一种金属双极板结构的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种金属双极板结构。


背景技术：

2.近年来，由于全球环境污染问题的日渐加重，各国对环境的保护力度逐渐增加。氢氧燃料电池以其较高的能量转化效率及排放物的无污染等优势，引起了各国广泛关注。针对氢氧燃料电池的相关研发与产业化的工作正在如火如荼的进行中。双极板作为燃料电池的核心部件，主要分为三类：石墨双极板、复合双极板及金属双极板。金属双极板相对于其它两种双极板具有成本低、易成型、体积小等优势，具有较大的开发潜力。
3.金属双极板具有选材范围广、材料成本低、易于批量化生产。金属双极板工艺主要包括成型、焊接及涂层制备。现有的金属双极板在焊接过程中存在：对金属双极板流场部分定位的容错率低、金属双极板阴阳极流场形状要求过多、双极板容易翘曲及双极板焊接成品率低等问题。
4.申请号“cn209912963u”通过引入金属隔板，解决燃料电池金属双极板局部过热问题，但是，隔板的引入会增加隔板和极板的接触电阻与隔板的本体电阻，最终导致金属双极板整体电阻大幅上升，降低燃料电池电堆的输出功率，增加热量损耗。因此，本实用新型针对金属双极板应用过程中出现的这些问题进行结构的创新。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种金属双极板结构，该结构可解决由接触电阻带来的双极板本体电阻增加的问题，能够提高金属双极板电池单池或电堆的输出功率。
6.为了实现上述目的，本实用新型提供一种金属双极板结构，包括阳极板、阴极板和冷却腔隔板，所述冷却腔隔板位于所述阴极板的冷却腔和所述阳极板的冷却腔之间，所述冷却腔隔板的两侧分别通过阳极流场固定线和阴极流场固定线固设于所述阳极板和所述阴极板上。
7.通过上述技术方案，本技术通过阳极流场固定线和阳极流场固定线的设置，避免了冷却腔隔板与阳极板和阴极板的直接接触，能够减少由接触电阻带来的双极板本体电阻增加的问题，从而提高金属双极板单池或电堆的输出功率；并且，本技术通过阳极流场固定线和阴极流场固定线的设置，放宽阴极板和阳极板活性区流场的设计要求。
8.在一些实施方式中，所述阳极流场固定线设置为阳极流场焊线或者阳极流场粘接线；优选地，所述阳极流场固定线为阳极流场焊线。
9.在一些实施方式中，所述阴极流场固定线设置为阴极流场焊线或者阴极流场粘接线；优选地，所述阴极流场固定线为阴极流场焊线。
10.本技术中，阳极流场焊线是通过将阳极流场的凹槽底部与冷却腔隔板焊接在一起形成的，阳极流场粘接线是通过将阳极流场的凹槽底部与冷却腔隔板粘接在一起形成的；
阴极流场焊线是通过将阴极流场的凹槽底部与冷却腔隔板焊接在一起形成的，阴极流场粘接线是通过将阴极流场的凹槽底部与冷却腔隔板粘接在一起形成的。
11.在一些实施方式中，所述冷却腔隔板的外周面与所述阴极板的冷却腔的内周面和/或所述阳极板的冷却腔的内周面相接触。
12.冷却腔隔板的外周面是指，冷却腔隔板水平放置时其四周边缘的竖直面。本技术中，冷却腔隔板与阴极板的冷却腔的内周面和/或阳极板的冷却腔的内周面相接触这一设置使得阴极板与阳极板的设计不受约束，放宽阴极板和阳极板活性区流场的设计要求，从而增加双极板的阴极流场和阳极流场形状的多样性，解决了传统金属双极板的阳极板与阴极板匹配时对夹具定位容错性小的难题。
13.在一些实施方式中，所述阳极板经冲压形成阳极流场，所述阴极板经冲压形成阴极流场，所述阳极流场的凹槽底部和所述阴极流场的凹槽底部在所述冷却腔隔板上的正投影至少部分重合；优选地，所述阳极流场凹槽底部与所述阴极流场凹槽底部在垂直于双极板的方向完全重合设计；优选地，所述阳极流场凹槽底部与所述阴极流场凹槽底部错位设计。
14.在一些实施方式中，所述冷却腔隔板上设置有若干通孔。
