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一种车用 燃料 电池的大面积金属双极板

阅读：577发布：2023-01-23

专利汇可以提供一种车用燃料电池的大面积金属双极板专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种车用燃料电池的大面积金属双极板，该双极板由两块完全相同的单极板连接而成，两块单极板上均设有燃料进出口、氧化剂进出口，冷却液进出口和流场，其中一侧单极板上的流场连接燃料进出口作为燃料流场，另一侧单极板上的流场连接氧化剂进出口作为氧化剂流场，两块单极板夹合后夹层形成连接冷却液进出口的冷却液流场，即为三进三出结构，实现两板三场功能。与现有技术相比，本发明金属双极板构型只需一副模具即可制备，降低了模具开发费用和成形工艺复杂性；双极板结构紧凑，流场区域面积大，反应效率高，适合车用燃料电池的大功率、高能率密度需求；该极板适合于冲压成形、软膜成形、液压胀形等大批量制造方法，制造成本低廉。，下面是一种车用燃料电池的大面积金属双极板专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种车用燃料电池的大面积金属双极板，其特征在于，该双极板由两块完全相同的单极板连接而成，两块单极板上均设有燃料进出口、氧化剂进出口，冷却液进出口和流场，其中一侧单极板上的流场连接燃料进出口作为燃料流场，另一侧单极板上的流场连接氧化剂进出口作为氧化剂流场，两块单极板夹合后夹层形成连接冷却液进出口的冷却液流场，即为三进三出结构，实现两板三场功能。
2.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池的大面积金属双极板，其特征在于，所述的单极板上的燃料进口与氧化剂进口分别位于单极板两端，且旋转对称，单极板上的流场由两端的引流槽和中间的直流槽组成，所述的引流槽一端连接燃料进出口或氧化剂进出口，另一端连接直流槽，每个引流槽对应三个直流槽，将引流槽引入的燃料气体或氧化剂气体分成三股气体。
3.根据权利要求2所述的一种车用燃料电池的大面积金属双极板，其特征在于，所述的引流槽的数目为9～25条。
4.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池的大面积金属双极板，其特征在于，所述的冷却液进出口分为大口和小口，双极板同一侧的大口和小口连接；大口连接8～12个冷却液分配槽，小口连接6～10个冷却液分配槽，大口与小口各自连接的冷却液分配槽错位布置，形成冷却液流场。
5.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池的大面积金属双极板，其特征在于，所述的双极板整体尺寸为100×400mm，流场有效面积大于90％；双极板主体为平行直流场，流道数目为27～75条；其流道截面为矩形，槽深为0.4～0.6mm，槽宽为0.8～1.5mm，脊宽为
0.5～1.2mm，圆角半径为0.05～0.2mm；密封槽截面为矩形，密封槽宽为1.5～3.0mm，密封槽深为0.4～0.6mm。
6.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池的大面积金属双极板，其特征在于，所述的单极板由0.1～0.2mm厚的金属薄板材料采用冲压成形、软膜成形或液压胀形成型；两块单极板通过胶粘、电阻点焊或激光焊接连接。
7.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池的大面积金属双极板，其特征在于，所述的双极板周边设有定位销孔、定位半销孔或定位端面。
8.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池的大面积金属双极板，其特征在于，所述的双极板侧面还设有巡检口，所述的巡检口为长方形或半圆形。

