技术领域
[0001] 本
发明涉及
质子交换膜燃料电池的双极板结构改进技术，属于IPC分类H01M 用于直接转变
化学能为
电能的方法或装置或
电池组技术领域，尤其是质子交换膜燃料电池免粘焊密封结构的金属双极板。
背景技术
[0002] 质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将燃料和
氧化剂中的化学能直接转化为电能的电化学转换装置，质子交换膜燃料电池
阳极通入燃料为氢气，
阴极通入空气，空气中的氧气作为阴极的反应气体。PEMFC主要构成核心部件除了膜
电极以外，双极板同样是 PEMFC重要核心部件，是构成PEMFC电池体积和重量的主要部分，它具有独特的阻气、收集
电流、分配气体重要作用。燃料电池结构和工作主要有三种物质流，分别是电池的阴阳极物质流和冷却物质流，阴极物质一般是氧气或含氧的空气等，阳极物质一般是氢气或含惰性气体的氢气，冷却物质一般是
水，有的小功率电池仅有阴阳极，调节燃料电池
温度主要依靠阴阳极物质流动和环境。三种物质流在双极板上分别在三个互为密封的腔室流动，并且是在特定设计的流场内流动。三种物质流入双极板的流动方向根据具体的设计确定，一般设计阴阳极互为逆向流动。质子交换膜燃料电池双极板主要有三个功能，即导电、导热和提供化学反应环境。提供化学反应环境就要管理化学反应，包括冷却剂、反应物和生成物的物料平衡及
能量效率。
[0003] 质子交换膜燃料电池双极板由阴极板、阳极板组成，双极板与膜电极装置组合，在双极板和膜电极之间形成阴极腔和阳极腔，阴极板和阳极板或叠合形成冷却剂腔。双极板公用管道包括反应物的进出口公用管道、生成物的进出口公用管道和冷却剂的进出口公用管道，双极板
流体通道包括公用管道进出燃料电池活性区流场的管道。质子交换膜燃料电池是单节或多节双极板和膜电极组合而成，在阴极腔通入氧气或空气，在阳极腔通入氢气，在膜电极上发生燃料电池反应，输出电能，在冷却剂腔通入水，对电池进行
热管理。阴极腔、阳极腔和/或冷却剂腔均有相应物料的进出口公用管道，以及从公用管道进出各腔的通道。公用管道和通道的结构和截面设计影响燃料电池的物料
流动阻力和阻力分配，设计合理将能发挥燃料电池的性能和效率。
[0004] 质子交换膜燃料电池双极板由阴极板和阳极板组成，阴极板、阳极板和膜电极通过
密封圈密封，阴极板与膜电极之间的空腔为阴极腔，阳极板与膜电极之间的空腔为阳极腔。大功率质子交换膜燃料电池需要冷却剂腔调节电池温度，冷却剂腔一般流动的是水或防冻液水溶液。关于双极板叠合固定工艺技术的
专利文献公开较少。
[0005] 中国专利
申请01118343.8质子交换膜燃料电池双极板制作方法属于燃料电池的制造技术。包括以下步骤：根据适合工艺要求的双极板及流场，制成模具；选取耐温
树脂，用
注塑机一次成型，高压
挤压制成高强度、抗
腐蚀、耐
工作温度的塑料双极板；采用塑料表面
镀复金属工艺，将一次成型双极板表面镀复一层起导电作用的耐腐蚀的
合金。
[0006] 中国专利申请200910199968.0公开一种质子交换膜燃料电池双极板及其制造方法，包括一片阴极板和一片阳极板组成的双极板本体，双极板本体上的导流槽和导电脊，双极板本体上的流体通道孔，双极板本体侧面和流体通道孔周边的双极板本体上表面加有绝缘阻滞涂层，双极板本体上的密封槽内设计有原位成型的弹性密封结构。使用本发明的双极板组成的燃料电池堆可以避免由于雨水溅到电堆表面或电堆被雨水淹没而导致的单电池组间发生
