一種具有對(duì)流式冷卻液流場(chǎng)的金屬雙極板的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有對(duì)流式冷卻液流場(chǎng)的金屬雙極板。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池作為一種高效、環(huán)境友好的發(fā)電裝置，在基站電源、中小型電站、電動(dòng)車、備用電源、便攜電源等方面，具有廣闊的應(yīng)用前景。燃料電池可以分為質(zhì)子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池、堿性燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融鹽燃料電池、微生物燃料電池、生物燃料電池等。
[0003]燃料電池主要由端板、集電板、雙極板、膜電極等組成。雙極板是燃料電池的支架部分，主要起支撐、分布導(dǎo)流氣體并隔離氣體和集流導(dǎo)電的作用，目前做雙極板的材料主要有兩大類:一類是石墨做的雙極板，一類是金屬雙極板。由于金屬雙極板具有質(zhì)量輕、板材薄、易加工和規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越被用于燃料電池產(chǎn)業(yè)。金屬雙極板的加工工藝不同于傳統(tǒng)的石墨雙極板的加工工藝，金屬雙極板主要以板材沖壓為主，所以金屬雙極板對(duì)燃料電池的氣體流場(chǎng)的設(shè)計(jì)要求較高，氣體流場(chǎng)的設(shè)計(jì)不但需要設(shè)計(jì)氣體的均勻分布，而且需要兼顧冷卻液的流場(chǎng)設(shè)計(jì)。
[0004]公布號(hào)為CN 103700865A的發(fā)明專利“一種用于燃料電池的金屬雙極板”，在陽(yáng)極單極板和陰極單極板上均對(duì)應(yīng)設(shè)置有冷卻液進(jìn)口主流道和冷卻液出口主流道并在所述進(jìn)口和出口處為同向彎折結(jié)構(gòu)，焊接貼合后形成過(guò)橋結(jié)構(gòu)的冷卻液導(dǎo)流通道，冷卻液進(jìn)口主流道中的反應(yīng)物經(jīng)過(guò)冷卻液導(dǎo)流通道流入冷卻液流道，再經(jīng)冷卻液導(dǎo)出通道由冷卻液出口主流道流出。該結(jié)構(gòu)中冷卻液流道形成在陽(yáng)極單極板和陰極單極板之間、兩板共有一個(gè)冷卻液流道，冷卻不均勻，冷卻效率低。
[0005]公布號(hào)為CN103441289A的發(fā)明專利“雙極板、燃料電池和燃料電池堆”公開(kāi)了一種雙極板，雙極板具有第一氣體進(jìn)口、第一氣體出口、第二氣體進(jìn)口和第二氣體出口，第一氣體進(jìn)口和第一氣體出口分別設(shè)置在第一導(dǎo)流槽的兩端，第二氣體進(jìn)口和第二氣體出口分別設(shè)置在第二導(dǎo)流槽的兩端，第一導(dǎo)流槽為蛇形，第一緩存槽為塊狀凹槽，且第一導(dǎo)流槽與第一緩存槽的深度相同，用以均勻分布反應(yīng)氣。陽(yáng)極板和/或陰極板相向設(shè)置的表面上設(shè)置有冷卻液導(dǎo)流槽，雙極板上具有冷卻液進(jìn)口和冷卻液出口，冷卻液導(dǎo)流槽的第一端與冷卻液進(jìn)口連通，冷卻液導(dǎo)流槽的第二端與冷卻液出口連通。當(dāng)陽(yáng)極板和陰極板在工作過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)多熱量時(shí)，通過(guò)在冷卻液導(dǎo)流槽內(nèi)通入冷卻液或水，可以達(dá)到對(duì)雙極板散熱的目的，從而保證燃料電池穩(wěn)定運(yùn)行。該結(jié)構(gòu)中雖解決了氣體流場(chǎng)均勻的問(wèn)題，但沒(méi)有就冷卻液導(dǎo)流槽的結(jié)構(gòu)做出改進(jìn)設(shè)計(jì)，冷卻效率低。
[0006]公布號(hào)為CN102306813A的發(fā)明專利“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(chǎng)單板和一塊中間流場(chǎng)單板，分別作為氧化劑流場(chǎng)板、燃料氣體流場(chǎng)板和冷卻液流場(chǎng)板，兩塊氣體流場(chǎng)單板通過(guò)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(chǎng)單板兩側(cè)的接觸面，分別連接所述中間流場(chǎng)單板兩側(cè)，組合成所述燃料電池雙極板；每個(gè)流場(chǎng)單板上均設(shè)有三個(gè)進(jìn)口和三個(gè)出口，分別為:氧化劑進(jìn)口、冷卻液進(jìn)口、燃料氣體進(jìn)口、氧化劑出口、冷卻液出口和燃料氣體出口。其中所述氣體流場(chǎng)單板的一側(cè)是反應(yīng)氣體流動(dòng)區(qū)域，所述氣體流場(chǎng)單板的另一側(cè)對(duì)應(yīng)于氣體流動(dòng)區(qū)域的脊部是液體流場(chǎng)溝槽；所述中間流場(chǎng)單板的一側(cè)為沖壓形成的流場(chǎng)溝槽，與所述氣體流場(chǎng)板的液體流場(chǎng)溝槽構(gòu)造成冷卻液流道。該結(jié)構(gòu)采用三塊單板，在兩塊氣體流場(chǎng)單板和中間流場(chǎng)單板之間形成冷卻液流道，但采用中間流場(chǎng)單板，增加了整體體積、提高了加工復(fù)雜性。