说明书全文

一种车用燃料 电池的大面积金属双极板

技术领域

[0001] 本发明涉及一种燃料电池技术领域的制造方法，具体是一种车用质子交换膜燃料电池的大面积金属双极板构型及其制造方法。

背景技术

[0002] 质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将原料中的化学能直接转变成电能的“化学能发电”装置，其能量转换效率不受卡诺循环限制，电池组的发电效率可达50％以上。同时，PEMFC具有环境友好，启动特性优良，能量转换效率高，运行平稳、无噪声等特征，可望在诸多领域得到应用，尤其是在汽车动力系统中使用更是得天独厚。PEMFC电动汽车的实用化可以解决汽车大幅度增加带来的环境污染与能源短缺问题，为清洁汽车工业未来提供了新的契机。因此从上世纪九十年代开始就掀起了一场燃料电池汽车的研究热潮。早在1992年，加拿大巴拉德公司在政府的资助下研制了88KW的PEMFC电堆并装配了世界第一辆燃料电池公共汽车。2009年，德国主要的汽车和能源公司与政府联合启动了“H2 Mobility Initiative”计划，将在2015年建成1000个加氢站，并在2020年投入使用50万辆燃料电池汽车。中国早在2008年奥运会上就有23辆燃料电池汽车示范运行了7.6万公里，在2010年世博会上这个数字上升到196辆和91万公里。按照上汽集团的规划，到2015年，燃料电池汽车将达到千辆级的产量规模。燃料电池汽车的大规模推广应用对PEMFC的低成本制造提出前所未有的挑战。

[0003] 双极板是PEMFC的关键部件之一。据Direct Technologies公司调查统计，双极板约占电堆体积的80％、质量的70％和成本的29％。其主要功能是支撑膜电极组件、分配反应气体、收集电流、传导热量和排出产物水等。目前，PEMFC双极板材料主要有三类：石墨材料、复合材料和金属材料。石墨双极板导电良好、耐腐蚀性能强，目前示范应用的燃料电池汽车大都采用此种双极板；但材料脆性极大，机械性能差，同时加工效率低，难以实现商业化大批量生产。复合材料双极板以碳粉和树脂为主要原料、经过模压等方式制备而成，其成本低廉，但是复合双极板还存在导电性和气体渗透的问题。金属薄板具有高的强度和导电、导热性能，原材料便宜且适合大批量生产方式，是公认的燃料电池产业化的首选。

[0004] 经过对现有技术文献的检索发现，当前一些研究机构和公司针对金属双极板提出了不同的技术方案。如中国专利公开号CN 1933222A发明了一种神经网络分形流道双极板，其流场过渡区流道采用多通道神经网络分形结构，使各流道长度及气体在各流道中的流动阻力基本相等。然而，这种结构只能满足一种流场需求，难以同时兼顾燃料、氧化剂和冷却液流场。再如中国专利公开号CN 101937998A设计的一种冲压成型的金属双极板，包括第一金属板和第二金属板。第一金属板正面设置密封平台区，两板在流场流道与各气体进出口之间设置断续转角导流槽，两板冷却液出口周边区域设长条形凹槽。这种结构需要冲压两种不同构型的单极板，增加了开模成本和工艺复杂性。又如中国专利公开号CN101937997A提出一种带有一定曲率的非平面弧形金属双极板，由金属薄板制成的阴极单极板和阳极单极板相对结合构成；两板的阴、阳极腔、冷却介质腔和流场区沟槽和凸台凸凹形状相互对应，分别构成燃料气体通道、氧化剂通道和冷却介质通道。这种结构同样需要加工多副模具，同时带曲率的非平面模具加工成本高，加工精度难以保证；同时弧形金属极板装配困难，碳纸等气体扩散层材料在与弧形金属极板装配过程中容易发生断裂失效。最后如中国专利公开号CN 101101993A提出的基于薄板冲压成形的双极板，包括两块流场单板分别作为阳极和阴极，一块中间支撑薄板置于流场单板直接，形成燃料、氧化剂和冷却液进出口。这种结构需要三块不同构型的金属薄板才能满足功能需求，同时，该双极板流阻较大，难以在车用燃料电池的大面积金属极板上应用。

发明内容

[0005] 本发明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成本低、结构紧凑、流场区域面积大、反应效率高的车用燃料电池的大面积金属双极板。

[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种车用燃料电池的大面积金属双极板，其特征在于，该双极板由两块完全相同的单极板连接而成，两块单极板上均设有燃料进出口、氧化剂进出口，冷却液进出口和流场，其中一侧单极板上的流场连接燃料进出口作为燃料流场，另一侧单极板上的流场连接氧化剂进出口作为氧化剂流场，两块单极板夹合后夹层形成连接冷却液进出口的冷却液流场，即为三进三出结构，实现两板三场功能。