短路的现象，保障燃料电池堆能在该种特殊环境下安全运行。
[0007] 中国专利申请201210430644.5涉及一种
碳素/树脂
复合材料及其用途。所述碳素/树脂复合材料主要由先经加压预
固化制备预成品，然后再经过常压高温固化制得；以所用原料的总重量为100wt％计算基准，碳素材料占70wt％～90wt％，所述碳素材料是：由天然
石墨、膨胀石墨和
炭黑组成的混合物。
[0008] 中国专利申请201711284136.X涉及一种质子交换膜燃料电池技术，具体为燃料电池导水双极板的密封方法。其处理方法：将导水双极板的微孔板边缘浸入封边物质中，该物质可以是溶液或熔融状态，一定时间后取出后冷却；再将导水双极板边缘打磨、
抛光或雕铣，对边缘微孔进行密封处理，即可达到防止反应气渗透的作用。
[0009]
现有技术中，常规的冷却剂腔，是通过以
焊接、粘接的方式叠合阴极板和阳极板实现。现有工艺通过焊接和粘接将阴极板和阳极板结合在一起，成为双极板，这一类型焊接和粘接工艺比较复杂，可靠性较低，尤其是，对于金属板而言，焊接将破坏金属的金相组织，影响到耐蚀性，另外，金属板表面用高分子材料粘接固结，虽然金属板本身在燃料电池环境中不发生变化，但是固结的高分子材料在一定温度和冷热干湿状态下循环老化，这些隐患，必然影响高分子材料与金属板界面的密封可靠性和耐久性。
发明内容
[0010] 本发明的目的是提供质子交换膜燃料电池免粘焊密封结构的金属双极板，不采用焊接、粘接工艺密封，避免因焊接破坏极板金相组织结构而造成的耐蚀性下降，也避免因粘接高分子材料老化造成密封失效。
[0011] 本发明的目的将通过以下技术措施来实现：阳极板、阴极板以单极板叠合方式安装成金属双极板，双极板的阴极腔和阳极腔、冷却剂腔均采用密封圈通过组装力密封，阳极板和阴极板流场气体进出口采用在极板上开孔方式导入；阳极板和阴极板边框部分上、下侧采用
橡胶注塑成型方法，先后分次将较硬的B橡胶和较软的A橡胶，注塑成型气体通道胶条、冷却剂通道胶条和密封圈；A橡胶邵氏硬度为35-45A，B橡胶邵氏硬度为 70-80A；通过A橡胶、B橡胶两种硬度橡胶材料分别在金属双极板注塑成型密封结构和通道结构，实现密封和通道功能，硬度低的A橡胶材料固化后比硬度高的B橡胶材料厚，硬度高的B橡胶作为通道，通过燃料电池组装力压迫低硬度密封圈，利用低硬度A橡胶材料的压缩弹性对金属双极板阴极腔、阳极腔和冷却剂腔进行密封，冷却剂腔是由阳极板、阴极板相对的橡胶密封圈通过橡胶压缩弹性实现密封。
[0012] 尤其是，较软的A橡胶和较硬的B橡胶为
硅橡胶、三元乙丙橡胶或氟橡胶。
[0013] 尤其是，金属双极板边框部分为平面，进行冲孔加工，在极板要求密封部位以外的边框冲孔，用于一体注胶工艺孔；B橡胶在流场周边和进气、进水公用管道与流场之间注塑，在金属双极板流场进口通道部位涂上打底胶水，通过一体注胶工艺孔，实现金属双极板双侧同时注塑，B橡胶注塑单边厚度0.2-0.3mm，B橡胶注塑完工之后，形成流场橡胶注塑通道胶条，橡胶注塑通道胶条包括气体通道胶条和水腔通道胶条，通过打底胶水粘接在极板上，清除与
