一种空冷型氢燃料电池金属双极板 专利技术说明

电气元件制品的制造及其应用技术1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种空冷型氢燃料电池金属双极板。背景技术：2.氢燃料电池是一种将氢燃料中的化学能直接转化为电能中的发电装置，由于不涉及燃烧过程，其能量转化效率为传统内燃机的2～3倍，且无二氧化碳等温室气体排放，在能源日益紧缺的今天，氢燃料电池技术是一种极具潜力的能量转化技术。3.空冷型氢燃料电池以空气作为冷却介质，与以水作为冷却介质的传统燃料电池相比具有结构简单，体积小，寄生功率损耗低的特点，特别适合用作无人机电源或小型便携式电源。4.在燃料电池电堆中，双极板是仅次于膜电极(mea)的重要部件。燃料电池工作过程中涉及的反应物运输、电子收集及热量传导均与双极板密切相关。双极板的优劣直接影响燃料电池性能。双极板按材质主要可分为石墨双极板和金属双极板，两者的加工思路存在较大的差异。石墨双极板为切削去料加工，金属双极板为冲压成型，金属双极板的加工效率要远高于石墨双极板。此外，金属双极板还具备用料少、导电导热性能优越、机械强度高等特点，是双极板未来发展的主要趋势。5.近年来，空冷型石墨双极板的相关产品及专利不断出现，中国专利公开号cn102013493a，授权公开日2011-04-13，专利名称为《空冷型质子交换膜燃料电池双极板》，提出了一种针对空冷型氢燃料电池的双极板，其特点是密封可靠且电池的装配难度低。然而，该双极板的流场结构设计相对复杂，加工流程繁琐，且除双极板主体以外还有两对嵌片，零部件种类较多。采用的零部件越多，则加工装配的成本越高。而基于冲压成型的金属双极板可以有效简化加工流程，提升生产效率。然而，空冷型金属双极板却鲜有报道，其原因在于：空冷型金属双极板的阴极流道深度较大且与外界直接连通，这给电池的密封及加工成型带来很大的挑战。6.专利申请cn202011460709.1公开了一种燃料电池金属双极板及阴极闭式空冷电堆，包括依次连接的阳极板、空气冷却板和阴极板，还包括用于防止气体泄漏的密封圈，所述阳极板远离所述空气冷却板的一侧设有燃料气体流道，所述燃料气体流道沿所述金属双极板的长度方向设置；所述阴极板远离所述空气冷却板的一侧设有反应空气流道，所述反应空气流道沿所述金属双极板的长度方向设置；所述空气冷却板的两侧分别设有冷却空气流道，所述冷却空气流道沿所述金属双极板的宽度方向设置。然而，该空冷双极板内部结构较为复杂，内部存在三种流道：燃料气体流道，反应空气流道和冷却空气流道。这会导致双极板的设计和加工难度加大，流场密封难度加大。技术实现要素：7.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空冷型氢燃料电池金属双极板。8.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种空冷型氢燃料电池金属双极板，规定单极板与膜电极相接触的一面为正面，另一面为背面。该双极板由阴极侧单极板和阳极侧单极板焊接而成，阳极单极板正面对称设置有燃料气体通道和阳极流场区，在燃料气体通道和阳极流场区外围设有闭合环状密封槽；所述的阴极单极板正面对称设置有燃料气体通道和阴极流场区，阴极流场区直接与外界相通，空气既作为氧化剂，又作为冷却剂，阴极流场区同时也是冷却剂流场，实现了“一场两用”。9.阳极单极板正面对称设置有燃料气体通道、密封槽、流场区和定位孔，阳极单极板背面随正面冲压自然成型。阴极单极板正面同样对称设置有燃料气体通道、密封槽、支撑筋和定位孔，阴极单极板背面随正面冲压自然成型。10.所述的阳极侧单极板的阳极流场区由一组互相平行的阳极流场凹槽和阳极流场凸台交替组成，其中，阳极流场凹槽宽度为0.4～2mm，深度为0.3～1mm；阳极流场凸台宽度为0.8～4mm，深度与阳极流场凹槽深度相等。11.所述的阳极侧单极板上，燃料气体通道与阳极流场区连通，氢气通过燃料气体通道进入阳极流场区。12.所述的阳极侧单极板上设置的闭合环状密封槽与相同尺寸的密封垫圈配合使用或在闭合环状密封槽内注入硅胶；所述闭合环状密封槽底部受阴极侧单极板凹槽的底支撑，优选地，使用m5型号螺丝装配时，装配扭矩为3～5n·m(牛·米)13.所述的阴极侧单极板的阴极流场区由一组互相平行的阴极流场凹槽和阴极流场凸台交替组成，阴极流场凹槽和阴极流场凸台直接与外界相通；阴极流场凹槽宽度为1～4mm，凹槽深度为0.8～3mm；阴极流场凸台宽度为0.8～3mm，深度与阴极流场凹槽深度相等。14.所述的阴极侧单极板上设有条状密封槽，条状密封槽中心为燃料气体通道，条状密封槽与相同尺寸的密封垫圈配合使用，将燃料气体通道与外界环境隔开，确保氢气不会泄漏。15.所述的阴极侧单极板对称布有支撑筋，支撑筋与阳极侧单极板密封槽底端相接触，起支撑作用，确保阳极侧单极板短边处的密封效果。16.所述的支撑筋对称布置在阴极侧单极板两端，位于燃料气体通道外侧。17.所述的支撑筋呈半包状，其高度为1.5～2.2mm，宽度为2.5～4.5mm，加工倒角尺寸为0.7～1mm。该支撑筋的设计一方面确保阳极侧单极板短边处密封良好，另一方面使阴极板和阳极板之间形成一定高度的空间，保证空气大量进入，参与反应的同时进行散热。