空气冷却型燃料电池堆金属双极板制造技术

技术编号:4150222 阅读:186 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
本发明专利技术是对质子交换膜燃料电池金属双极板的改进,其特征是冲压有流场的阴、阳极板背向叠合,周面通过焊接或粘结密封,两极板背合面构成冷却介质通道。使单极板两面流场均得到了利用,增加了冷却介质流道,使得在较低风压下仍可获得较好的冷却效果,能够满足低风压电堆空气冷却要求,不需额外增加冷却流场,提高了电堆的体积功率密度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是对质子交换膜燃料电池金属双极板的改进,尤其涉及一种特 别用于空气冷却型电堆的金属双极板。
技术介绍
质子交换膜燃料电池,单节工作电压仅为0.6 0.7V,要获得有用的电 压,必须将多节单电池串联。连接两相邻单电池隔板称为双极板,双极板 不但需要向电堆内电极提供反应物和在相邻两电极之间传导电流,而且还 担负着排出电池生成水和反应热的作用。良好的双极板必须具有良好的电 导率OlOscm—。、导热系数(^20WcmK:1)和气密性(< l(T4mbar cmY^m—2)。而电池内部为酸性环境,需要有在酸性水气、氧气和热条件 下的耐腐蚀性;同时,为降低电堆成本,提高功率密度,双极板还要求材 料便宜、加工成本低和体积小重量轻的特点。目前,双极板主要有碳/石墨双极板、复合双极板和金属双极板。金属 双极板因具有良好的导电、导热特性、柔韧性和易加工性,已经受到重视 和关注。与石墨和复合材料相比,金属不存在气密性问题,而且金属板即 使制作很薄也可以保证良好的机械强度,因而可以极大降低电堆体积和重 量,同时由于金属具有较高的热导率,电堆内部温度梯度小,也有利于提 高电堆内部温度的均匀性。因此利用金属薄板例如不锈钢板冲压成型制备 双极板,是近年研究热点。然而现有金属双极板,冷却介质流场为多为蛇形流场,例如中国专利 CN 1416184A所述。蛇形流场流体阻力降较大,空气冷却电堆,冷却风压 相对较小,流体阻力降大,则气体流量小,冷却效果不佳,基本不能用于 空气冷却型电堆,所以基本都是用于以水作冷却介质。中国专利CN1787261公开的冲压金属双极板,双极板正反面分别对称 设置有燃料气体通道、氧化剂气体通道、冷却介质通道以及双极板流场区, 其正反面均平行流场。中国专利CN101290994公开的金属双极板,其结构 为在冲有平行流场的金属阳极单极板、金属阴极单极板间设置有水框,水 框内填充有作为排热的水流场拉伸金属网。上述两个专利仅利用了金属板 一侧流道,冷却剂流场需要额外添加,增加了成本,也增加了组装电池有厚度,造成体积功率密度下降。且冷却剂和空气流道采用内共用管道形式, 无法应用于风扇冷却和供气的空冷型电堆。中国专利CN1996647公开的质子交换膜燃料电池薄金属双极板,虽然 在阴、阳极板间省略冷却流场,降低了组装厚度,然而阴、阳极流场只利 用了一侧流道,阴极流场既作为反应气流道也作为冷却气流道,虽然可用 于空气冷却型电堆,但由于共用流场,导致冷却效果不佳。上述不足仍有值得改进的地方。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服上述己有技术的不足,提供一种可以同时利用两 面流道,冷却气体有独立流道,冷却效果好的空气冷却型燃料电池堆金属 双极板。本专利技术目的实现,主要改进是利用冲压有横向贯通的平形流场阴极板 (氧单极板)和蛇形流场或两端汇集的纵向平行流场阳极板(氢单极板),背对 焊接或粘结组成双极板,两片中间通道作为冷却气体流道,从而在不增加 厚度条件下增加了单独冷却介质流道,提高了冷却效果,因而可以适用于 低风压的空气冷却型电堆,实现本专利技术目的。具体说,本专利技术空气冷却型 燃料电池堆金属双极板,包括金属冲压的横向贯通平形流场阴极板,和蛇 形流场或两端汇集平行流场阳极板,其特征在于阴、阳极板流场背向叠合, 周面通过焊接或粘结密封,两极板背合面构成冷却介质通道。本专利技术中冲压金属板基材与现有技术相同,可以是不锈钢、钛材和钛合金、铝 材和铝合金等薄板。基材厚度通常在0.1-lmm左右。单极板流场深度0.1 4跳宽度为0. 1 3mm。极板冲压形成流场的相间凹凸宽度,可以等宽,也可以不等宽,本发 明尤以采用使反应气流场宽度大于冷却介质流场宽度结构为好,有利于提 供足够的反应气体。冲压形成的流场,其凸台可以是连续的,也可以是间断的。其中阴极 板较好采用凸台连续结构的平行流场,有利于冷却介质的快速通过,以提 高冷却效果;阳极板较好采用凸台间断结构,有利于增加封闭流道中的反 应面积。