密封胶条注塑加工相冲突的胶条；A橡胶沿阳极板和阴极板外侧边框两侧一体注塑形成密封胶条和保护边框胶条，密封胶条靠金属双极板边缘里侧，保护边框胶条靠金属双极板边缘外侧，通过一体注胶工艺孔，实现双侧一体注塑，使两侧胶条连接为一体，密封胶条注塑宽度2.5-4mm，注塑单边厚度0.35-0.40mm，保护边框胶条注塑宽度1-2mm，注塑单边厚度0.20-0.30mm；或者，A橡胶沿金属双极板外侧边框两侧一体注塑，注塑宽度2-4mm，注塑单边厚度0.35-0.40mm；硬度高的B橡胶与硬度低的A橡胶之间留出注塑工艺间隙；气体通道胶条又分为极板气腔侧气体通道胶条和极板水腔侧气体通道胶条，分别处于极板气体腔侧和极板水腔侧，通道胶条采用木梳形状结构设计，便于一体注塑；极板气腔侧气体通道胶条为一体注塑成型，极板水腔侧气体通道胶条和水腔通道胶条通过极板工艺孔一体注塑，注塑完成后，对应于极板水腔侧气体通道胶条
位置注塑的多余的胶条和注胶孔胶料进行清除，便于注塑；极板水腔侧气体通道胶条将气腔进口公用管道气体引入到极板进口孔，通过极板气腔侧气体通道胶条，导入极板流场区，再通过极板流场出口通道导入极板出口孔，进入水腔侧气体出口通道，导入气腔出口公用管道；水腔通道胶条分别在阳极板和阴极板水腔侧加工，通道设计成木梳齿样，便于一体注塑，阴极板和阳极板水腔通道木梳
齿条和木梳柄反向设计，即一侧极板齿条对应水腔进出口公用管道，木梳柄对应流场进出口，另一侧极板齿条对应流场进出口，木梳柄对应水腔进出口公用管道；极板叠合时水腔通道齿形胶条也叠合，齿形胶条之间间隙为
冷却水通道，木梳柄之间齿条长度方向重合和交叉，冷却水从水腔进口公用管道通过阳极板和阴极板一侧水腔通道齿形胶条间隙引入，经过阳极板和阴极板水腔通道胶条交叉间隙部位引入到阳极板和阴极板另一侧水腔通道胶条间隙，引入和导出水腔流场，到达水腔出口公用管道；密封胶条包括气腔密封胶条与水腔密封胶条，通过极板冲孔一体注塑成型；气腔密封包括气体和水进出口公用管道周围和流场四周通过注塑胶条分隔；水腔密封胶条和气腔密封胶条通过极板冲孔一体注塑成型；水腔密封包括气体进出口周边和流场四周通过注塑胶条密封，特别是气腔和水腔通道部分由于需要分隔，极板气腔和水腔侧密封胶条在气体和水进出口通道部分不能重合，需错开通道部分注塑；极板气腔侧气体通道被密封在流场的密封胶条以内，而水腔侧气体通道被密封在气体进出口公用管道的密封胶条以内，极板气腔侧水进出口公用管道周边密封，极板水腔侧进出口公用管道与气体进出口公用管道分隔，与极板水腔流场通过橡胶注塑通道胶条连通。
[0014] 尤其是，阴极板(1)和阳极板(2)有上、下两个表面和边框结构：根据膜电极厚度a和膜电极边框厚度b，燃料电池设计膜电极压缩率α；极板密封圈厚度为h，密封圈压缩率为β；α：15-25％；β：25-40％；a：0.40-0.55mm；b：0.06-0.1mm；h：0.35-0.45mm；阴极板和阳极板为0.1mm厚度金属板薄板
冲压而成，金属极板流场107深度t，t不大于 0.4mm；金属极板流场上表面凸出极板边框上表面i＝[a(1-α)-b]/2-h(1-β)， i＝0.1-0.15mm；金属极板流场下表面凸出极板边框下表面t-i，t-i＝0.20-0.30mm。
[0015] 尤其是，阳极板、阴极板在燃料电池组装力作用下，双极板的阴极腔、阳极腔和冷却剂腔在阳极腔密封胶条、阴极腔密封胶条构成的气腔密封圈，以及阳极板密封胶条、阴极板密封胶条构成的冷却剂腔密封圈相互闭合压缩，在密封圈压缩弹性作用下相互隔离密封并实现各自流体输送。
[0016] 尤其是，阳极板和阴极板金属极板表面进行耐蚀涂层处理。
[0017] 本发明的优点和效果：采用创新设计双极板软硬橡胶复合注塑结构，并且通过金属极板冷却剂腔密封结构
注塑成型工艺，结合密封圈压缩弹性密封，实现冷却剂腔与气腔密封采用一致组装力的均衡密封，保证并提高双极板耐压能力和
