一种一板三场式超薄燃料电池双极板及燃料电池堆制造技术

本发明专利技术涉及一种一板三场式超薄燃料电池双极板及燃料电池堆，所述的双极板包括流场板，所述的流场板一侧为阳极侧，另一侧为阴极侧；所述的流场板上阳极侧设置燃料气体流道和冷却液流道；所述的流场板上阴极侧设置氧化气体流道；所述的双极板还包括置于流场板阳极侧用于将位于活性区的冷却液流道与燃料气体流道分隔开的盖板；所述的流场板阳极侧用于与阳极密封件以及所述的盖板紧密配合形成燃料气体流场和冷却液流场；所述的流场板阴极侧用于与阴极密封件紧密配合形成氧化气体流场。与现有技术相比，本发明专利技术将三种流场集中于一块板上，能大大减小双极板厚度，进而使电堆的体积得以大大缩小，提升电堆体积比功率密度。

【技术实现步骤摘要】
一种一板三场式超薄燃料电池双极板及燃料电池堆
本专利技术属于燃料电池
，尤其是涉及一种一板三场式超薄燃料电池双极板及燃料电池堆。
技术介绍
质子交换膜燃料电池(PEMFC)以清洁能源氢气作为燃料，具有高转化效率、反应产物无污染的特点，是一种理想的交通领域用新能源载体。然而，由于目前燃料电池还存在一定的技术瓶颈(比如功率密度不足、寿命不够高等)使得燃料电池堆的使用成本居高不下。在燃料电池汽车商业化的早期，可实现定点加注、适于远距离运输的燃料电池重卡、集装箱物流车、机车和船舶等日益受到重视；这就对具备大的发电功率、高效的能量转化效率的燃料电池堆的设计、开发和加工制造提出了迫切需求。目前国内交通领域用燃料电池处于小规模应用阶段，商业化推广才刚起步。由于燃料电池的体积比功率密度不够高，为了节约汽车上本就有限的空间，汽车厂配置的电堆目前主要以30-60kW的功率等级为主，必须辅以较大功率的锂离子电池等提供动力系统大功率做功时所需的能量。这类燃料电池堆主要面向市内交通用大巴、公司通勤小巴和轻型物流车等应用市场，这也是国内目前政府主导的燃料电池汽车主攻的市场之一。如果像丰田、本田和现代等汽车厂一样，采用大功率燃料电池装配到空间更为局促的乘用车上，同时又要做到成本可控，那就必须提高电堆的体积比功率密度，即在提升核心发电单元-膜电极(MEA)的发电性能的同时，大幅降低电堆中占据重量和体积之大部件的主体单元-双极板的体积。因此，在电堆发电性能和寿命不受影响的条件下，有效降低双极板的厚度，将是提升电堆体积比功率密度的最佳方法之一。体积比功率密度是彰显电堆技术含量的关键指标。目前国外丰田、本田和现代等汽车厂商的乘用车的体积比功率密度均已达到3.1kW/L的水平，具备了一定的商业价值。而要达到跟传统内燃机相媲美的6.0kW/L的水平，燃料电池的性能上升和体积下降方面的工作丝毫不能停顿。只有这样，燃料电池才能真正在功率密度、单位功率成本等方面具备竞争优势。现有专利中，有大量关于石墨、金属制备燃料电池双极板的专利。但在涉及超薄金属板的电堆方面则专利较少。其中，国内外专利多是关于金属板制备、表面处理、密封技术等方面的。CN209016193专利技术了一种金属材料+非金属材料的混合双极板。它由一块冲压成形的阳极半板嵌套于一块预成形的阴极半板构成。其中，阳极半板为金属板，阴板半板为非金属材料。该专利技术中，阴极半板减薄后极易漏气，可通过金属半板起到阻气的作用，防止阴阳极反应气互窜。两个半板嵌套设计和金属板阻气作用下，该结构起到了减少电堆体积的作用。但该设计较为复杂，且两种非同种的材质之间的结合容易产生界面电阻增大、应力不均影响非金属材料机械强度等问题。CN201911301960.0提供了一种超薄碳/碳复合材料双极板的制备方法，其以超细碳纤维网胎作为基材，通过热浸和化学气相渗透法工艺，将复合的高残炭浆料注入基材之中，再经对辊粗轧、精轧、印花和修边等步骤，最终获得了低成本超薄高强高电导C/C复合材料双极板。该双极板厚度达0.16mm(无流道)，弯曲强度超过150MPa，体电导达到300S/cm。CN201910260443.7提供了一种钒电池用超薄双极板及其制备方法。该专利技术以树脂材料薄膜为基材，将以导电功能材料制成的溶液喷涂至基材的双侧表面，再经热压工艺固化，并制备出流道。制得的双极板的厚度可以达到30-1000μm，纵向电导率大于80S/cm，柔韧性也很好。基材薄膜为15-115μm厚的聚乙烯、聚丙烯或聚苯乙烯材料，这类材料绝缘性高，是一个制约电导率的因素。CN201710931665.8也是采用跟CN201910260443.7类似的工艺进行超薄双极板的制备。不过基材板采用的是20-400μm厚的金属，如不锈钢箔、金箔、银箔、铜箔和钛箔等。在金属基材上通过丝网印刷工艺涂覆上聚合物基导电胶层，形成超细流道流场。双极板总厚度可降低至400μm，导电涂层的厚度可达100μm，流道脊宽100μm，槽宽50μm。上述专利技术的超薄双极板都是从材料角度减少双极板的厚度，都没有离开非金属材料的应用。然而，由于机械强度的需求，通过采用非金属材料的应用达到降低双极板的厚度，将影响其抗振、抗弯性能和气密性，甚至牺牲电导率、导热系数，这是得不偿失的。此外，流场的功能是传输阴阳剂反应剂和冷却水，以满足其正常发电尤其是大电流发电时对流体的需求，流体的槽深也不能过浅，这也限制了双极板的进一步减薄。CN112164810公开了一种燃料电池超薄双极板及燃料电池堆，燃料气体流道包括至少两种不同槽深的沟槽，氧化气体流道包括至少一种槽深的沟槽，阳极板和阴极板的背面相互扣合时燃料气体流道的沟槽与所述的氧化气体流道的沟槽完全错开形成牙嵌式组合，阳极板和阴极板的背面通过分散的导电支撑点形成电接触，两者不相接触的位置形成冷却液流动的空腔，所述的空腔形成不同槽深的冷却液流道，由此，减少双极板总厚度，进而使得采用该双极板制作的燃料电池的体积比功率密度大大提升，然而此设计仍然是采用传统的两块流场板构成双极板的设计理念，双极板厚度减小有限，两张分别带流道的流场板组合难度高。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的双极板厚度减小有限，两张分别带流道的流场板组合难度高的缺陷而提供一种一板三场式超薄燃料电池双极板及燃料电池堆。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种一板三场式超薄燃料电池双极板，所述的双极板包括流场板，所述的流场板一侧为阳极侧，另一侧为阴极侧；双极板包括流场板，所述的流场板一侧为阳极侧，另一侧为阴极侧；所述的流场板上阳极侧设置燃料气体流道和冷却液流道；所述的流场板上阴极侧设置氧化气体流道；所述的双极板还包括置于流场板阳极侧用于将位于活性区的冷却液流道与燃料气体流道分隔开的盖板；所述的流场板阳极侧用于与阳极密封件以及所述的盖板紧密配合形成燃料气体流场和冷却液流场；所述的流场板阴极侧用于与阴极密封件紧密配合形成氧化气体流场。优选地，所述的燃料气体流道和冷却液流道均分别平行设置多条，且燃料气体流道和冷却液流道间隔设置。优选地，所述的燃料气体流道和冷却液流道的进口和出口分别位于流场板的同一对角上，且燃料气体与冷却液流向相反。优选地，所述的燃料气体流道和冷却液流道均分别包括进口区流道、出口区流道和活性区流道，所述的活性区流道位于燃料电池活性区，所述的进口区流道、出口区流道分别位于活性区流道两端且连通相应的进口和出口。优选地，所述的进口区流道和出口区流道中与活性区流道临近区域设置有一段波浪状的流道。优选地，所述的氧化气体流道平行设置多条，且位于燃料电池活性区，氧化气体流道平行于燃料气体流道和冷却液流道。优选地，所述的氧化气体流道的进口和出口分别位于流场板的两侧，且位于燃料电池活性区，氧化气体与冷却液流向相同。优选地，所述的盖板为两头连接的隔栅状结构，其位于燃料气体流道位置处设有用于燃料气体通过的镂空。优选地，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种一板三场式超薄燃料电池双极板，其特征在于，所述的双极板(4)包括流场板(4-1)，所述的流场板(4-1)一侧为阳极侧，另一侧为阴极侧；/n所述的流场板(4-1)上阳极侧设置燃料气体流道(28)和冷却液流道(29)；/n所述的流场板(4-1)上阴极侧设置氧化气体流道(27)；/n所述的双极板(4)还包括置于流场板(4-1)阳极侧用于将位于活性区的冷却液流道(29)与燃料气体流道(28)分隔开的盖板(4-2)；/n所述的流场板(4-1)阳极侧用于与阳极密封件(3)以及所述的盖板(4-2)紧密配合形成燃料气体流场和冷却液流场；/n所述的流场板(4-1)阴极侧用于与阴极密封件(2)紧密配合形成氧化气体流场。/n

