一種燃料電池雙極板結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及能源電池領(lǐng)域，具體涉及一種燃料電池雙極板結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種把燃料中的化學(xué)能通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，具有高功率密度、低環(huán)境污染等優(yōu)點，在固定電源、電動車、軍用特種電源盒可以動電源方面具有廣闊的應(yīng)用前景，引起越來越多國家和企業(yè)的重視。目前，國內(nèi)外均已成功地將PEMFC應(yīng)用到載人的公共汽車和轎車上。
[0003]盡管目前有關(guān)PEMFC的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究已取得了長足進展，但離商業(yè)化仍有相當?shù)木嚯x，成本和壽命是關(guān)鍵制約因素。雙極板是燃料電池的核心部件之一，占整個電池重量的70%~80%和成本的45%以上，在控制整個電池的成本和重量方面起著非常重要的作用。因此，開發(fā)易于實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的輕型、薄層雙極板對于提高電堆比功率、降低電堆成本，進而推動PEMFC商業(yè)化具有很重要的意義。
[0004]雙極板具有隔離并均勻分配反應(yīng)氣體、收集并導(dǎo)出電流、串聯(lián)各個單電池等功能。其材料主要包括金屬材料、石墨材料和復(fù)合材料。由于石墨類材料具有良好的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性，是目前PEMFC廣泛采用的極板材料。但石墨材料脆、氣密性差、機械強度低以及加工費用高等缺點不易大規(guī)模生產(chǎn)，限制了其工業(yè)化應(yīng)用。與石墨材料相比，金屬材料具有機械強度高、良好的導(dǎo)電與導(dǎo)熱性能，同時易于被加工成薄板，可大幅度提高電堆的比能量，使極具競爭力的雙極板材料。
[0005]雙極板由于極板材料不同，其設(shè)計也不盡相同。石墨雙極板通常是由氫板和氧板組成，冷卻水的流場是由氫板和氧板背部的流場組合形成。冷卻水的流場深度等可以根據(jù)要求采用機銑或壓模的方式加工得到。因而，冷卻水的流動阻力可以控制在較小的范圍內(nèi)。采用其他耐腐蝕的薄型金屬材料時，極板加工采用沖壓的機械工藝進行。為了減少電堆重量，與石墨板相同，金屬雙極板可以采用兩張、三張或更多的金屬板組合而成。兩張金屬板的冷卻水的流場由氫板和氧板的背面組合而成，而三張或更多的金屬板組合的雙極板則是有單獨的冷卻劑極板。但三張及以上的金屬雙極板組合方式由于極板數(shù)量較多，因而極板的重量和體積較大，電堆的重量比功率比兩張極板組合方式低25%以上，體積比功率低40%左右。兩張極板組合方式較三張及以上數(shù)量極板組合方式在結(jié)構(gòu)上復(fù)雜，且加工難度較大。由于金屬板采用沖壓工藝加工而成，因而極板背面不能經(jīng)過二次加工形成冷卻水的流場，冷卻劑的流場和導(dǎo)流場由兩張極板的背面流道組成。由于金屬材料本身的限制，極板流場的槽深一般不會太深(< 0.75mm)，特別是在導(dǎo)流場部分。造成了燃料電池各介質(zhì)的流場深度較淺，介質(zhì)在各流場中的阻力加大，增加了介質(zhì)在流場中的分配難度以及系統(tǒng)能耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種燃料電池雙極板結(jié)構(gòu)，采用多個還原劑極板、多個氧化劑極板及多層膜電極組件組成上述燃料電池雙極板結(jié)構(gòu)。本發(fā)明設(shè)計的雙極板結(jié)構(gòu)能夠合理地利用還原劑極板、氧化劑極板形成的空腔，為冷卻劑提供了流動流場，能夠?qū)崿F(xiàn)兩張基板組合中冷卻劑進入活性區(qū)域；同時巧妙地將冷卻劑通過冷卻劑導(dǎo)流流道引入導(dǎo)流區(qū)域流道。并且可以在很大程度上減小冷卻劑在雙極板中的流動阻力，降低系統(tǒng)能耗。本發(fā)明提供的燃料電池雙極板結(jié)構(gòu)能夠降低雙極板重量、體積，該提高燃料電池的能力密度。