15.本技术中，通孔的作用是保持冷却腔水均匀分配，通孔的位置、大小及形状不受局限。
16.在一些实施方式中，阳极流场固定线将所述冷却腔隔板与阳极流场的凹槽底部的背面固定连接；阴极流场固定线将所述冷却腔隔板与阴极流场的凹槽底部的背面固定连接。
17.本技术中，阳极流场固定线使得冷却腔隔板和阳极流场实现固定，阴极流场固定线使得冷却腔隔板与阴极流场实现固定，阳极流场固定线与阴极流场固定线为非连续设置。
18.在一些实施方式中，所述阳极流场设置为直形流场、蛇形流场、仿生流场中的一种，所述阴极流场设置为直形流场、蛇形流场、仿生流场中的一种。
19.在一些实施方式中，所述阳极板经冲压形成环形的阳极板密封槽，所述阳极流场位于所述阳极板密封槽的环内，所述阳极板的冷却腔位于所述阳极流场的背面。
20.在一些实施方式中，所述阴极板经冲压形成环形的阴极板密封槽，所述阴极流场位于所述阴极板密封槽的环内，所述阴极板的冷却腔位于所述阴极流场的背面。
21.在一些实施方式中，所述阳极板密封槽的背面与所述阴极板密封槽的背面连接，连接方式选自焊接或粘接；优选地，连接方式为焊接。
22.在一些实施方式中，所述阳极板密封槽的深度与所述阴极板密封槽的深度之和等于阳极流场的深度、阴极流场的深度及冷却腔隔板的厚度之和。
23.本技术中，将阴阳极板密封槽的深度之和设置成阴阳极流场的深度与冷却腔隔板的厚度之和的目的是使阳极板、阴极板及冷却腔隔板三者之间局部实现贴合。
24.在一些实施方式中，所述阳极板密封槽的深度为0.25
‑
0.65mm，所述阳极流场的深度为0.2
‑
0.6mm，所述阴极板密封槽的深度为0.25
‑
0.65mm，所述阴极流场的深度为0.2
‑
0.6mm，所述冷却腔隔板的厚度为0.05
‑
0.15mm；优选地，所述阳极板密封槽的深度为0.45mm，所述阳极流场的深度为0.4mm，所述阴极板密封槽的深度为0.45mm，所述阴极流场
的深度为0.4mm，所述冷却腔隔板的厚度为0.1mm。
25.在一些实施方式中，所述阳极板的厚度为0.05
‑
0.2mm，所述阴极板的厚度为0.05
‑
0.2mm；优选地，所述阳极板的厚度为0.1mm，所述阴极板的厚度为0.1mm。
26.本技术中，阳极板的厚度是指在没有进行冲压变形前阳极板的厚度；阴极板的厚度是指在没有进行冲压变形前阴极板的厚度。
27.在一些实施方式中，所述阳极板和所述阴极板的材料选自不锈钢、钛、铜中的一种；优选地，所述阳极板的材料为不锈钢；优选地，所述阴极板的材料为不锈钢。
28.在一些实施方式中，所述冷却腔隔板采用冷轧未退火金属材质；优选地，所述冷却腔隔板的材料选自不锈钢、钛、铜中的一种；更优选地，所述冷却腔隔板的材料为不锈钢。
29.本技术中，冷却腔隔板采用冷轧未退火金属材质，增加材质本身刚度，减小双极板的翘曲程度。
30.在一些实施方式中，所述阳极板包括第一氢气进气口、第一冷却水进口、第一空气进气口、第一空气出气口、第一冷却水出口及第一氢气出气口，所述阴极板包括第二氢气进气口、第二冷却水进口、第二空气进气口、第二空气出气口、第二冷却水出口及第二氢气出气口。
31.在一些实施方式中，所述第一氢气进气口与所述第二氢气进气口对应，所述第一氢气出气口与所述第二氢气出气口对应，所述第一空气进气口与所述第二空气进气口对应，所述第一空气出气口与所述第二空气出气口对应，所述第一冷却水进口与所述第二冷却水进口对应，所述第一冷却水出口与所述第二冷却水出口对应。
32.在一些实施方式中，所述第一氢气进气口与所述第一氢气出气口通过阳极流场连接；所述第二空气进气口与所述第二空气出气口通过所述阴极流场连接；所述第一冷却水进口与所述第一冷却水出口通过所述阴极板的冷却腔和所述阳极板的冷却腔连接。
33.本实用新型的有益效果为：