[0007]現(xiàn)有的金屬雙極板流場(chǎng)設(shè)計(jì)，主要存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題:1、以氣體流場(chǎng)分布為主，很少兼顧冷卻液流道，燃料電池電堆的內(nèi)部冷卻效果不均一，導(dǎo)致燃料電池電堆內(nèi)部溫度分布不均一，有些區(qū)域溫度較高，溫差較大，造成燃料電池內(nèi)部“熱點(diǎn)”現(xiàn)象。燃料電池電堆長(zhǎng)時(shí)間在這種條件下工作，會(huì)導(dǎo)致燃料電池電堆性能和壽命的急劇減少；2、采用三層板的結(jié)構(gòu)，雙極板的層數(shù)多，會(huì)導(dǎo)致:a、電堆的體積加大；b、增加了雙極板結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和其加工工藝的復(fù)雜性；C、增加了雙極板界面電阻導(dǎo)致燃料電池電堆的內(nèi)阻增大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]發(fā)明目的:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種具有對(duì)流式冷卻液流場(chǎng)的金屬雙極板，通過(guò)合理的流場(chǎng)設(shè)計(jì)，在保證氣體分布均勻的條件下，解決了傳統(tǒng)的流道無(wú)法解決冷卻液均勻分布的問(wèn)題。
[0009]技術(shù)方案:本發(fā)明所述的具有對(duì)流式冷卻液流場(chǎng)的金屬雙極板，包括結(jié)構(gòu)相同的氫板和氧板，所述氫板和氧板沖壓有冷卻液進(jìn)口、冷卻液出口以及走向呈S型的冷卻液流道，冷卻液進(jìn)口和冷卻液出口位于所述氫板和氧板兩側(cè)的中部；所述氫板和氧板以具有冷卻液流道測(cè)相對(duì)層疊相連，在所述氫板和氧板之間形成呈中心對(duì)稱的氫板冷卻液流道和氧板冷卻液流道；所述氫板和氧板的冷卻液進(jìn)口連通，所述氫板和氧板的冷卻液出口連通，冷卻液從所述氫板或氧板的冷卻液進(jìn)口進(jìn)入，分別流向氫板冷卻液流道入口和氧板冷卻液流道入口，流經(jīng)氫板冷卻液流道、氧板冷卻液流道后，分別從氫板冷卻液流道出口和氧板冷卻液流道出口流出至所述氫板和氧板的冷卻液出口。
[0010]進(jìn)一步優(yōu)化上述技術(shù)方案，所述氫板和氧板的冷卻液進(jìn)口與所述氫板冷卻液流道入口、所述氧板冷卻液流道入口之間的流道呈Y型；所述氫板和氧板的冷卻液出口與所述氫板冷卻液流道出口、所述氧板冷卻液流道出口之間的流道呈Y型。
[0011]通過(guò)上述設(shè)計(jì)，在冷卻液進(jìn)口和冷卻液出口之間的形成Y-S-Y型冷卻液流場(chǎng)，且氫板冷卻液流道與氧板冷卻液流道之間呈對(duì)流狀態(tài)，提高了冷卻效果，保證冷卻過(guò)程的均勻性，有利于溫度控制。
[0012]所述氫板冷卻液流道和氧板冷卻液流道分別由至少三條冷卻液流道脊以及冷卻液流道脊之間的冷卻液流道槽組成。
[0013]所述氫板和氧板冷卻液流道脊的寬度均為0.5-3mm，所述氫板冷卻液流道槽的深度為0.3-2mm，所述氧板冷卻液流道槽的深度為0.4_3mm。氫板、氫板冷卻液流道脊和冷卻液流道槽的參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)于由其形成的冷卻液流場(chǎng)和相應(yīng)的氣體流場(chǎng)均具有重要影響，參數(shù)太大或太小都不合適。
[0014]作為優(yōu)選，所述氫板和氧板冷卻液流道脊的寬度均為1.5mm，所述氫板冷卻液流道槽的深度為1mm，所述氧板冷卻液流道槽的深度為2mm。通過(guò)對(duì)氫板、氫板冷卻液流道脊和冷卻液流道槽進(jìn)行上述優(yōu)選值的設(shè)計(jì)，冷卻液在冷卻液流場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行均勻分布的效果達(dá)到最佳，對(duì)冷卻液流場(chǎng)的溫度控制效果達(dá)到最好，保證整個(gè)冷卻液流場(chǎng)內(nèi)無(wú)熱點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)流道無(wú)法解決的問(wèn)題；同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬雙極板進(jìn)行更加充分合理的利用以及氣體流場(chǎng)和冷卻液流場(chǎng)之間的調(diào)整和控制，保證冷卻液以及氣體在相應(yīng)流場(chǎng)內(nèi)均進(jìn)行合理的分布，在液體、氣體的流動(dòng)過(guò)程中金屬板受到的壓力更均勾，進(jìn)出口的氣密性良好。
[0015]所述氫板冷卻液流道的直線區(qū)脊與所述氧板冷卻液流道的直線區(qū)脊相互接觸，所述氫板冷卻液流道的拐彎區(qū)脊與所述氧板冷卻液流道的直線區(qū)脊相互交錯(cuò)。氫板冷卻液流道與氧板冷卻液流道相互連通交錯(cuò)，有助于冷卻液的流動(dòng)，保證冷卻效果更均勻。
[0016]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
[0017]1、本發(fā)明優(yōu)化金屬雙極板的氣體流道設(shè)計(jì)，可以使金屬雙極板流場(chǎng)設(shè)計(jì)更加多樣化；
[0018]2、采用兩層板結(jié)構(gòu)替代三層板結(jié)構(gòu)，節(jié)約成本，使電堆結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，輕便化，更便于雙極板的規(guī)?；a(chǎn)與加工；
[0019]3、氫板和氧板均有冷卻液流道，使電堆的冷