密封性，密封可靠，寿命长，成本低。支持燃料电池电堆工作过程运行稳定可靠；不采用焊接、粘接工艺密封，克服模压法加工周期长的不足，也避免传统注塑法产品性能差的缺点。制作密封结构极板工艺简捷经济，易于批量流水作业，更适合于规模化生产，可降低燃料电池成本。
附图说明
[0018] 图1为本发明
实施例1中金属极板冲压成型阴、阳极板结构示意图。
[0019] 图2为本发明实施例1中冲压成型后阳极板气腔注塑胶条结构示意图。
[0020] 图3为本发明实施例1中阴极板
正面注塑密封胶条结构示意图。
[0021] 图4为本发明实施例1中阳极板
反面无保护边框注塑胶条即胶条结构示意图。
[0022] 图5A为图1中金属极板冲压成型后横截面结构示意图。
[0023] 图5B为本发明实施例1中注塑密封圈金属极板结构示意图。
[0024] 图6A是本发明实施例1中冲压成型后的阴阳极板金属极板叠合状态示意图；
[0025] 图6B是本发明实施例1中带密封圈阴阳极板叠合状态示意图；
[0026] 图7A是带密封圈极板经过压力密封后冷却剂进出极板冷却剂腔路径示意图；
[0027] 图7B是经过压力密封后阴阳极气体进入极板阴阳极腔路径示意图；
[0028] 图7C是冷却剂腔、气腔进出口通道胶条重叠通道形成状态示意图；
[0029] 图7D是冷却剂腔、气腔进出口通道胶条重叠通道状态轴测示意图；
[0030] 附图标记包括：
[0031] 阳极板1、阴极板2；
[0032] 100-注胶孔、101-
定位孔、102-阳极公用管道、103-阴极公用管道、104-冷却剂公用管道、105-气孔、106-金属极板边框、107-金属极板流场、1070-冷却剂流场；
[0033] 202-阳极板阴极气体通道胶条、204-阳极板冷却剂通道胶条、205-阳极板阳极气体通道胶条、2070-阳极板冷却剂流场、208-阳极气体通道胶条、2080-阳极板冷却剂腔边框
支撑胶条、209-气腔侧密封胶条、2090水腔侧密封胶条；
[0034] 302-阴极板阴极气体通道胶条、303-阴极板阳极气体通道胶条、304-阴极板水腔通道胶条、308-阴极气体通道胶条、3080-阴极板边框支撑胶条、309-阴极腔密封胶条； 3090-阴极板密封胶条；
具体实施方式
[0035] 本发明原理在于，通过A橡胶、B橡胶两种硬度橡胶材料分别在阳极板1、阴极板2的金属极板注塑成型密封结构，实现密封和通道功能，硬度低的A橡胶材料固化后比硬度高的B橡胶材料厚，硬度高的B橡胶作为通道，通过燃料电池组装力压迫低硬度密封圈，利用低硬度A橡胶材料的压缩弹性对金属双极板阴极腔、阳极腔和冷却剂腔进行密封，冷却剂腔是由阳极板1、阴极板2相对的橡胶密封圈通过橡胶压缩弹性实现密封。
[0036] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0037] 双极板由阳极板1、阴极板2单极板叠合方式安装，双极板的阴极腔和阳极腔、冷却剂腔均采用密封圈密封；阳极板1和阴极板2金属极板边框部分上、下侧采用橡胶注塑成型方法，先后分次将较软的A橡胶和较硬的B橡胶，注塑成型密封圈和气体通道、冷却剂通道；A橡胶邵氏硬度为35-45A，B橡胶邵氏硬度为70-80A。
[0038] 前述中，较软的A橡胶和较硬的B橡胶为硅橡胶、三元乙丙橡胶或氟橡胶。