34.1、本技术将冷却腔隔板通过焊接(或粘接)的方式与阴极板和阳极板连接，阳极流场固定线和阴极流场固定线可解决由接触电阻带来的双极板本体电阻增加的问题，提高金属双极板单池的输出功率，其中，金属双极板本体面电阻率由原来的134mω
·
cm2降低至61.6mω
·
cm2，且双极板组装的燃料电池单池功率由原来的161w提高到232w，提高了44.1％；
35.2、本技术的金属双极板结构通过增加冷却腔隔板的外周面与阴极板的冷却腔的内周面和/或阳极板的冷却腔的内周面相接触，阳极流场的凹槽底部与阴极流场的凹槽底部既可以在垂直于双极板的方向完全重合设计，又可以错位设计，放宽阴极板和阳极板活性区流场的设计要求，解决了传统双极板的阳极板与阴极板匹配时对夹具定位容错性小的难题；
36.3、冷却腔隔板采用冷轧未退火金属材质，增加材质本身刚度，减小双极板的翘曲程度；
37.4、本技术通过对金属双极板结构的创新，提高金属双极板成品率，成品率由61.3％提高至99.8％，从而能够促进燃料电池金属双极板的商业化。
附图说明
38.图1为本技术的金属双极板结构示意图；
39.图2为本技术的阳极板结构示意图；
40.图3为本技术的阴极板结构示意图；
41.图4为本技术的冷却腔隔板示意图；
42.图5为本技术的金属双极板截面示意图。
43.1、阳极板；2、冷却腔隔板；3、阴极板；4、第一氢气进气口；5、第一冷却水进口；6、第一空气进气口；7、第一空气出气口；8、第一冷却水出口；9、第一氢气出气口；10、阳极板密封槽；11、阳极流场；12、第二氢气进气口；13、第二冷却水进口；14、第二空气进气口；15、第二空气出气口；16、第二冷却水出口；17、第二氢气出气口；18、阴极板密封槽；19、阴极流场；20、阳极流场固定线；21、阴极流场固定线；22、密封焊线。
具体实施方式
44.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。各个示例通过本技术的解释的方式提供而非限制本技术。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本技术的范围或精神的情况下，可在本技术中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本技术包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
45.在本技术的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术而不是要求本技术必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。本技术中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
46.实施例：一种金属双极板结构，如图1
‑
4所示，包含阳极板1、冷却腔隔板2及阴极板3，冷却腔隔板2安装于阳极板1的冷却腔和阴极板3的冷却腔之间，且阳极板1、冷却腔隔板2和阴极板3平行设置，冷却腔隔板2上设置有若干通孔。
47.需要说明的是，通孔的作用是保持冷却腔水均匀分配，通孔的位置、大小及形状不受局限。
48.需要说明的是，冷却腔隔板2、阳极板1和阴极板3的材料选自不锈钢、钛、铜中的一种，本实施例中的阳极板1、阴极板3和冷却腔隔板2的材料均为不锈钢。
49.参考图2和图3所示，阳极板1经冲压形成阳极流场11和环形的阳极板密封槽10，阳极流场11和阳极板密封槽10同侧设置，阳极流场11位于阳极板密封槽10内，阳极板1的冷却腔位于阳极板密封槽10的背面；阳极流场11设置为直形流场、蛇形流场、仿生流场中的一种，本实施例中设置为蛇形流场。阴极板3经冲压形成阴极流场19和环形的阴极板密封槽18，阴极流场19和阴极板密封槽18同侧设置，阴极流场19位于阴极板密封槽18内，阴极板3的冷却腔位于阴极板密封槽18的背面；阴极流场19设置为直形流场、蛇形流场、仿生流场中的一种，本实施例中设置为蛇形流场。
