專利名稱：一種金屬薄板沖壓成型的燃料電池雙極板及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池的雙極板制造領(lǐng)域，尤其涉及金屬薄板類燃料電池雙極板及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
由于質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有清潔、高效、能源可再生等優(yōu)點，因此， PEMFC有望代替常規(guī)發(fā)動機成為未來汽車的主要動力源。質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)主要由雙極板、質(zhì)子交換膜、催化劑等組成其中膜電極(MEA)是燃料電池的核心，作為PEMFC關(guān)鍵部件之一的雙極板，不僅占據(jù)燃料電池電堆重量的70%-80%,而且在燃料電池電堆的生產(chǎn)成本中也占據(jù)相當大的比例。導(dǎo)電良好、易于加工流場的石墨類雙極板為PEMFC的商業(yè)化進程奠定了良好的開端，也是PEMFC廣泛采用的極板材料，但其機械強度差、加工成本高使其在PEMFC的工業(yè)化應(yīng)用中缺乏足夠的競爭力。復(fù)合石墨板、柔性石墨及薄層金屬板都是非常有潛力的雙極板替換材料，相比于石墨材料，金屬薄板由于其良好的機械加工性能、極佳的導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性和致密性，易于實現(xiàn)雙極板的薄片化，極大降低雙極板的體積和重量，而且價格低廉，容易實現(xiàn)大規(guī)模批量生產(chǎn)，必將成為降低燃料電池極板的優(yōu)選材料。 而直接甲醇燃料電池、質(zhì)子交換膜水電解器及再生燃料電池等的雙極板使用要求與上述質(zhì)子交換膜燃料電池情況相似。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利公開號為CN 1416184A，發(fā)明名稱為 “一種質(zhì)子交換膜燃料電池的金屬復(fù)合雙極板”的專利文獻，將與三合一電極相對的條狀溝槽部分與金屬邊框部分通過粘合或者焊合構(gòu)成一體。該專利采用兩塊金屬板分別作為燃料電池的陰陽極板，與金屬邊框連接，形成雙極板，采用金屬板的形式，雖然從結(jié)構(gòu)上更容易實現(xiàn)，但是氣體流場采用局限于交指形流場結(jié)構(gòu)，氣體流動壓力降大，且流場通過粘合或焊合構(gòu)成一體，激光焊接形成雙極板發(fā)生局部變形、焊接質(zhì)量要求高，而粘合劑可能在長期使用中對電極產(chǎn)生污染。中國專利公開號為CN 101183723A，發(fā)明名稱為“金屬薄板成形的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板”的專利文獻，將兩塊相同的單板通過焊接對稱貼合連接，氣體流道采用交指形，冷卻液流道采用蛇形流道，采用金屬板的形式，雖然重量輕，體積小但同樣需要氣體流場采用交指形，而為降低交指形流場的壓降，提高反應(yīng)效率，在流場背脊上開有若干淺溝槽，造成氣體壓力降相比蛇形流道大且增加模具制造難度，流場通過焊合，同樣存在激光焊接形成雙極板發(fā)生局部變形、焊接質(zhì)量要求高。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種新型的金屬類燃料電池雙極板。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種金屬薄板成型的燃料電池雙極板。本發(fā)明的燃料電池雙極板采用三塊金屬板疊加組裝而成，滿足燃料電池所需要的三進三出，即氧化劑進口、冷卻液進口、燃料氣體進口、氧化劑出口、冷卻液出口和燃料氣體出口。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的燃料電池雙極板是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的。本發(fā)明的金屬薄板沖壓成型的燃料電池雙極板，包括兩塊相同的氣體流場單板和一塊中間流場單板，分別作為氧化劑流場板、燃料氣體流場板和冷卻液流場板，兩塊氣體流場單板通過其四周接觸面、其邊框密封槽中放置的密封材料、填平區(qū)域內(nèi)放置的填平材料以及中間流場單板兩側(cè)的接觸面，分別連接所述中間流場單板兩側(cè)，組合成所述燃料電池雙極板；每個流場單板上均設(shè)有三個進口和三個出口，分別為氧化劑進口、冷卻液進口、 燃料氣體進口、氧化劑出口、冷卻液出口和燃料氣體出口。