[0039] 前述中，如附图1所示，金属双极板包括阳极板1和阴极板2，阳极板1和阴极板2主要由流场和进气、进水公用管道和进出气孔组成，流场冲压成型，进气、进水公用管道和进出气孔冲裁加工。阳极板1和阴极板2流场处于极板中心部位，流场四周为极板边框部分，边框部分加工进气、进水公用管道、进出气孔，金属双极板边框部分为平面，进行冲孔加工，在金属双极板要求密封部位以外的边框冲孔，用于一体注胶孔，在极板边框部分不进行冲型加工。双极板沿水腔横截面，冷却剂公用管道104做为水腔公用管道，从极板气腔和水腔侧流场截面分别看到金属极板流场107和阳极板冷却剂流场1070。B橡胶在流场周边和进气、进水孔与流场之间注塑，在极板流场进口通道部位涂上打底胶水，通过一体注胶孔，实现极板双侧同时注塑，B橡胶注塑单边厚度0.2-0.3mm，B橡胶注塑完工之后，形成流场进口通道胶条，通道胶条通过打底胶水粘接在极板上，清除与密封胶条注塑加工相冲突的胶条；A橡胶沿阳极板(1)和阴极板(2)外侧边框两侧一体注塑密封胶条和保护边框胶条，密封胶条靠极板边缘里侧，保护边框胶条靠极板边缘外侧，通过一体注胶孔，实现双侧一体注塑，使两侧胶条连接为一体，密封胶条注塑宽度2.5-4mm，注塑单边厚度0.35-0.40mm，保护边框胶条注塑宽度1-2mm，注塑单边厚度0.20-0.30mm；或者， A橡胶沿极板外侧边框两侧一体注塑，注塑宽度2-4mm，注塑单边厚度0.35-0.40mm；硬度高的B橡胶与硬度低的A橡胶之间留出注塑工艺间隙。
[0040] 前述中，气体通道胶条分为极板气腔侧气体进出口通道和极板水腔侧气体进出口通道，分别处于极板气体腔侧和极板水腔侧，通道采用木梳形状结构设计；水腔侧气体进口通道条将气腔进口公用管道气体引入到极板进口孔，通过极板流场进口气腔通道条，导入极板流场区，再通过极板流场出口其腔通道条导入极板出口孔，进入水腔侧气体出口通道条，导入气腔出口公用管道；水腔气体通道采取阴阳极板叠合并在阴阳极板水腔侧均加工气体通道胶条。
[0041] 前述中，水腔通道胶条分别在阳极板和阴极板水腔侧加工，通道设计成木梳齿样，极板叠合时水腔通道齿形胶条也叠合，水腔通道齿形胶条之间间隙为冷却水通道，阳极板和阴极板叠合时，阳极板和阴极板的水腔通道齿形胶条间隙在长度方向形成交叉，冷却水从水腔进口公用管道通过阳极板和阴极板一侧水腔通道齿形胶条间隙引入，经过阳极板和阴极板水腔通道胶条交叉部位引入到阳极板和阴极板另一侧水腔通道胶条间隙，引入和导出水腔流场，到达水腔出口公用管道。
[0042] 前述中，在阳极板1和阴极板2的两端分别有一组对称排列的阳极公用管道 102、阴极公用管道103、冷却剂公用管道104和气孔105，其中，一侧接进口总管，另一侧接出口总管出口。
[0043] 前述中，气腔密封胶条与水腔密封胶条通过极板冲孔一体注塑成型。气腔密封包括气体和水进出口公用管道包围和流场四周通过注塑胶条分隔。
[0044] 前述中，水腔密封胶条和气腔密封胶条通过极板冲孔一体注塑成型。水腔密封包括气体进出口周边和流场四周通过注塑胶条密封，特别是气腔和水腔通道部分由于需要分隔，极板气腔和水腔侧密封胶条在气体和水进出口通道部分不能重合，需错开通道部分注塑，如图5B，图按气体公用管道横截极板，气腔侧密封胶条209和水腔侧密封胶条2090 错位设计。如图6A是无密封结构和通道结构阴阳极板重叠形成双极板示意图，图6B是将阴阳极板密封结构和通道结构加上后阴阳极板重叠示意图；水腔气体通道采取阴阳极板叠合，并在阴阳极板水腔侧均加工气体通道胶条，以增大进出气截面，降低流体阻力。
