一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板制造技術

本發明專利技術涉及一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板，該雙極板由兩塊完全相同的單極板連接而成，兩塊單極板上均設有燃料進出口、氧化劑進出口，冷卻液進出口和流場，其中一側單極板上的流場連接燃料進出口作為燃料流場，另一側單極板上的流場連接氧化劑進出口作為氧化劑流場，兩塊單極板夾合后夾層形成連接冷卻液進出口的冷卻液流場，即為三進三出結構，實現兩板三場功能。與現有技術相比，本發明專利技術金屬雙極板構型只需一副模具即可制備，降低了模具開發費用和成形工藝復雜性；雙極板結構緊湊，流場區域面積大，反應效率高，適合車用燃料電池的大功率、高能率密度需求；該極板適合于沖壓成形、軟膜成形、液壓脹形等大批量制造方法，制造成本低廉。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種燃料電池
的制造方法，具體是一種車用質子交換膜燃料電池的大面積金屬雙極板構型及其制造方法。
技術介紹
質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種將原料中的化學能直接轉變成電能的“化學能發電”裝置，其能量轉換效率不受卡諾循環限制，電池組的發電效率可達50%以上。同時，PEMFC具有環境友好，啟動特性優良，能量轉換效率高，運行平穩、無噪聲等特征，可望在諸多領域得到應用，尤其是在汽車動力系統中使用更是得天獨厚。PEMFC電動汽車的實用化可以解決汽車大幅度增加帶來的環境污染與能源短缺問題，為清潔汽車工業未來提供了新的契機。因此從上世紀九十年代開始就掀起了一場燃料電池汽車的研究熱潮。早在1992年，加拿大巴拉德公司在政府的資助下研制了 88KW的PEMFC電堆并裝配了世界第一輛燃料電池公共汽車。2009年，德國主要的汽車和能源公司與政府聯合啟動了 “H2 MobilityInitiative”計劃，將在2015年建成1000個加氫站，并在2020年投入使用50萬輛燃料電池汽車。中國早在2008年奧運會上就有23輛燃料電池汽車示范運行了 7. 6萬公里，在2010年世博會上這個數字上升到196輛和91萬公里。按照上汽集團的規劃，到2015年，燃料電池汽車將達到千輛級的產量規模。燃料電池汽車的大規模推廣應用對PEMFC的低成本制造提出前所未有的挑戰。雙極板是PEMFC的關鍵部件之一。據Direct Technologies公司調查統計，雙極板約占電堆體積的80%、質量的70%和成本的29%。其主要功能是支撐膜電極組件、分配反應氣體、收集電流、傳導熱量和排出產物水等。目前，PEMFC雙極板材料主要有三類石墨材料、復合材料和金屬材料。石墨雙極板導電良好、耐腐蝕性能強，目前示范應用的燃料電池汽車大都采用此種雙極板；但材料脆性極大，機械性能差，同時加工效率低，難以實現商業化大批量生產。復合材料雙極板以碳粉和樹脂為主要原料、經過模壓等方式制備而成，其成本低廉，但是復合雙極板還存在導電性和氣體滲透的問題。金屬薄板具有高的強度和導電、導熱性能，原材料便宜且適合大批量生產方式，是公認的燃料電池產業化的首選。經過對現有技術文獻的檢索發現，當前一些研究機構和公司針對金屬雙極板提出了不同的技術方案。如中國專利公開號CN 1933222A專利技術了一種神經網絡分形流道雙極板，其流場過渡區流道采用多通道神經網絡分形結構，使各流道長度及氣體在各流道中的流動阻力基本相等。然而，這種結構只能滿足一種流場需求，難以同時兼顧燃料、氧化劑和冷卻液流場。再如中國專利公開號CN 101937998A設計的一種沖壓成型的金屬雙極板，包括第一金屬板和第二金屬板。第一金屬板正面設置密封平臺區，兩板在流場流道與各氣體進出口之間設置斷續轉角導流槽，兩板冷卻液出口周邊區域設長條形凹槽。這種結構需要沖壓兩種不同構型的單極板，增加了開模成本和工藝復雜性。又如中國專利公開號CN101937997A提出一種帶有一定曲率的非平面弧形金屬雙極板，由金屬薄板制成的陰極單極板和陽極單極板相對結合構成；兩板的陰、陽極腔、冷卻介質腔和流場區溝槽和凸臺凸凹形狀相互對應，分別構成燃料氣體通道、氧化劑通道和冷卻介質通道。這種結構同樣需要加工多副模具，同時帶曲率的非平面模具加工成本高，加工精度難以保證；同時弧形金屬極板裝配困難，碳紙等氣體擴散層材料在與弧形金屬極板裝配過程中容易發生斷裂失效。最后如中國專利公開號CN 101101993A提出的基于薄板沖壓成形的雙極板，包括兩塊流場單板分別作為陽極和陰極，一塊中間支撐薄板置于流場單板直接，形成燃料、氧化劑和冷卻液進出口。這種結構需要三塊不同構型的金屬薄板才能滿足功能需求，同時，該雙極板流阻較大，難以在車用燃料電池的大面積金屬極板上應用