50.参考图5所示，冷却腔隔板2的两侧分别通过阳极流场固定线20和阴极流场固定线21固设于阳极板1和阴极板3上，阳极流场固定线20选自阳极流场焊线或阳极流场粘接线，阴极流场固定线21选自阴极流场焊线或阴极流场粘接线。
51.示例性地，阳极流场固定线20为阳极流场焊线，即为，阳极流场11凹槽底部与冷却腔隔板2的连接方式为焊接；阴极流场固定线21为阴极流场焊线，即为，阴极流场19凹槽底部与冷却腔隔板2的连接方式为焊接。
52.示例性地，阳极流场固定线20为阳极流场粘接线，即为，阳极流场11凹槽底部与冷却腔隔板2的连接方式为通过导电粘结剂粘接；阴极流场固定线21为阴极流场粘接线，即为，阴极流场19凹槽底部与冷却腔隔板2的连接方式为通过导电粘结剂粘接。参考图5所示，本实施例中冷却腔隔板2的外周面与阳极板1的冷却腔和阴极板3的冷却腔的内周面相接触，且阳极流场11的凹槽底部和阴极流场19的凹槽底部在冷却腔隔板2上的正投影至少部分重合。
53.示例性地，阳极流场11凹槽底部与阴极流场19凹槽底部在垂直于冷却腔隔板2上的正投影完全重合设计，如图5a。
54.示例性地，阳极流场11凹槽底部与阴极流场19凹槽底部在垂直于冷却腔隔板2上的正投影错位设计，如图5b。
55.需要说明的是，本技术中的金属双极板结构使得阴极板3与阳极板1的设计不受约束，放宽阴极板3和阳极板1活性区流场的设计要求，从而增加金属双极板的阴极流场19和阳极流场11形状的多样性。
56.阳极板密封槽10的深度与阴极板密封槽18的深度之和等于阳极流场11的深度、阴极流场19的深度及冷却腔隔板2的厚度之和，其中，阳极板密封槽10的深度为0.25
‑
0.65mm，阳极流场11的深度为0.2
‑
0.6mm，阴极板密封槽18的深度为0.25
‑
0.65mm，阴极流场19的深度为0.2
‑
0.6mm，冷却腔隔板2的厚度为0.05
‑
0.15mm，阳极板1的厚度为0.05
‑
0.2mm，阴极板3的厚度为0.05
‑
0.2mm。
57.示例性地，阳极板密封槽10的深度为0.45mm，阳极流场11的深度为0.4mm，阴极板密封槽18的深度为0.45mm，阴极流场19的深度为0.4mm，冷却腔隔板2的厚度为0.1mm，阳极板1的厚度为0.1mm，阴极板3的厚度为0.1mm。
58.需要说明的是，本技术的阴极板3和阳极板1的厚度为没有进行冲压变形前的厚度，阳极板1和阴极板3经冲压后的厚度不变。
59.参考图2
‑
3和图5所示，阳极板1包括第一氢气进气口4、第一冷却水进口5、第一空气进气口6、第一空气出气口7、第一冷却水出口8及第一氢气出气口9，阴极板3包括第二氢气进气口12、第二冷却水进口13、第二空气进气口14、第二空气出气口15、第二冷却水出口16及第二氢气出气口17。第一氢气进气口4与第二氢气进气口12对应，第一氢气出气口9与第二氢气出气口17对应，第一空气进气口6与第二空气进气口14对应，第一空气出气口7与第二空气出气口15对应，第一冷却水进口5与第二冷却水进口13对应，第一冷却水出口8与第二冷却水出口16对应，第一氢气进气口4与第一氢气出气口9通过阳极流场11连接，第二空气进气口14与第二空气出气口15通过阴极流场19连接，第一冷却水进口5与第一冷却水出口8通过阴极板3的冷却腔和阳极板1的冷却腔连接。阳极板密封槽10的背面与阴极板密封槽18的背面连接，连接方式选自焊接、粘接中的一种，本实施例中的连接方式为焊接。
60.一种金属双极板的制备例，金属双极板测试方法参考“gb/t 20042.6
‑
2011”。
61.制备例1：
62.s1：首先阳极板1、冷却腔隔板2及阴极板3的材质选取316l不锈钢材料，厚度均为0.1mm。阳极流场11的深度为0.4mm，阴极流场19的深度为0.4mm，阳极板密封槽10的深度为0.45mm，阴极板密封槽18的深度为0.45mm。
