一种具有新型流场的燃料电池双极板及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有新型流场的燃料电池双极板及其制备方法，涉及燃料电池技术领域。本发明专利技术双极板包括氢极板和氧极板，所述氢极板一侧为氢气侧、另一侧为冷却水侧，所述氧极板一侧为空气侧、另一侧为水侧；所述冷却水侧和水侧相对设置，冷却水侧和水侧构成冷却水腔；所述氢极板表面流动氢气，所述氧极板表面流动空气，所述氢气与空气的流动方向相反。所述氢气与空气的流动方向相反。所述氢气与空气的流动方向相反。

【技术实现步骤摘要】
一种具有新型流场的燃料电池双极板及其制备方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，具体涉及一种具有新型流场的燃料电池双极板及其制备方法。

技术介绍

[0002]燃料电池系统，由于具有燃料利用率高、无污染、容量可根据需要而定等多种优势，成为研究热点之一。而其中的质子交换膜燃料电池系统具有高功率密度、高效环保及良好的启动循环性能等优势，目前在车载应用端，已经进入产业化发展和应用阶段。质子交换膜燃料电池系统由电堆和辅助系统构成。电堆将燃料和氧化剂中的化学能高效的转换为电能，是质子交换膜燃料电池系统中的核心组成部分。电堆一般分为石墨堆和金属堆两大类。
[0003]金属双极板已逐渐代替石墨双极板成为燃料电池双极板的主流材料。SUS316L不锈钢是最早用于双极板的金属材料，但是存在以下缺点：(1)密度高，大幅度降低了电堆的质量功率密度；(2)在电堆的运行过程中，不锈钢双极板腐蚀会释放Cr、Fe、Ni和Mo等重金属离子，严重降低电堆的输出功率和使用寿命；(3)在双极板的生产流程中，表面通常会形成钝化层，降低材料导电性，钝化层耐化学腐蚀性依然比较差。行业内普遍做法是以SUS316L不锈钢为基底材料，用“多弧离子镀技术”对基底材料进行表面处理以形成铬碳混合镀层。但主要存在以下问题：(1)预先进行表面处理得到的混合镀层与基底材料结合力偏低，冲压成型时，混合镀层必然会大面积脱落；(2)冲压成型后进行表面处理形成钝化层，降低单极板的导电性；(3)焊接密封后进行表面处理，一方面混合镀层无法在冷却水腔沉积，无法保证双极板冷却水腔的耐腐蚀性(车用乙二醇冷却液具有一定的腐蚀性)；另一方面混合镀层在燃料电池工作环境的使用寿命偏低。
[0004]焊接密封的主要作用是氢气、空气、冷却水的流体引导和电子传递，传统方法的激光焊接工序一般是在氢极板的氢气侧中央区域进行操作，这必然造成“先焊接密封双极板，后与膜电极进行堆叠”的装堆工序。由于冷却水腔的存在，在组装电堆时，双极板与膜电极之间已经无法采用“胶粘”的方式来封装，只能采用简单接触的胶线来实现双极板与膜电极的密封。由于仅依靠胶线的弹性力来维持，使得电堆的密封可靠性下降。随着电堆运行，胶线存在“永久压缩变形”和“老化失效”等密封性能退化的劣势，已不能满足车载动力系统的使用要求。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种具有新型流场的燃料电池双极板及其制备方法，解决以下技术问题：
[0006]现有的金属材料双极板在燃料电池运行条件下散热性能差、气体利用率低以及生成水的排出困难。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
[0008]一种燃料电池双极板，所述双极板包括氢极板和氧极板，所述氢极板一侧为氢气
侧、另一侧为冷却水侧，所述氧极板一侧为空气侧、另一侧为水侧；所述冷却水侧和水侧相对设置，冷却水侧和水侧构成冷却水腔；所述氢极板表面流动氢气，所述氧极板表面流动空气，所述氢气与空气的流动方向相反。
[0009]作为本专利技术的进一步方案：所述氢极板表面设置有氢气入口区、氢气分配区、氢气反应区、氢气汇合区、氢气出口区，所述氧极板表面设置有空气入口区、空气分配区、空气反应区、空气汇合区、空气出口区；氢气依次在氢极板表面的氢气入口区、氢气分配区、氢气反应区、氢气汇合区、氢气出口区流动，空气依次在氧极板表面的空气入口区、空气分配区、空气反应区、空气汇合区、空气出口区流动。
[0010]作为本专利技术的进一步方案：所述冷却水腔表面设置有冷却水入口区和冷却水出口区，冷却水通过冷却水入口区流入冷却水腔、并通过冷却水出口区流出冷却水腔；所述冷却水的流动方向与空气的流动方向相同。
[0011]作为本专利技术的进一步方案：所述氢气分配区、氢气汇合区、空气分配区、空气汇合区均为点状过渡流场结构，所述点状过渡流场结构为等间距分布的水平直线和等间距分布的垂直直线构成，所述水平直线和所述垂直直线的交点位置设置有圆柱形结构。