在本發(fā)明的具體實施中，優(yōu)選所述流場單板為長方形形狀。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，所述氣體流場單板的一側(cè)是反應(yīng)氣體流動區(qū)域，所述氣體流場單板的另一側(cè)對應(yīng)于氣體流動區(qū)域的脊部是液體流場溝槽；所述中間流場單板的一側(cè)為沖壓形成的流場溝槽，與所述氣體流場板的液體流場溝槽構(gòu)造成冷卻液流道；所述氣體流場單板分別為氧化劑流場單板、燃料氣體流場單板；所述流場單板(包括氧化劑流場單板、燃料氣體流場單板以及冷卻液流體單板) 兩側(cè)的流場及流體進出口的周邊形成密封槽放置密封材料，其深度與所述流場溝槽的深度相同。所述氣體流場單板被密封材料包圍的中間區(qū)域溝槽是流體流場。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，所述氣體流場單板凹槽邊框內(nèi)需要填平區(qū)域填充橡膠類彈性材料如硅橡膠類的耐熱、耐老化橡膠等，與所述流場單板的接觸面平齊。需要填平區(qū)域只是在氣體流場板上，以防止會有冷卻液在凹槽中存留流不出。在電極板與冷卻液板的相對的燃料氣體進出口部分的凹槽邊框內(nèi)填充彈性材料使其平整。所述氣體流動區(qū)域和所述冷卻液流道優(yōu)選蛇形流場，但并不局限于蛇形流場。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，所述流場溝槽，其寬度為0.5-2m，深度為 0. 2-0. 5mm ；所述密封槽，其寬度為l_4mm，深度為0. 2-0. 5mm。在本發(fā)明的燃料電池雙極板中，在所述流場單板與流場溝槽長度方向平行的兩側(cè)的中間位置設(shè)有圓形定位孔；所述氧化劑進口、所述冷卻液進口和所述燃料氣體進口，以及所述氧化劑出口、所述冷卻液出口和所述燃料氣體出口依次設(shè)置，且進口與出口在流場單板的相對的兩側(cè)。在本發(fā)明的燃料電池雙極板中，所述密封材料為密封墊片，放置在各流場板密封槽內(nèi)。在本發(fā)明中，密封材料用于密封槽，主要起密封作用，主要要求是耐熱(大于120°C) 和耐老化性能好的彈性橡膠，常用材料是硅橡膠。在本發(fā)明的燃料電池雙極板中，需要填平區(qū)域填充的填平材料與密封材料類似， 放置在各氣體流場板的填平區(qū)域內(nèi)，對填平材料的主要要求是耐熱(大于120°C )和耐老化性能好的橡膠材料，常用材料是橡膠類彈性材料如氟橡膠或者硅橡膠。在本發(fā)明的燃料電池雙極板中，所述的流場單板采用金屬薄板材料，優(yōu)選自不銹鋼、鈦和鈦合金金屬薄板材料之一，更優(yōu)選是不銹鋼。在本發(fā)明的燃料電池雙極板中，所述氣體流場單板和所述中間流場單板，是靠外力壓緊密封材料貼合成一整體并實現(xiàn)密封，以形成所述燃料電池雙極板。
在本發(fā)明的燃料電池雙極板中，所述金屬薄板的厚度均為0. lmm-0. 3mm，所述氣體流場單板和中間流場單板的材料選自不銹鋼、鈦和鈦合金金屬薄板材料之一。與現(xiàn)有技術(shù)中的其它燃料電池金屬雙極板相比，本發(fā)明的雙極板采用三塊金屬流場單板，分別在其上沖壓出氧化劑(空氣或氧氣)氣體流道、冷卻液道和燃料氣體流道。三塊板之間通過加工出的密封溝槽，放置密封材料，再依靠外力壓緊貼合成一整體，而不需要粘結(jié)或焊結(jié)。組裝成電池時通過外力即可，相對粘結(jié)或焊結(jié)工藝要求簡單。本發(fā)明的金屬薄板沖壓成型的燃料電池雙極板可用在質(zhì)子交換膜燃料電池中，也可以用作于直接甲醇燃料電池、質(zhì)子交換膜水電解器及再生燃料電池等的雙極板。本發(fā)明的另一個目的是提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池，其包含本發(fā)明前述的金屬薄板沖壓成型的燃料電池雙極板。本發(fā)明的金屬薄板沖壓成型的燃料電池雙極板具有重量輕，體積小，生產(chǎn)制作工藝簡單，成本低廉，容易實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。本發(fā)明的金屬薄板沖壓成型的燃料電池雙極板采用三塊金屬單板通過邊框密封結(jié)構(gòu)疊加，靠外力壓緊密封材料，使各流場單板結(jié)合成一體，且兩板之間共同構(gòu)造成冷卻液流道，這樣就避免了激光焊接形成雙極板容易發(fā)生局部變形、焊接質(zhì)量要求高的缺點，結(jié)構(gòu)易實現(xiàn)，組裝工藝要求簡單。以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。


