一种燃料电池制造技术

本发明专利技术涉及一种燃料电池，至少包括膜电极和金属双极板，金属双极板由单层金属薄板冲压形成的阴极板(1)和阳极板(3)，其特征在于，所述阴极板和阳极板的背靠背紧贴组装，所述阴极板和阳极板的周边由于凸脊和凹槽的设计形成导流场周边的边框空腔结构，所述边框状空腔的厚度与所述冷却液流道(17)的厚度相同。本发明专利技术通过边框空腔厚度相等的设置，消除了燃料电池在组装时就由于厚度差导致装配不平的缺陷。在组装时就由于厚度差导致装配不平的缺陷。在组装时就由于厚度差导致装配不平的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池
[0001]本专利技术是申请日为2018年12月29日，申请名称为一种燃料电池金属双极板，申请号为201811639845.X，申请类型为专利技术的专利技术专利的分案申请。


[0002]本专利技术涉及燃料电池
，尤其涉及一种燃料电池。

技术介绍

[0003]燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。燃料电池通常由多个电池单元构成，每个电池单元包括两个电极(阳极和阴极)，该两个电极被电解质元件隔开，并且彼此串联地组装，形成燃料电池堆。通过给每个电极供给适当的反应物，即给一个电极供给燃料而另一个供给氧化剂，实现电化学反应，从而在电极之间形成电位差，并且因此产生电能。
[0004]为了给每个电极供给反应物，使用通常称为“双极板”并且设置在每个单个电池的两侧的特定界面元件。这些双极板通常是邻近阳极或阴极支撑体放置的单个元件的形式。双极板是燃料电池组的重要元件。燃料电池堆在运行过程中，双极板执行如下功能以维持燃料电池堆的最佳工作状态以及使用寿命：(1)电池导电体，极板两侧分别形成阴极阳极，将一个个电池单元串联以组成燃料电池堆；(2)通过流道向电极提供反应气(传质)；(3)协调水与热的管理，防止冷却介质及反应气体外漏；(4)向膜电极组件(MEA)提供结构强度支持。
[0005]金属双极板由两块厚度为0.07mm～0.7mm的冲压成型的阴阳极单板经焊接或粘结而成。阴极单板有氢气、空气、冷却液出入口，凹槽型氧气流道；阳极单板有氢气、空气、冷却液出入口，凹槽型氢气流道；由于单板很薄，采用激光焊接时，需要将两个单板严格重叠压合，由于单板上设有很多的槽和孔，导致压合难度大，焊接难度更大，很容易受到冲压成型和焊接的残余应力的影响，造成翘曲变行，降低双极板的平整度；采用粘结方式，对黏胶的要求很高，因为燃料电池在运行过程中会有一定的温度，而金属板在热胀冷缩的过程中，普通的黏胶容易断裂。
[0006]这些会产生以下问题：1)膜电极与双极板的接触电阻，2)表面镀膜的机械稳定，进而影响电堆的性能与寿命。尤其是大面积双极板，在后续的工艺中，例如表面处理，组装，若双极板的强度不够，同样容易扭曲变形。
[0007]中国专利CN104701550A公开了一种燃料电池金属双极板，金属双极板包括氢气极板和氧气或空气极板。电池密封采用硅橡胶等密封材料。在介质进出口处采用一定设计，使背面组合后能为冷却剂提供流场。由于冷却剂没有独立的极板流场，冷却剂只能在两张极板组合后形成的空隙中进出流场。即冷却剂只能在气体介质极板组合后形成的空腔内进出流场。空腔相当于冷却液流道。该专利技术的图1中，氢气极板和空气极板的边缘部分的弯折深度小于留到部分的弯折深度。在氢气极板1和空气极板以槽对槽的方式组合后，两个极板的边缘部分形成的边框空腔的厚度小于冷却液空腔的厚度。明显地，该专利技术的极板的密封部
分与相邻的冷却液空腔存在弯折的“阶梯”。存在弯折的“阶梯”使得两个双极板的压合难度明显增加。该专利技术的缺陷在于：
[0008](1)在两个极板的边缘通过硅橡胶密封时，密封部位是需要承受较大压力才能使得黏胶粘贴，阶梯的存在压合机构无法对阶梯的夹角部位有效用力，使得与冷却液空腔相邻的密封部位受力较小，密封不牢固。
[0009](2)当双极板在组合时，槽的部位也需要承受压合压力才能实现脊对脊的紧密贴合。由于边框空腔与冷却液空腔的厚度差存在，流道区域不能够与边框密封部位同时压合，必须分别压合，这就容易导致本身容易弯曲的金属双极板的受力不均匀，降低了双极板压合的效率；例如，对流道区域进行压合，边缘空腔部位容易扩张；在对边缘空腔部位进行压合时，中央的流道区域容易由于边缘受力而再次分开。不仅如此，在槽体部位单独压合时，阶梯结构使得与密封部位相邻的槽体更容易变形。
[0010](3)金属双极板的厚度为0.07mm～0.7mm，属于薄的容易变形的金属板。由于两个极板的边缘部分形成的边框空腔的厚度小于冷却液流道空腔的厚度，边缘空腔的密封部位处于悬空状态，相当于在单面受力时另一面没有支撑。而且，边框空腔内使用的是容易形变的硅橡胶粘贴。在边缘的密封部位单面受力时，任意形变的硅橡胶不能够为边缘部位提供有力的支撑，边缘的密封部位更容易变形且破坏密封性。不仅如此，燃料电池在运行过程中会有一定的温度，金属板在热胀冷缩的过程中，普通的黏胶容易断裂。
[0011](4)该专利技术的附图1不能够使用焊接来进行密封。由于金属双极板薄，采用激光焊接时，需要将两个单板严格重叠压合。边缘空腔的密封部位处于悬空状态，导致压合难度大，焊接难度更大，很容易受到冲压成型和焊接的残余应力的影响造成翘曲变行，降低双极板的平整度。这也是该专利技术不适用焊接只能选择硅橡胶密封粘贴的根本原因。