63.s2：将阳极板1与316l不锈钢冷却腔隔板2通过焊接夹具进行定位，使得阳极流场11的凹槽部分与316l不锈钢冷却腔隔板2接触，输入焊接轨迹，采用连续焊接方式，功率为165w，速度为40mm/s，在阳极流场11位置形成阳极板流场焊接线20(见图5a)。
64.s3：在s2的基础上，使得阴极流场19的凹槽部分与316l不锈钢冷却腔隔板2接触，输入焊接轨迹，采用连续焊接方式，功率为165w，速度为40mm/s，在阴极流场19位置形成阴极板流场焊接线21(见图5a)。
65.s4：在s3的基础上，阳极板密封槽10与阴极板密封槽18对应贴合接触，输入焊接轨迹，采用连续焊接方式，功率为190w，速度为50mm/s，形成边缘密封焊线22(见图5a)，本制备例1中，阳极流场焊线20与阴极流场焊线21为非连续结构，密封焊线22为连续结构，能够使得冷却腔隔板2实现密封的功能。
66.该工艺条件制得金属双极板成品率＞95.8％，面接触电阻＜73.6mω
·
cm2，金属双极板单池的功率203w。
67.制备例2：
68.s1：首先阳极板1、阴极板3的材质选取316l不锈钢材料，厚度均为0.1mm。冷却腔隔板2材质选取钛，厚度0.1mm。阳极流场11的深度为0.35mm，阴极流场19的深度为0.35mm，阳极板密封槽10的深度为0.4mm，阴极板密封槽18的深度为0.4mm。
69.s2：将阳极板1与316l不锈钢冷却腔隔板2通过焊接夹具进行定位，使得阳极流场11的凹槽部分与316l不锈钢冷却腔隔板2接触，输入焊接轨迹，采用连续焊接方式，功率为150w，速度为30mm/s，在阳极流场11位置形成阳极板流场焊接线20(见图5a)。
70.s3：在s2的基础上，使得阴极流场19的凹槽部分与316l不锈钢冷却腔隔板2接触，输入焊接轨迹，采用连续焊接方式，功率为150w，速度为30mm/s，在阴极流场19位置形成阴极板流场焊接线21(见图5a)。
71.s4：在s3的基础上，阳极板密封槽10与阴极板密封槽18对应贴合接触，输入焊接轨迹，采用连续焊接方式，功率为180w，速度为45mm/s，形成边缘密封焊线22(见图5a)，本制备例2中，阳极流场焊线20与阴极流场焊线21为非连续结构，密封焊线22为连续结构，能够使得冷却腔隔板2实现密封的功能。
72.该工艺条件制得金属双极板成品率＞99.8％，面接触电阻＜61.6mω
·
cm2，金属双极板单池的功率232w。
73.制备例3
74.s1：首先阳极板1、阴极板3的材质选取316l不锈钢材料，厚度均为0.1mm。冷却腔隔板2材质选取316l不锈钢材质，厚度0.1mm。阳极流场11的深度为0.35mm，阴极流场19的深度为0.35mm，阳极板密封槽10的深度为0.4mm，阴极板密封槽18的深度为0.4mm。
75.s2：将阳极板1、316l不锈钢冷却腔隔板2与阴极板3按照图1方式进行组装，阳极板密封槽10与阴极板密封槽18对应贴合接触，输入焊接轨迹，采用连续焊接方式，功率为
180w，速度为45mm/s，形成边缘密封焊线22(见图5a)。
76.该工艺条件制得金属双极板成品率＞80.8％，面接触电阻＜191.6mω
·
cm2，金属双极板单池的功率161w。
77.以上对本实用新型进行了详述。对于本领域技术人员来说，在不脱离本实用新型的宗旨和范围，以及无需进行不必要的实验情况下，可在等同参数、浓度和条件下，在较宽范围内实施本发明。虽然本实用新型给出了特殊的实施例，应该理解为，可以对本实用新型作进一步的改进。总之，按本实用新型的原理，本技术欲包括任何变更、用途或对本发明的改进，包括脱离了本技术中已公开范围，而用本领域已知的常规技术进行的改变。按以下附带的权利要求的范围，可以进行一些基本特征的应用。