正反面流场中间区域均设置有凹凸沟槽构成的流场流道5，其中，一个第二金属板A的正面凹凸沟槽形成阳极流场，另一个第二金属板A的正面凹凸沟槽形成阴极流场，两板的反面相互配合通过焊接后形成冷却水通道流场。

第二金属板A正面设置密封槽12，所述密封槽12包括该板外围的封闭式凸起与紧邻的内围断续锯齿状凸起结构之间的凹槽、以及封闭式凸起与氢气进出口6、9以及冷却水进出口7、10周围的凹槽。

第二金属板A在流场流道5与各气体进出口之间设置分别设置一组断续转角导流槽4。断续转角导流槽4如图5所示，导流槽与导流槽之间的转角角度E、以及导流槽与流场流道之间的转角角度F均在0°-80°之间。该断续转角导流槽可以对反应气体进行多次分配，使得活性区域的气体分配更加均匀，能有效的减缓电池中的“水淹”现象。

第二金属板A左右两端的冷却水进出口7、10周边区域设有长条形凹槽8。所设置的长条形凹槽为：第二金属板A的冷却水进口7往氢气进口6旁的流场流道5延伸的区域设有斜向平行的手指状长条形凹槽8，冷却水出口10往氢气出口9旁的流场流道5延伸的区域设有不等长的平行排列长条形凹槽8。该凹槽8能对冷却水起到导流作用，使冷却水分布更加均匀。

该两个第二金属板A反面相互配合并通过激光焊接构成双极板，两正面均采用密封圈与膜电极组件密封。

虽然两板均采用密封圈密封方式，但是由于第二金属板A具有上述的用以气体分配的断续转角导流槽、以及冷却水进出口周边区域的长条形凹槽，两个第二金属板A自身可以紧密配合，并可以根据装配需要确定某一个板为阴或阳极板，从而组成具有阴、阳极板结构相同的金属双极板，该结构的双极板特别适用于“短堆”的组装及测试，可以大大减少开模具的费用，满足实验要求。

上述实施例1和2的双极板可通过以下步骤制备而成：

步骤1：按照上述双极板的流场和板面结构分别设计膜压模具。上述实施例1中，分别设计第一金属板模具和第二金属板模具；上述实施例2中，仅需设计一副第二金属板模具。

步骤2：选取合适厚度的金属薄板进行冲压。上述实施例1和2中，双极板板材选用厚度为0.2mm的304不锈钢，然后将尺寸大小合适的304钢板放入膜压模具进行冲压，得到尺寸为165*65mm的两张不锈钢板，其中，各板的冲压深度为0.4mm。

步骤3：对冲压后的不锈钢板进行表面耐蚀处理。上述实施例1和2中优选采用镀氮化钛涂层表面处理技术，涂层总厚度0.02-0.05mm。

步骤4：将所得的第一金属板和第二金属板、或者两张第二金属板按照两板反面结合的方式相互配合，通过激光焊接，得到双极板裸板。上述实施例1和2中，最后所得双极板裸板总厚度为1.2mm。

步骤5：与膜电极组件MEA结合。对于实施例1，采用热压膜电极组件MEA工艺。将MEA氢气面热压在第一金属板的正面，MEA的氧气面与第二金属板的正面结合，并采用密封槽进行密封，由此得到气密性较好的单电池；对于实施例2，将两个第二金属板反面相互配合并通过激光焊接构成双极板，两正面均采用密封圈与膜电极组件密封。

以上实施例是本发明的双极板的优选实施例，本领域技术人员依据本发明的技术方案所做的其它形式转变，如板面厚度、板面大小尺寸、各气体进出口位置或各流道结构有所变化，但是只要板面具有密封平台区、或者板面在冷却水进出口周边区域采用长条形凹槽、或者板面具有用于气体分配的断续导流槽，仍然属于本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种冲压成型的质子交换膜燃料电池金属双极板，包括由金属薄板冲压成型的第一金属板和第二金属板；其中，第一金属板和第二金属板的左右两端均设置有空气出口、空气进口、冷却水进口、冷却水出口、氢气进口和氢气出口；冷却水进出口处设有冷却水腔；两金属板的正反面流场中间区域均设置有凹凸沟槽构成的流场流道，其中，第一金属板的正面凹凸沟槽形成阳极流场，第二金属板的正面凹凸沟槽形成阴极流场，两金属板的反面相互配合并通过焊接形成冷却水通道流场；两金属板的流场流道与各气体进出口之间还设置有气体分配流道；其特征在于：