【技术特征摘要】
1.一种一板三场式超薄燃料电池双极板，其特征在于，所述的双极板(4)包括流场板(4-1)，所述的流场板(4-1)一侧为阳极侧，另一侧为阴极侧；
所述的流场板(4-1)上阳极侧设置燃料气体流道(28)和冷却液流道(29)；
所述的流场板(4-1)上阴极侧设置氧化气体流道(27)；
所述的双极板(4)还包括置于流场板(4-1)阳极侧用于将位于活性区的冷却液流道(29)与燃料气体流道(28)分隔开的盖板(4-2)；
所述的流场板(4-1)阳极侧用于与阳极密封件(3)以及所述的盖板(4-2)紧密配合形成燃料气体流场和冷却液流场；
所述的流场板(4-1)阴极侧用于与阴极密封件(2)紧密配合形成氧化气体流场。


2.根据权利要求1所述的一种一板三场式超薄燃料电池双极板，其特征在于，所述的燃料气体流道(28)和冷却液流道(29)均分别平行设置多条，且燃料气体流道(28)和冷却液流道(29)间隔设置。


3.根据权利要求2所述的一种一板三场式超薄燃料电池双极板，其特征在于，所述的燃料气体流道(28)和冷却液流道(29)的进口和出口分别位于流场板(4-1)的同一对角上，且燃料气体与冷却液流向相反。


4.根据权利要求3所述的一种一板三场式超薄燃料电池双极板，其特征在于，所述的燃料气体流道(28)和冷却液流道(29)均分别包括进口区流道、出口区流道和活性区流道，所述的活性区流道位于燃料电池活性区，所述的进口区流道、出口区流道分别位于活性区流道两端且连通相应的进口和出口。


5.根据权利要求4所述的一种一板三场式超薄燃料电池双极板，其特征在于，所述的进口区流道和出口区流道中与...

【专利技术属性】
技术研发人员：明平文，杨代军，李冰，张存满，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31