技術實現思路
本專利技術的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種成本低、結構緊湊、流場區域面積大、反應效率高的車用燃料電池的大面積金屬雙極板。本專利技術的目的可以通過以下技術方案來實現一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板，其特征在于，該雙極板由兩塊完全相同的單極板連接而成，兩塊單極板上均設有燃料進出口、氧化劑進出口，冷卻液進出口和流場，其中一側單極板上的流場連接燃料進出口作為燃料流場，另一側單極板上的流場連接氧化劑進出口作為氧化劑流場，兩塊單極板夾合后夾層形成連接冷卻液進出口的冷卻液流場，即為三進三出結構，實現兩板三場功能。所述的單極板上的燃料進口與氧化劑進口分別位于單極板兩端，且旋轉對稱，單極板上的流場由兩端的弓I流槽和中間的直流槽組成，所述的引流槽一端連接燃料進出口或氧化劑進出口，另一端連接直流槽，每個引流槽對應三個直流槽，將引流槽引入的燃料氣體或氧化劑氣體分成三股氣體。所述的引流槽的數目為9 25條。所述的冷卻液進出口分為大口和小口，雙極板同一側的大口和小口連接；大口連接8 12個冷卻液分配槽，小口連接6 10個冷卻液分配槽，大口與小口各自連接的冷卻液分配槽錯位布置，形成冷卻液流場。所述的雙極板整體尺寸為100X400mm，流場有效面積大于90% ;雙極板主體為平行直流場，流道數目為27 75條；其流道截面為矩形，槽深為O. 4 O. 6mm,槽寬為O. 8 I. 5mm,脊寬為O. 5 I. 2mm,圓角半徑為O. 05 O. 2mm ;密封槽截面為矩形，密封槽寬為I. 5 3. Ctam,密封槽深為O. 4 O. 6臟。所述的單極板由O. I O. 2mm厚的金屬薄板材料采用沖壓成形、軟膜成形或液壓脹形成型；兩塊單極板通過膠粘、電阻點焊或激光焊接連接。所述的雙極板周邊設有定位銷孔、定位半銷孔或定位端面。所述的雙極板側面還設有巡檢口，所述的巡檢口為長方形或半圓形。本專利技術的雙極板由兩塊完全相同的單極板構成，只需一副模具即可，降低了模具開發費用和成形工藝復雜性；雙極板結構緊湊，流場區域面積大，反應效率高，適合車用燃料電池的大功率、高能率密度需求；該極板適合于沖壓成形、軟膜成形、液壓脹形等大批量制造方法，制造成本低廉。與現有技術相比，本專利技術提出的車用燃料電池大面積金屬雙極板巧妙設計“三進三出”和“一分三”結構，采用兩塊完全相同的單極板實現了燃料、氧化劑和冷卻液分配需求，采用一模具即可制備，大幅縮短工藝開發時間，減小模具設計與加工費用，降低了制造工藝復雜性；雙極板主要流場區域采用直流道設計，適合車用燃料電池的大面積要求，同時流場有效面積大，提高了 PEMFC反應效率，提升了 PEMFC系統的能率密度；本專利技術的金屬雙極板構型適合大批量生產模式，如沖壓成形、軟膜成形和液壓脹形等，可實現燃料電池高效率、低成本制造，為燃料電池汽車的產業化道路提供了技術支撐。附圖說明圖I為本專利技術的車用燃料電池金屬雙極板燃料或氧化劑氣體流場示意圖；圖2為本專利技術的車用燃料電池金屬雙極板冷卻液流場示意圖；圖3為本專利技術的車用燃料電池金屬雙極板入口詳細圖；圖4為本專利技術的車用燃料電池金屬雙極板出口詳細圖； 圖5為本專利技術的車用燃料電池金屬雙極板流道截面示意圖；圖6為本專利技術的車用燃料電池金屬雙極板焊接路徑示意圖；圖7為本專利技術的車用燃料電池金屬雙極板定位方式示意圖；圖8為本專利技術的車用燃料電池金屬雙極板裝配的單電池性能曲線圖。其中定位銷本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板，其特征在于，該雙極板由兩塊完全相同的單極板連接而成，兩塊單極板上均設有燃料進出口、氧化劑進出口，冷卻液進出口和流場，其中一側單極板上的流場連接燃料進出口作為燃料流場，另一側單極板上的流場連接氧化劑進出口作為氧化劑流場，兩塊單極板夾合后夾層形成連接冷卻液進出口的冷卻液流場，即為三進三出結構，實現兩板三場功能。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：易培云，彭林法，徐竹田，來新民，
申請(專利權)人：上海交通大學，
類型：發明
國別省市：