空气冷却型燃料电池堆金属双极板制造技术

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...

【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]