第一金属板不设置密封槽而仅在正面沿流场边缘设置一圈密封平台区，所述密封平台区位于流场边缘与该第一金属板的边缘之间并相对于第一金属板边缘所在的平面凸起，其内围呈矩形包围流场边缘、其外围呈矩形锯齿状连续并距第一金属板边缘一定距离且在四个边角处倒角；第二金属板正面设置密封槽，所述密封槽包括该第二金属板外围的封闭式凸起与紧邻的内围断续锯齿状凸起结构之间的凹槽、以及封闭式凸起与氢气进出口和冷却水进出口之间的凹槽；

第一金属板和第二金属板在流场流道与各气体进出口之间设置的气体分配流道为断续转角导流槽；各金属板分别设置至少两组该断续转角导流槽；

第一金属板和第二金属板左右两端的冷却水进出口周边区域均设有长条形凹槽：第一金属板的冷却水进出口上下两侧分别设有等长的平行排列长条形凹槽，冷却水进出口各自靠近中间流场流道的一侧分别设有等长的错落平行排列长条形凹槽，冷却水进口靠近空气出口和冷却水出口靠近空气进口的一侧均设置有斜向平行的手指状长条形凹槽；第二金属板的冷却水进口往氢气进口旁的流场流道延伸的区域设有斜向平行的手指状长条形凹槽，冷却水出口往氢气出口旁的流场流道延伸的区域设有不等长的平行排列长条形凹槽。

2.根据权利要求1所述的金属双极板，其特征在于所述密封平台区的近端边缘距离流场边缘为2mm-10mm，所述密封平台区的远端边缘距离流场边缘为3mm-15mm。

3.根据权利要求2所述的金属双极板，其特征在于所述的断续转角导流槽为：导流槽与导流槽之间的转角角度、以及导流槽与流场流道之间的转角角度均在0°-80°之间。

4.根据权利要求1-3之一所述的金属双极板，其特征在于第一金属板的反面和第二金属板的反面相互配合并通过精密激光焊接在一起；第一金属板正面的密封平台区通过热压工艺而与膜电极组件的氢气面形成密封，第二金属板正面的密封槽通过密封圈与膜电极组件的氧气面形成密封。

5.一种冲压成型的质子交换膜燃料电池金属双极板，包括两个结构相同的由金属薄板冲压成型的第二金属板；该第二金属板的左右两端设置有空气出口、空气进口、冷却水进口、 冷却水出口、氢气进口和氢气出口；冷却水进出口处设有冷却水腔；两金属板的正反面流场中间区域均设置有凹凸沟槽构成的流场流道，其中一个第二金属板的正面凹凸沟槽形成阳极流场，另一个第二金属板的正面凹凸沟槽形成阴极流场，两金属板的反面相互配合并通过焊接形成冷却水通道流场；其特征在于：

第二金属板正面设置密封槽，所述密封槽包括该板外围的封闭式凸起与紧邻的内围断续锯齿状凸起结构之间的凹槽、以及封闭式凸起与氢气进出口和冷却水进出口之间的凹槽；

第二金属板在流场流道与各气体进出口之间设置断续转角导流槽，整个板上断续转角导流槽至少设置两组；

第二金属板左右两端的冷却水进出口周边区域设有长条形凹槽，所述的长条形凹槽为：冷却水进口往氢气进口旁的流场流道延伸的区域设有斜向平行的手指状长条形凹槽，冷却水出口往氢气出口旁的流场流道延伸的区域设有不等长的平行排列长条形凹槽。

6.如权利要求5所述的金属双极板，其特征在于所述的断续转角导流槽为：导流槽与导流槽之间的转角角度、以及导流槽与流场流道之间的转角角度均在0°-80°之间。

7.如权利要求5或6所述的金属双极板，其特征在于该两个第二金属板反面相互配合并通过激光焊接构成双极板，两正面均采用密封圈与膜电极组件密封。 

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