阴极板和阳极板背向叠合, 一种更好为使两个流场极板上的流道方向 正交,即阴单极板流道方向与阳单极板流道方向垂直,此结构形成的空气流道短,有利于冷却空气的快速通过,有利于提高冷却效果。此外,为减小金属板接触电阻和提高电池环境下的耐腐蚀性能,单极 板在冲压成型后,可以采用表面处理方式,进行良电导和耐腐涂层处理, 例如化学镀、电镀和PVD、离子注入等技术,在表面镀履有改性层,例如贵金属、氮化钛或碳化钛、镍铜磷、CrxN层等。本专利技术空气冷却型燃料电池堆金属双极板,由于采用冲压流道的两片 极板背向结合,背向空间通道构成冷却介质流场通道,使单极板两面流场 均得到了利用,增加了冷却介质流道,使得在较低风压下仍可获得较好的 冷却效果,能够满足低风压电堆空气冷却要求。虽然氢气侧冷却流道不连 通,但电堆内部存在温度梯度,可以形成自然对流,封闭流场冷却介质仍 能因温差流动,因此也具有一定散热效果。阴单极板采用冲压横向贯通平 形流场,流道长度短,流道阻力小;阳极板蛇形流场或两端汇集纵向平行 流场凸台间断结构,增加了氢气反应面积,有利于提高电池性能。阴单极 板流道方向与阳单极板流道方向垂直,冷却流道短,有利于提高冷却效果。 两个极板单片分别压制组合,氢、氧单极板流场可以根据需要分别优化, 更有利于电堆流场结构的优化。不需额处增加冷却流场,提高了电堆的体 积功率密度。以下结合二个示例性实施例,示例性说明及帮助进一步理解本专利技术, 但实施例具体细节仅是为了说明本专利技术,并不代表本专利技术构思下全部技术 方案,因此不应理解为对本专利技术总的技术方案的限定, 一些在技术人员看 来,不偏离本专利技术构思的非实质性增加和/或改动,例如以具有相同或相似 技术效果的技术特征简单改变或替换,均属本专利技术保护范围。 附图说明图1为凸台连续阳极板正面结构示意图。 图2为图1A—A剖面结构示意图。 图3为凸台连续阴极板正面结构示意图。 图4为图3A—A剖面结构示意图。图5-1为凸台连续双极板组合结构剖面示意图(图1B-B位置)。图5-2为凸台连续双极板组合结构剖面示意图(图1C-C位置)。图6为凸台间断阳极板正面结构示意图。图7为图6A—A剖面结构示意图。图8为凸台间断阴极板正面结构示意图。图9为图8A—A剖面结构示意图。图10为凸台连续阴极板与凸台间断阳极板组装结构示意图。 具体实施例方式实施例l:参见图1-5,将双极板用0.1mm不锈钢薄板,分别冲压有等 宽凸台连续的平行流场阴极板1,流场深度lmm,宽度lmm,与等宽凸台连 续的蛇形流场阳极板2 (深度、宽度同前),分别通过电镀方法进行表面镀 银,将两者流场背向焊接组合。区域A构成反应空气流道,区域B构成氢 气流道,区域C和D构成冷却空气流道。实施例2:参见图3、 4、 6、 7、 10,将双极板用不锈钢薄板,分别冲 压有等宽凸台连续的平行流场阴极板1,与等宽凸台间断的蛇形流场阳极板 4,分别通过PVD方法在表面形成氮化钛层,将两者流场背向焊接组合。 区域E构成反应空气流道,区域F构成氢气流道,区域G和H构成冷却空 气流道。此外,阴单极板也可以冲压成凸台间断结构(图8、 9),与凸台间断 的蛇形流场阳极板4,背向焊接组合。虽然其冷却流道不连续,但增加了反 本文档来自技高网
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【技术保护点】
空气冷却型燃料电池堆金属双极板,包括金属冲压的横向贯通平形流场阴极板,和蛇形流场或两端汇集平行流场阳极板,其特征在于阴、阳极板流场背向叠合,周面通过焊接或粘结密封,两极板背合面构成冷却介质通道。

【技术特征摘要】
1、空气冷却型燃料电池堆金属双极板,包括金属冲压的横向贯通平形流场阴极板,和蛇形流场或两端汇集平行流场阳极板,其特征在于阴、阳极板流场背向叠合,周面通过焊接或粘结密封,两极板背合面构成冷却介质通道。2、 根据权利要求1所述空气冷却型燃料电池堆金属双极板,其特征在于 单极板流场深度0.1 4mm,宽度为0. 1 3腿。3、 根据权利要求1或2所述空气冷却型燃料电池堆金属双极板,其特征 在于极板上反应流场宽度大于冷却介质流场宽度。4、 根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员:孙佰文钊文科祝宝华孟祥伟朱帅飞吕露谈一波
申请(专利权)人:江苏新源动力有限公司
类型:发明
国别省市:32[中国|江苏]

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