[0007] 所述的单极板上的燃料进口与氧化剂进口分别位于单极板两端，且旋转对称，单极板上的流场由两端的引流槽和中间的直流槽组成，所述的引流槽一端连接燃料进出口或氧化剂进出口，另一端连接直流槽，每个引流槽对应三个直流槽，将引流槽引入的燃料气体或氧化剂气体分成三股气体。

[0008] 所述的引流槽的数目为9～25条。

[0009] 所述的冷却液进出口分为大口和小口，双极板同一侧的大口和小口连接；大口连接8～12个冷却液分配槽，小口连接6～10个冷却液分配槽，大口与小口各自连接的冷却液分配槽错位布置，形成冷却液流场。

[0010] 所述的双极板整体尺寸为100×400mm，流场有效面积大于90％；双极板主体为平行直流场，流道数目为27～75条；其流道截面为矩形，槽深为0.4～0.6mm，槽宽为0.8～1.5mm，脊宽为0.5～1.2mm，圆角半径为0.05～0.2mm；密封槽截面为矩形，密封槽宽为
1.5～3.0mm，密封槽深为0.4～0.6mm。

[0011] 所述的单极板由0.1～0.2mm厚的金属薄板材料采用冲压成形、软膜成形或液压胀形成型；两块单极板通过胶粘、电阻点焊或激光焊接连接。

[0012] 所述的双极板周边设有定位销孔、定位半销孔或定位端面。

[0013] 所述的双极板侧面还设有巡检口，所述的巡检口为长方形或半圆形。

[0014] 本发明的双极板由两块完全相同的单极板构成，只需一副模具即可，降低了模具开发费用和成形工艺复杂性；双极板结构紧凑，流场区域面积大，反应效率高，适合车用燃料电池的大功率、高能率密度需求；该极板适合于冲压成形、软膜成形、液压胀形等大批量制造方法，制造成本低廉。

[0015] 与现有技术相比，本发明提出的车用燃料电池大面积金属双极板巧妙设计“三进三出”和“一分三”结构，采用两块完全相同的单极板实现了燃料、氧化剂和冷却液分配需求，采用一模具即可制备，大幅缩短工艺开发时间，减小模具设计与加工费用，降低了制造工艺复杂性；双极板主要流场区域采用直流道设计，适合车用燃料电池的大面积要求，同时流场有效面积大，提高了PEMFC反应效率，提升了PEMFC系统的能率密度；本发明的金属双极板构型适合大批量生产模式，如冲压成形、软膜成形和液压胀形等，可实现燃料电池高效率、低成本制造，为燃料电池汽车的产业化道路提供了技术支撑。附图说明

[0016] 图1为本发明的车用燃料电池金属双极板燃料或氧化剂气体流场示意图；

[0017] 图2为本发明的车用燃料电池金属双极板冷却液流场示意图；

[0018] 图3为本发明的车用燃料电池金属双极板入口详细图；

[0019] 图4为本发明的车用燃料电池金属双极板出口详细图；

[0020] 图5为本发明的车用燃料电池金属双极板流道截面示意图；

[0021] 图6为本发明的车用燃料电池金属双极板焊接路径示意图；

[0022] 图7为本发明的车用燃料电池金属双极板定位方式示意图；

[0023] 图8为本发明的车用燃料电池金属双极板装配的单电池性能曲线图。

[0024] 其中：定位销孔-1，燃料入口-2，流场分配区-3，巡检口-4，密封槽-5，直流场区域-6，氧化剂出口-7，冷却液出口-8，燃料出口-9，流场集合区-10，氧化剂入口-11，冷却液入口-12，冷却液流场-13，流道脊-14，流道槽-15，冷却液辅助入口-16，冷却液主入口-17，冷却液入口分配槽-18，流场分配“-分三”结构-19，冷却液辅助出口-20，冷却液主出口-21，冷却液出口分配槽-22，流场集合“三合一”结构-23，焊接路径-24，双极板-25，定位销-26，定位夹具-27，定位半销孔-28，定位端面-29。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