圖1為本發(fā)明的燃料電池雙極板的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的燃料電池雙極板的氣體流場單板2的正面視圖。圖3為本發(fā)明的燃料電池雙極板的氣體流場單板2的立體示意圖。圖4為本發(fā)明的燃料電池雙極板的中間冷卻液流場單板5的正面視圖。圖5為本發(fā)明的燃料電池雙極板的中間冷卻液流場單板5的立體示意圖。圖6為本發(fā)明的燃料電池雙極板的氣體流場單板2填平區(qū)域3示意圖。圖7為本發(fā)明的燃料電池雙極板的氣體流場單板8填平區(qū)域7示意圖。圖8為本發(fā)明的燃料電池雙極板的氣體流場單板2和冷卻液單板5之間形成的流道示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例中，所用金屬薄板的材料為0. 2mm厚316L不銹鋼板，所用密封材料為硅橡膠，填平材料為氟橡膠。如圖1所示，本發(fā)明的燃料電池雙極板包含兩塊完全相同的氣體流場單板，即氧化劑流場單板2和燃料氣體流場單板8，以及中間冷卻液流場單板5，密封墊片1、4、6和9 放入各自對應(yīng)的流場單板的邊框密封槽中，氣體流場單板2和8在組裝時需要把氟橡膠放入填平區(qū)域3和7。其中氣體流場單板2和8可以用一套模具沖壓出來，冷卻液流場單板5 用另一套模具沖壓出來。如圖2所示，氣體流場單板2的中間區(qū)域為反應(yīng)流場16，采用的是蛇形流場，其中有肋17 ；在氣體流場單板2的一側(cè)依次設(shè)置氧化劑進口 10，冷卻液進口 11，燃料氣體進口 12 ；另一側(cè)依次設(shè)置氧化劑出口 13，冷卻液出口 14，燃料氣體出口 15 ；在氣體流場單板2與蛇形流場長度方向平行的兩側(cè)上設(shè)有圓形定位孔19和20 ；在氣體流場單板2上沖壓形成的邊框密封槽18。如圖3所示，氣體流場單板2的立體示意圖，更清楚地顯示了流場單板的結(jié)構(gòu)，整個流場單板四周有凹槽密封邊框。如圖4所示，冷卻液流場單板5的中間區(qū)域為冷卻液流場中間設(shè)有冷卻液流道溝槽21，其與氧化劑氣體流場單板2上的液體流場溝槽17構(gòu)造成液體流道；在冷卻液流場單板5的一側(cè)依次設(shè)置氧化劑進口 10，冷卻液進口 11，燃料氣體進口 12 ；另一側(cè)依次設(shè)置氧化劑出口 13，冷卻液出口 14，燃料氣體出口 15 ；在冷卻液流場單板5上的正面邊框密封槽 23，和背面邊框密封槽22，定位孔19和20。氣體流動的一面為正面。如圖5所示，為冷卻液流場單板的立體示意圖，更清楚地顯示了單板的結(jié)構(gòu)。如圖6所示，為氣體流場單板2背面填平區(qū)域的示意圖，其中涂黑區(qū)域3為填平區(qū)域；如圖7為氣體流場單板8背面填平區(qū)域的示意圖，其中涂黑區(qū)域7為填平區(qū)域。如圖8所示，氣體流場單板2和冷卻液流場單板5之間形成的冷卻液流道，冷卻液單板2上的冷卻液流道溝槽21與氧化劑氣體單板上1相對的液體流場溝槽17構(gòu)造成冷卻液流道溝槽。如圖1所示，本發(fā)明的雙極板由三塊流場單板2、5和8，密封墊片以及填平材料組成。在實際制造過程中，三塊沖壓成型的金屬流場單板疊加在一起，在密封槽中放入密封材料實現(xiàn)密封目的，靠外力壓緊使各流場單板之間并沒有空隙緊密貼合在一起，形成本發(fā)明的雙極板。如圖2、3和4所示，在工作時，氧化劑由氧化劑流場單板的氧化劑進口 10到達流場單板的反應(yīng)區(qū)域，另一方面，燃料氣體由燃料氣體流場單板的氣體進口 12到達流場單板的反應(yīng)區(qū)域，這樣，氧化劑和燃料氣體與膜電極組件中的電解材料，催化劑接觸，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成電子，產(chǎn)生電流。多余的氧化劑和燃料氣體分別從氧化劑出口 13、燃料氣體出口 15流出，與此同時冷卻液由流場單板的冷卻液進口 11進入相應(yīng)的流場單板，從冷卻液出口 14流出，完成冷卻。以上詳細描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應(yīng)當理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種金屬薄板沖壓成型的燃料電池雙極板，包括兩塊相同的氣體流場單板和一塊中間流場單板，分別作為氧化劑流場板、燃料氣體流場板和冷卻液流場板，其特征在于兩塊氣體流場單板通過其四周接觸面、其邊框密封槽中放置的密封材料、填平區(qū)域內(nèi)放置的填平材料以及中間流場單板兩側(cè)的接觸面，分別連接所述中間流場單板兩側(cè)，組合成所述燃料電池雙極板；每個流場單板上均設(shè)有三個進口和三個出口，分別為氧化劑進口、冷卻液進口、燃料氣體進口、氧化劑出口、冷卻液出口和燃料氣體出口。