[0007]為了達到上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
一種燃料電池雙極板結(jié)構(gòu)，該燃料電池雙極板結(jié)構(gòu)包含:多個還原劑極板、多個氧化劑極板及多層膜電極組件；
多個所述氧化劑極板與多個所述還原劑極板間隔對稱設(shè)置；其中，每個所述氧化劑極板與對應(yīng)的一個所述還原劑極板對稱匹配設(shè)置形成一對雙極板結(jié)構(gòu)；
每層所述膜電極組件設(shè)置在一對所述雙極板結(jié)構(gòu)的所述氧化劑極板與另一對所述雙極板結(jié)構(gòu)的所述還原劑極板之間。
[0008]每對所述雙極板結(jié)構(gòu)之間形成冷卻劑流場，每個所述還原劑極板與對應(yīng)的所述膜電極組件之間形成還原劑流道，每個所述氧化劑極板與對應(yīng)的所述膜電極組件之間形成氧化劑流道。
[0009]每個所述還原劑極板包含:
還原劑進口，還原劑通過所述還原劑進口進入所述還原劑極板內(nèi)；
第一還原劑導(dǎo)流區(qū)域，所述第一還原劑導(dǎo)流區(qū)域的一端與所述還原劑進口連接；還原劑活性反應(yīng)區(qū)域，所述第一還原劑導(dǎo)流區(qū)域的另一端與所述還原劑活性反應(yīng)區(qū)域的一端連接；
第二還原劑導(dǎo)流區(qū)域，所述第二還原劑導(dǎo)流區(qū)域一端與所述還原劑活性反應(yīng)區(qū)域的另一端連接；
還原劑出口，與所述第二還原劑導(dǎo)流區(qū)域另一端連接。
[0010]所述第一還原劑導(dǎo)流區(qū)域內(nèi)包含:
多個第一還原劑導(dǎo)流流道，每個所述第一還原劑導(dǎo)流流道的一端與所述還原劑進口連接;
多個第一還原劑導(dǎo)流流道脊，多個所述第一還原劑導(dǎo)流流道脊與多個所述第一還原劑導(dǎo)流流道間隔排列設(shè)置，每個所述第一還原劑導(dǎo)流流道脊的一端與所述還原劑進口連接；所述還原劑活性反應(yīng)區(qū)域內(nèi)包含:
多個第二還原劑導(dǎo)流流道，每個所述第二還原劑導(dǎo)流流道的一端與對應(yīng)的所述第一還原劑導(dǎo)流流道的另一端連接；
多個第三還原劑導(dǎo)流流道，多個所述第三還原劑導(dǎo)流流道與多個第二還原劑導(dǎo)流流道間隔排列，每個所述第三還原劑導(dǎo)流流道的一端與對應(yīng)的所述第一還原劑導(dǎo)流流道脊的另一端連接；
所述第二還原劑導(dǎo)流區(qū)域內(nèi)包含:
多個第四還原劑導(dǎo)流流道，每個所述第四還原劑導(dǎo)流流道的一端與對應(yīng)的所述第二還原劑導(dǎo)流流道的另一端連接；每個所述第四還原劑導(dǎo)流流道的另一端與所述還原劑出口連接;
多個第二還原劑導(dǎo)流流道脊，多個所述第二還原劑導(dǎo)流流道脊與多個所述第四還原劑導(dǎo)流流道間隔排列設(shè)置，每個所述第二還原劑導(dǎo)流流道脊的一端與對應(yīng)的所述第三還原劑導(dǎo)流流道的另一端連接，每個所述第二還原劑導(dǎo)流流道脊的另一端與所述還原劑出口連接。
[0011]還原劑通過所述還原劑進口進入所述第一還原劑導(dǎo)流區(qū)域內(nèi)的多個第一還原劑導(dǎo)流流道，并分別通過所述還原劑活性反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的多個第二還原劑導(dǎo)流流道、所述第二還原劑導(dǎo)流區(qū)域內(nèi)的多個第四還原劑導(dǎo)流流道流出至所述還原劑出口。
[0012]每個所述氧化劑極板包含:
氧化劑進口，氧化劑通過所述氧化劑進口進入所述氧化劑極板內(nèi)；該氧化劑進口與所述還原劑進口處于燃料電池雙極板結(jié)構(gòu)的同一側(cè)；
第一氧化劑導(dǎo)流區(qū)域，所述第一氧化劑導(dǎo)流區(qū)域的一端與所述氧化劑進口連接；氧化劑活性反應(yīng)區(qū)域，所述氧化劑活性反應(yīng)區(qū)域的一端與所述第一氧化劑導(dǎo)流區(qū)域的另一端連接；
第二氧化劑導(dǎo)流區(qū)域，所述第二氧化劑導(dǎo)流區(qū)域一端與所述氧化劑活性反應(yīng)區(qū)域的另一端連接；
氧化劑出口，與所述第二氧化劑導(dǎo)流區(qū)域另一端連接。
[0013]所述