[0045] 前述中，密封胶条结构和通道结构胶条如图2、图3、图4，极板气腔侧气体通道被密封在流场密封胶条以内，而水腔侧气体通道被密封在气体进出口公用管道密封条以内，极板气腔侧水进出口公用管道周边密封，极板水腔侧进出口公用管道与气体进出口公用管道分隔，与极板水流场通过通道胶条连通。阴极板2正、反面相对应的注塑密封胶条梳形结构位置反向交错排列。
[0046] 前述中，阳极板1和阴极板2金属极板表面进行耐蚀涂层处理。
[0047] 本发明实施例中，阴极板1和阳极板2分别冲压成型出流场凸凹立体结构，并且冲裁出公用管道---阳极公用管道102、阴极公用管道103、冷却剂公用管道104和气体通道孔—气孔105、定位孔101，而且根据橡胶加工要求，冲裁工艺孔---注胶孔100，流场分布在极板中心部位，气体通道孔在公用管道和流场之间，公用管道和工艺孔、定位孔分布在流场外侧边框上，边框在同一平面上，流场部位凸出边框上下表面。公用管道按照燃料电池功能设计，阴阳极气体通道采用打孔方式加工。阴阳极气体从公用管道进入气体腔，是通过阴阳极板叠合之间间隙导入到气体通道孔进入的。
[0048] 本发明实施例中，阴极板1和阳极板2有上、下两个表面和边框结构：根据膜电极厚度a和膜电极边框厚度b，燃料电池设计膜电极压缩率α；极板密封圈厚度为h，密封圈压缩率为β；α：15-25％；β：25-40％；a：0.40-0.55mm；b：0.06-0.1mm；h： 0.35-0.45mm；阴极板1和阳极板2为0.1mm厚度金属板薄板冲压而成，金属极板流场107 深度t，t不大于0.4mm；金属极板流场107上表面凸出极板边框上表面i＝[a(1-α) -b]/2-h(1-β)，i＝0.1-0.15mm；金属极板流场107下表面凸出极板边框下表面t-i， t-i＝0.25-0.30mm。
[0049] 本发明实施例中，气体、水腔通道胶条形状根据通道设计加工。阳极板1、阴极板2叠合成为燃料电池双极板，阳极板1、阴极板2在燃料电池组装力作用下，双极板的阴极腔、阳极腔和冷却剂腔在气腔侧密封胶条209、阴极腔密封胶条309构成的气腔密封圈，以及水腔侧密封胶条2090、阴极板密封胶条3090构成的冷却剂腔密封圈相互闭合压缩，在密封圈压缩弹性作用下相互隔离密封并实现各自物料输送。水腔通道胶条分别在阳极板(1)和阴极板(2)水腔侧加工，通道设计成木梳齿样，便于一体注塑，
[0050] 本发明实施例中，冷却剂从公用管道引入，与阴阳极腔是通过密封圈实现密封，通道设计成木梳齿样，有利于注射一体成型。阴极板和阳极板水腔通道木梳齿条和木梳柄反向设计，即一侧极板齿条对应水腔进出口公用管道，木梳柄对应流场进出口，另一侧极板齿条对应流场进出口，木梳柄对应水腔进出口公用管道。极板叠合时水腔通道齿形胶条也叠合，齿形胶条之间间隙为冷却水通道，木梳柄之间齿条长度方向重合和交叉，如图7A、 7C冷却水从水腔进口公用管道通过阳极板(1)和阴极板(2)一侧水腔通道齿形胶条间隙204 引入，经过阳极板(1)和阴极板(2)水腔通道胶条交叉间隙部位引入到阳极板(1)和阴极板 (2)另一侧水腔通道胶条间隙304，引入和导出水腔流场，到达水腔出口公用管道。
[0051] 本发明实施例中，如图7B、7D,阴阳极气体均从极板冷却剂腔侧引入和导出，通过密封胶条隔离，通过在极板上开孔实现气体从冷却剂腔侧导入各自气腔室。
[0052] 以上实施例仅为本发明的具体实施方式之一，旨在帮助本领域技术人员能够理解本发明，以上实施例叙述和说明并不是对本专利申请保护范围的限制。根据本发明技术方案和实施例所揭示的知识，获得的类似技术方案，均可能落入本发明
权利要求保护范围之内。