2.如權(quán)利要求1所述的金屬薄板沖壓成型的燃料電池雙極板，其中所述氣體流場單板的一側(cè)是反應(yīng)氣體流動區(qū)域，所述氣體流場單板的另一側(cè)對應(yīng)于氣體流動區(qū)域的脊部是液體流場溝槽；所述中間流場單板的一側(cè)為沖壓形成的流場溝槽，與所述氣體流場板的液體流場溝槽構(gòu)造成冷卻液流道；所述氧化劑流場板、所述燃料氣體流場板與所述冷卻液流場板的兩側(cè)的流場及流體進出口的周邊形成密封槽放置密封材料，其深度與所述流場溝槽的深度相同。
3.如權(quán)利要求2所述的金屬薄板沖壓成型的燃料電池雙極板，其中所述氣體流場單板凹槽邊框內(nèi)需要填平區(qū)域填充橡膠類彈性材料，與所述流場單板的接觸面平齊。
4.如權(quán)利要求1所述的金屬薄板沖壓成型的燃料電池雙極板，其中所述流場溝槽，其寬度為0. 5-2m，深度為0. 2-0. 5mm ；所述密封槽，其寬度為l_4mm，深度為0. 2-0. 5mm。
5.如權(quán)利要求1所述的金屬薄板沖壓成型的燃料電池雙極板，其中在所述流場單板與流場溝槽長度方向平行的兩側(cè)的中間位置設(shè)有圓形定位孔；所述氧化劑進口、所述冷卻液進口和所述燃料氣體進口，以及所述氧化劑出口、所述冷卻液出口和所述燃料氣體出口依次設(shè)置，且進口與出口在所述流場單板的相對的兩側(cè)。
6.如權(quán)利要求1-5之一所述的金屬薄板沖壓成型的燃料電池雙極板，其中所述密封材料為密封墊片，放置在密封槽內(nèi)。
7.如權(quán)利要求1-5之一所述的金屬薄板沖壓成型的燃料電池雙極板，其中所述氣體流場單板和所述中間流場單板，是靠外力壓緊密封材料貼合成一整體并實現(xiàn)密封，以形成所述燃料電池雙極板。
8.如權(quán)利要求1-5之一所述的金屬薄板沖壓成型的燃料電池雙極板，其中所述金屬薄板的厚度均為0. lmm-0. 3mm，所述氣體流場單板和中間流場單板的材料選自不銹鋼、鈦和鈦合金金屬薄板材料之一。
9.權(quán)利要求1-8之一所述的金屬薄板沖壓成型的燃料電池雙極板在質(zhì)子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池、質(zhì)子交換膜水電解器及再生燃料電池中的應(yīng)用。
10.一種質(zhì)子交換膜燃料電池，其特征在于，包含權(quán)利要求1-8之一所述的金屬薄板沖壓成型的燃料電池雙極板。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬薄板沖壓成型的燃料電池雙極板，其包括兩塊相同的氣體流場單板和一塊中間流場單板，分別作為氧化劑流場板、燃料氣體流場板和冷卻液流場板，兩塊氣體流場單板通過其四周接觸面、其邊框密封槽中放置的密封材料、填平區(qū)域內(nèi)放置的填平材料以及中間流場單板兩側(cè)的接觸面，分別連接所述中間流場單板兩側(cè)，組合成所述燃料電池雙極板；每個流場單板上均設(shè)有三個進口和三個出口，分別為氧化劑進口、冷卻液進口、燃料氣體進口、氧化劑出口、冷卻液出口和燃料氣體出口。本發(fā)明的燃料電池雙極板采用三塊金屬單板通過邊框密封結(jié)構(gòu)疊加形成雙極板，而氣體流場單板的另一側(cè)對應(yīng)于氣體流動區(qū)域的脊部是液體流場溝槽與冷卻液單板上的液體流場溝槽構(gòu)造成冷卻液流道，避免激光焊接形成雙極板發(fā)生局部變形、焊接質(zhì)量要求高的缺點，結(jié)構(gòu)易實現(xiàn)，組裝工藝要求簡單，成本低。
文檔編號H01M8/04GK102306813SQ20111023185
公開日2012年1月4日 申請日期2011年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月12日
發(fā)明者曾亞平, 王山領(lǐng), 隋升 申請人:上海交通大學(xué)