[0026] 实施例1

[0027] 本实施例是在以下实施条件和技术要求条件下实施的：

[0028] 根据如图1～4所示的车用燃料电池大面积金属双极板结构示意图设计并加工冲压成形模具，包括上模和下模。采用精密冲压成形工艺制备具有如图1所示的流场构型的单极板，冲压力为200吨，冲压速度为30秒/片。极板材料为不锈钢316，材料厚度为0.1mm，切边后的的单极板整体尺寸为100×400mm。如图5所示，流道槽15深h为0.5mm，流道槽15宽w为1.2mm，脊14宽n1.0mm，两块相同的单极板组合后一侧形成燃料流道a，另一侧形成氧化剂流道b，中间夹层形成冷却流道c。

[0029] 双极板由两块完全相同的单极板连接而成，两块单极板上均设有燃料进出口、氧化剂进出口，冷却液进出口和流场，其中一侧单极板上的流场连接燃料进出口作为燃料流场，另一侧单极板上的流场连接氧化剂进出口作为氧化剂流场，两块单极板夹合后夹层形成连接冷却液进出口的冷却液流场，即为三进三出结构，实现两板三场功能。如图1所述，为双极板燃料气体流场示意图，该单极板上设有燃料入口2，燃料出口9，氧化剂出口7，氧化剂入口11，冷却液出口8，冷却液入口12，以及连接燃料入口2与燃料出口的9的流场，其中燃料进口即燃料入口2与氧化剂进口即氧化剂入口11分别位于单极板两端，且旋转对称，流场由燃料入口2处的引流槽组成的流场分配区3、燃料出口9处的引流槽组成的流场集合区10，以及连接流场分配区3与流场集合区10区的直流槽即直流场区域6组成，每个引流槽对应三个直流槽，将流场分配区3的引流槽引入的燃料气体至直流场区域6分成三股气体，流场分配“一分三”结构19，如图3所示，然后在流场集合区10汇合(流场集合“三合一”结构23，如图4所示)后流出。在各流体进出口以及流场周边设有密封槽5。

[0030] 单极板直流场区域6流道数目为45条，流场分配区3和流场集合区10处流道数目为15条。密封槽5宽2.0mm，深0.5mm。两块完全相同的单极板采用光纤激光器焊接成大面积金属双极板25，焊接路径24如图6所示，焊接功率为200W，焊接速度为50mm/s。焊接后的金属双极板自然形成“三进三出”结构，冷却液入口12处有10个冷却液入口分配槽18，冷却液出口8处有8个冷却液出口分配槽22。冷却液入口12和冷却液出口8的长度为
13mm，宽度为5.4mm，冷却液主入口17和冷却液主出口21长为5mm，冷却液辅助入口16和冷却液辅助出口20长为3mm，高度为1.0mm。如图7(a)所示，本实施例采用销-孔定位方式，定位销26和定位孔27直径为4mm；巡检口4为矩形结构，长宽为5mm，圆孔直径为2mm。

[0031] 采用实施1制备的车用燃料电池大面积金属双极板整体平面度为2.0mm(极差法测量)；流道高度偏差为±20μm。采用本实施例制备的双极板装配单电池，获得的功率密2
度曲线如图8所示的实施例1曲线，峰值功率密度达到865mW/cm。测试条件：阳极和阴极-2
催化剂含量：0.4mg.Pt/cm ，质子交换膜为Nafion212，电堆温度为80℃，阴极、阳极反应气温度为80℃，湿度为100％，压强为0.3MPa。