技术实现思路

[0012]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种接触电阻小、导电良好、加工方便、组装容易的燃料电池金属双极板。
[0013]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池金属双极板，其特征在于，包括由单层金属薄板冲压形成的阴极板和阳极板，所述的阴极板正面经冲压成的凹槽构成了氧化剂流道，相邻凹槽间凸起的部分形成氧化剂流道壁，所述的阳极板正面经冲压成的凹槽构成了燃料流道，相邻凹槽间凸起的部分形成燃料流道壁，所述的阳极板和阴极板正面凸起部分背面形成了凹槽，所述的阴极板和阳极板的背靠背紧贴组装，两块板背面凹槽和背面凸脊的宽窄、深度和走向经设计直接构成了冷却液流道，所述的阴极板和阳极板经夹设在两块板之间边框处的衬垫框和两块板之间贴合处连接分布点阵贴合背靠背紧贴组装后，背面耦合形成了槽对槽或槽对脊的冷却液流道，形成由两个单层薄板构成三个流道的双极板。即在单层金属薄板上设计正面氧化剂流道或燃料流道的同时就需要考虑背面的冷却流道的设计，在单层金属薄板正面冲压出一条条平行凸起，相邻凸起之间的凹槽作为流道，且正面为凸起，对应的反面就为凹槽，阴极板和阳极板正面凹槽分别作为氧化剂流道和燃料流道，正面凸起(即脊)对应的背面为凹槽，两块板背面凹槽处相对，凹槽开口处对接形成冷却液流道，而正面为凹槽处对应的背面为凸起(即脊)，两块板背面凸起(即脊)处贴合在一起进行粘结或焊接。在所述的阴极板和阳极板上流体进出口、流道拐弯或交
错的区域背面很可能会形成大片脊对脊的情况，导致冷却液流道堵塞，因此，在设计正面流道时必须考虑到背面流道问题，两块板背对背结合时至少有一个面(阴极板背面或阳极板背面)为凹槽结构，保证整个冷却液流道的畅通，也就是说在这些区域，脊或槽的宽度不等，为避免堵塞冷却液流道，可以将其中至少一个面的槽宽或脊宽拉长。
[0014]所述的阴极板背面和阳极板背面是背靠背紧贴组装，该紧贴组装可以是分布点阵粘接，也可以是分布点阵焊接，两个板背面由于正面凸起形成的凹槽相对组合为一体，共同组成整体冷却液流道；两个板背面的冷却液流道壁顶部面积对应贴合并背靠背紧贴组装，可以有效降低两个板之间的接触电阻，形成由两个单层薄板构成三个流道的紧凑结构的良好导电的双极板。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池，至少包括膜电极和金属双极板，金属双极板包括由单层金属薄板冲压形成的阴极板(1)和阳极板(3)，其特征在于，所述阴极板和阳极板的背靠背紧贴组装，所述阴极板和阳极板的周边由于凸脊和凹槽的设计形成导流场周边的边框空腔结构，所述边框状空腔的厚度与所述冷却液流道(17)的厚度相同。2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述膜电极两侧设有连接边框，所述连接边框的厚度小于膜电极中间的厚度，所述阴极板(1)正面密封区设有密封垫a(7)，所述阳极板(3)正面密封区设有密封垫b(8)，膜电极与其两侧的连接边框的厚度差分别与所述密封垫a(7)或所述密封垫b(8)的厚度相同。3.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于，所述阴极板和阳极板经夹设在两块板之间边框处的衬垫框背靠背紧贴组装，所述衬垫框仅填充在两板冲压后产生的导流场周边的边框空腔内。4.根据权利要求1～3任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述衬垫框两侧通过胶黏剂胶黏的方式或焊接的方式将阴极板(1)和阳极板(3)密封连接成双极板。5.根据权利要求1～4任一项所述的燃料电池，其特征在于，在所述衬垫框(2)上冷却液进出口内侧的冷却液引流槽(5)由与衬垫框厚度相当的波纹板(23)构成。6.根据权利要求1～...

【专利技术属性】
技术研发人员：高勇，郑勤勇，
申请(专利权)人：上海恒劲动力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：