[0012]作为本专利技术的进一步方案：所述空气反应区为直通交叉变径流场结构，所述直通交叉变径流场结构为多个流道径向排列得到，所述流道包括常规结构和变径结构，所述常规结构和变径结构间隔连通设置。
[0013]作为本专利技术的进一步方案：所述氢气反应区为波纹恒定截面结构，所述波纹恒定截面结构为多个波纹状流道径向排列得到。
[0014]作为本专利技术的进一步方案：所述氢极板和氧基板均以钛合金材料作为基底材料，基底材料表面通过物理气相沉积法沉积有氮化钛镀层。
[0015]作为本专利技术的进一步方案：所述氮化钛镀层厚度50
‑
100nm。
[0016]作为本专利技术的进一步方案：所述物理气相沉积包括如下步骤：利用高真空磁控溅射系统，以钛合金作为基底材料，溅射靶材为“高纯Ti(99.999％)”。反应气体为N2，溅射气体为Ar，直流溅射电流为3A，基材偏压为150V，基材温度为200℃，靶基距离为70mm，氮化钛镀层成分摩尔比为n(钛)：n(氮)＝1：1，气体分压比设置为P(N2)：P(Ar)＝0.2：1。总沉积气体压强设置为P(N2)+P(Ar)＝3Pa。
[0017]一种燃料电池双极板的制备方法,包括如下步骤：
[0018]S1：基底材料表面处理，得到镀层片材；
[0019]S2：将镀层片材冲压裁切成型，分别得到氢极板、氧极板；
[0020]S3：将氢极板和氧极板连接，得到双极板。
[0021]作为本专利技术的进一步方案：氢极板和氧极板之间通过橡胶和激光焊接进行连接，所述橡胶对冷取水侧和水侧进行密封得到冷却水腔，所述激光焊接对氢极板和氧极板进行电子导通。
[0022]本专利技术的有益效果：
[0023](1)本申请采用钛合金(Ti
‑
6Al
‑
4V)材料作为基底材料、采用氮化钛(TiN)作为保护镀层，并预先对基底材料进行表面处理，使镀层完全覆盖在基底材料的表面上。钛合金材料4.43g/cm3，抗拉强度900MPa，可提升燃料电池电堆的机械强度同时降低其重量。氮化钛镀层的氮化钛晶体中同时存在共价键、离子键和金属键，具有化学稳定性好、导电性好、导
热性能好以及机械强度高的优点。本专利技术预先对钛合金基底材料进行表面处理，可使“氢极板的氢气侧、氢极板的冷却水侧、氧极板的空气侧、氧极板的冷却水侧”这四个面同时被保护镀层包裹，避免这四个面的基底材料与外界环境直接接触。避免基底材料产生钝化膜或者被化学腐蚀，降低电堆的欧姆损耗。本专利技术制备的金属双极板，其钛合金基底材料与氮化钛保护镀层之间的结合力非常好，能承受冲压过程的挤压力而不脱落。
[0024](2)本专利技术制备的氢极板和氧极板外形轮廓呈矩形。“氢气出入口、空气出入口、冷却水出入口”布置在矩形的两个短边，有利于提升氢气的反应利用率、空气的反应利用率和冷却水的散热效果。本专利技术采用“氢气的流动方向与空气的流动方向相反”的逆向流动方式，相比于氢气空气的同向流动或者氢气空气的垂直流动，逆向流动的湿度分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有新型流场的燃料电池双极板，其特征在于，所述双极板包括氢极板和氧极板，所述氢极板一侧为氢气侧、另一侧为冷却水侧，所述氧极板一侧为空气侧、另一侧为水侧；所述冷却水侧和水侧相对设置，冷却水侧和水侧构成冷却水腔；所述氢极板表面流动氢气，所述氧极板表面流动空气，所述氢气与空气的流动方向相反。2.根据权利要求1所述的一种具有新型流场的燃料电池双极板,其特征在于，所述氢极板表面设置有氢气入口区(1)、氢气分配区(2)、氢气反应区(3)、氢气汇合区(4)、氢气出口区(5)，所述氧极板表面设置有空气入口区(6)、空气分配区(7)、空气反应区(8)、空气汇合区(9)、空气出口区(10)；氢气依次在氢极板表面的氢气入口区(1)、氢气分配区(2)、氢气反应区(3)、氢气汇合区(4)、氢气出口区(5)流动，空气依次在氧极板表面的空气入口区(6)、空气分配区(7)、空气反应区(8)、空气汇合区(9)、空气出口区(10)流动。3.根据权利要求1所述的一种具有新型流场的燃料电池双极板,其特征在于，所述冷却水腔表面设置有冷却水入口区(11)和冷却水出口区(12)，冷却水通过冷却水入口区(11)流入冷却水腔、并通过冷却水出口区(12)流出冷却水腔；所述冷却水的流动方向与空气的流动方向相同。4.根据权利要求2所述的一种具有新型流场的燃料电池双极板,其特征在于，所述氢气分配区(2)、氢气汇合区(4)、空气分配区(7)、空气汇合区(9)均为点状过渡流场结构，所述点状过渡流场结构为等间距分布的水平直线和...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞庆阳，周文增，霍亮，潘永志，汤飞，贾建阔，王朝云，
申请(专利权)人：安徽明天新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：