[0032] 实施例2

[0033] 本实施例采用软膜成形工艺制备如图1～4所示的车用燃料电池大面积金属双极板。根据流场构型加工上模，采用硬度为55°的聚氨酯材料作为软膜，0.2mm厚不锈钢304薄板材料置于上模和软膜之间。成形力为300吨，成形速度为60秒/片。成形和切边后的的单极板整体尺寸为100×400mm。如图5所示，流道槽15深为0.4mm，流道槽15宽为1.5mm，脊14宽1.2mm。单极板直流场区域6流道数目为27条，流场分配区3和流场集合区10处流道数目为9条。密封槽5宽3.0mm，深0.4mm。两块完全相同的单极板采用电阻点焊连接成大面积金属双极板，焊接路径如图6所示，相邻焊点间距为3mm。焊接后的金属双极板自然形成“三进三出”结构，冷却液入口12处有8个冷却液入口分配槽18，冷却液出口8处有6个冷却液出口分配槽22。冷却液入口12和冷却液出口8的长度为13mm，宽度为5.4mm，冷却液主入口17和冷却液主出口21长为5mm，冷却液辅助入口16和冷却液辅助出口20长为3mm，高度为0.8mm。如图7(b)所示，本实施例采用销-半圆孔定位方式，定位销26和定位半销孔孔28直径为6mm；巡检口4为半圆形结构，外圆直径为5mm，内圆孔直径为2mm。

[0034] 采用与实施1完全相同的测量方法和测量参数，实施例2制备的车用燃料电池大面积金属双极板整体平面度为2.5mm；流道高度偏差为±25μm。采用本实施例制备的双极板装配单电池，获得的功率密度曲线如图8所示的实施例2曲线，峰值功率密度达到671mW/2
cm。

[0035] 实施例3

[0036] 本实施例采用液压成形工艺制备如图1～4所示的车用燃料电池大面积金属双极板。根据流场构型加工单边模具，采用粘度系数为55的液压油作为成形介质，0.1mm厚不锈钢304薄板材料一侧与单边模具接触并密封，另一侧与液压油接触，通过液压缸调节成形力。本实施例成形液压力为350MPa，成形速度为120秒/片。成形和切边后的的单极板整体尺寸为100×400mm。如图5所示，流道槽15深为0.6mm，流道槽15宽为0.8mm，脊14宽0.5mm。单极板直流场区域6流道数目为75条，流场分配区3和流场集合区10处流道数目为25条。密封槽5宽1.5mm，深0.6mm。两块完全相同的单极板采用胶粘的方法连接成大面积金属双极板，粘接路径如图6所示，粘接材料为环氧树脂。粘接后的金属双极板自然形成“三进三出”结构，冷却液入口12处有12个冷却液入口分配槽18，冷却液出口8处有10个冷却液出口分配槽22。冷却液入口12和冷却液出口8的长度为13mm，宽度为5.4mm，冷却液主入口17和冷却液主出口21长为5mm，冷却液辅助入口16和冷却液辅助出口20长为
3mm，高度为1.2mm。如图7(c)所示，本实施例采用端面定位方式，定位断面29长度为10mm，与极板边缘成45度角；巡检口4为矩形结构，长宽为5mm，圆孔直径为2mm。

[0037] 采用与实施1完全相同的测量方法和测量参数，实施例3制备的车用燃料电池大面积金属双极板整体平面度为1.5mm；流道高度偏差为±15μm。采用本实施例制备的双极板装配单电池，获得的功率密度曲线如图7所示的实施例2曲线，峰值功率密度达到793mW/2
cm。

[0038] 实施例1成形效率和连接效率远远高于实施例2和3，适合车用燃料电池的大批量、低成本制造需求。尽管实施例1制备的双极板平面度和流道高度偏差大于实施例3，但其最终电池性能却高于实施例3，说明其流场构型和流道参数为最优。因此，实施例1为本发明推荐的车用燃料电池大面积金属双极板构型和制造方法。上述实例仅为案例，本发明不限于此例。本领域技术人员根据本发明的技术方案所做的其他形式转变，如材料种类、材料厚度、双极板整体尺寸、流道参数、密封槽参数等，但只有流场构型和气/液分配口结构采用与本发明相似的结构，仍属于本发明保护范围之内。

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