18.所述的阴极流场区和阳极流场区的流道呈垂直设置。19.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：20.(1)双极板由薄金属片冲压成型，用料节省，相比同构型的石墨双极板，重量下降40％以上。同时，由于本发明的加工方式为冲压成型，能够大幅提升生产效率，并降低生产成本。金属双极板还是良好的热与电的导体，有望进一步提升电池性能。故本发明应用前景十分广阔。21.(2)本技术阴极流场区和阳极流场区的流道为平行直流道，产生的流动阻力较低，阴极侧的波浪形流道(图3)相对石墨双极板可以最大限度的拓宽气流横截面，故可在相同的气体压差下实现更大的流量，有效提升传质与换热能力；同时，通过优化流道的深度和宽度，提升散热效率，从而无需额外设置冷却翅片就能实现空冷。附图说明22.图1本发明阳极侧单极板结构示意图；23.图2本发明阴极侧单极板结构示意图；24.图3本发明阴极侧单极板侧面结构示意图；25.图4本发明阳极侧单极板流场流道截面示意图(即图1的a-a)剖视图；26.图5本发明阳极侧单极板和阴极侧单极板组合截面示意图；27.示意图说明：1阳极侧单极板；2阴极侧单极板；3燃料气体通道；4闭合环状密封槽；5条状密封槽；6阳极流场区；7阴极流场区；8支撑筋；9阴极侧流道；10阳极侧流道。具体实施方式28.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。29.实施例30.一种空冷型燃料电池金属双极板，双极板具体由阴极侧单极板2和阳极侧单极板1焊接而成，阳极侧单极板1正面对称设置有燃料气体通道、密封槽、流场区和定位孔；阴极侧单极板2正面同样对称设置有燃料气体通道、密封槽、支撑筋和定位孔(规定单极板与膜电极相接触的一面为正面，另一面为背面)。31.具体地，32.如图1所示，为阳极侧单极板结构示意图，阳极单极板1正面对称设置有燃料气体通道3和阳极流场区6，燃料气体通道3与阳极流场区6连通，氢气经燃料气体通道3进入阳极流场区6，阳极流场区6内交替布置有一组互相平行的阳极流场凹槽和阳极流场凸台。氢气在阳极流场凹槽内流动并扩散至整个流场，平直的流道设计降低了气体在流动过程中的阻力；阳极流场凸台与膜电极(mea)接触，电子经由阳极流场凸台被导出。阳极流场区6外围设置有闭合环状密封槽4，闭合环状密封槽4将阳极流场区6与外界环境分隔开来，阻止了氢气的泄漏。其中，阳极流场凹槽宽度为0.4～2mm，深度为0.3～1mm；阳极流场凸台宽度为0.8～4mm，深度与阳极流场凹槽深度相等。33.图4为阳极侧单极板流场流道截面示意图，阳极流场凹槽和阳极流场凸台交替分部，在阳极流场区6外围设有密封圈，起密封作用。34.如图2所示，为阴极侧单极板结构示意图。所述的阴极单极板2正面对称设置有燃料气体通道3和阴极流场区7，阴极流场区7由一组互相平行的阴极流场凹槽和阴极流场凸台交替组成，阴极流场凹槽和阴极流场凸台直接与外界相通；阴极流场区7位于极板的中间位置，且与外界环境贯通,空气既作为氧化剂，又作为冷却剂，阴极流场区同时也是冷却剂流场，实现了“一场两用”。阴极流场凹槽宽度为1～4mm，凹槽深度为0.8～3mm；阴极流场凸台宽度为0.8～3mm，深度与阴极流场凹槽深度相等。35.阴极侧单极板2上设有条状密封槽5，条状密封槽5中心为燃料气体通道3，条状密封槽5与相同尺寸的密封垫圈配合使用，将燃料气体通道与外界环境隔开，确保氢气不会泄漏。36.在阴极侧单极板2的两端设有支撑筋8，支撑筋8与阳极侧密封槽4相接触，强化密封效果。支撑筋8对称布置在阴极侧单极板2两端，位于燃料气体通道3外侧。所述的支撑筋8呈半包状，其高度为1.5～2.2mm，在本实施例中优选2mm，宽度为2.5～4.5mm，在本实施例中优选2mm，加工倒角尺寸为0.7～1mm，在本实施例中优选0.8mm，该支撑筋的设计一方面确保阳极侧单极板短边处密封良好，另一方面使阴极板和阳极板之间形成一定高度的空间，保证空气大量进入，参与反应的同时进行散热。37.图3为阴极侧单极板侧面结构示意图，阴极流场区7内交替布置有一组互相平行的阴极流场凹槽和阴极流场凸台，整体呈波浪状。外界空气经流场凹槽进入电堆内部，带来反应气体的同时带走电池反应产生的热量。38.阳极侧单极板1的流场凹槽底部与阴极侧单极板2的流场凹槽底相接触且互相垂直。39.图5为阳极侧单极板1和阴极侧单极板2组合截面示意图；从图中可以看出阴极单侧板2的支撑筋8有力地支撑了阳极单侧板1的闭合环状密封槽4底部，避免施加应力后闭合环状密封槽4发生过量形变，确保了密封效果。同时，阴极侧流道9顶部与阳极侧流道10底部相接触，流道走向互相垂直，接触处采用点焊处理，有效降低了双极板间的接触电阻。40.本发明有效解决了空冷型金属双极板电堆的密封问题的同时降低双极板40％的重量，且零件加工步骤简单，生产效率高，易于批量生产，极具应用前景。41.本发明权利要求所限定的范围并不受上述具体实施细节的限定。本领域技术人员依照本发明的设计原则对本发明所做的任何修改、尺寸变化、类似结构替换以及修饰改进均应在本发明的保护范围之内。









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