《一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板》是上海交通大學，上海治臻新能源裝備有限公司於2012年12月03日申請的發明專利，該專利的公布號為：CN102969513A，專利公布日：2013年03月13日，該專利申請號為2012105099071，發明人是彭林法，易培雲，徐竹田，來新民。
《一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板》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線而成，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線燃料進出口作為燃料流場，另一側單極板上的流場連線氧化劑進出口作為氧化劑流場，兩塊單極板夾合後夾層形成連線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2012年技術相比，《一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板》金屬雙極板構型只需一副模具即可製備，降低了模具開發費用和成形工藝複雜性；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；該極板適合於衝壓成形、軟膜成形、液壓脹形等大批量製造方法，製造成本低廉。
2020年7月14日，《一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板》獲得第二十一屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板
- 公布號：CN102969513A
- 地址：上海市閔行區東川路800號
- 公布日：2013年03月13日
- 發明人：易培雲; 彭林法; 徐竹田; 來新民
- 申請號：2012105099071
- Int. Cl.：H01M4/86(2006.01)I
- 申請日：2012年12月03日
- 專利代理機構：上海科盛智慧財產權代理有限公司
- 申請人：上海交通大學
- 代理人：蔣亮珠
- 專利類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
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、無噪聲等特徵，可望在諸多領域得到套用，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製了88KW的PEMFC電堆並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”計畫，將在2015年建成1000個加氫站，並在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輛燃料電池汽車示範運行了7.6萬千米，在2010年世博會上這個數字上升到196輛和91萬千米。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套用對PEMFC的低成本製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、複合材料和金屬材料。石墨雙極板導電良好、耐腐蝕性能強，目前示範套用的燃料電池汽車大都採用此種雙極板；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。複合材料雙極板以碳粉和樹脂為主要原料、經過模壓等方式製備而成，其成本低廉，但是複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2012年技術文獻的檢索發現，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CN1933222A發明了一種神經網路分形流道雙極板，其流場過渡區流道採用多通道神經網路分形結構，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CN101937998A設計的一種衝壓成型的金屬雙極板，包括第一金屬板和第二金屬板。第一金屬板正面設定密封平台區，兩板在流場流道與各氣體進出口之間設定斷續轉角導流槽，兩板冷卻液出口周邊區域設長條形凹槽。這種結構需要衝壓兩種不同構型的單極板，增加了開模成本和工藝複雜性。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，由金屬薄板製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台凸凹形狀相互對應，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。最後如中國專利公開號CN101101993A提出的基於薄板衝壓成形的雙極板，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於流場單板直接，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套用。
發明內容
專利目的
《一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板》的目的就是為了克服上述2012年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。
技術方案
《一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板》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，其特徵在於，該雙極板由兩塊完全相同的單極板連線而成，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線燃料進出口作為燃料流場，另一側單極板上的流場連線氧化劑進出口作為氧化劑流場，兩塊單極板夾合後夾層形成連線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於單極板兩端，且旋轉對稱，單極板上的流場由兩端的引流槽和中間的直流槽組成，所述的引流槽一端連線燃料進出口或氧化劑進出口，另一端連線直流槽，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線；大口連線8～12個冷卻液分配槽，小口連線6～10個冷卻液分配槽，大口與小口各自連線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100×400毫米，流場有效面積大於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0.4～0.6毫米，槽寬為0.8～1.5毫米，脊寬為0.5～1.2毫米，圓角半徑為0.05～0.2毫米；密封槽截面為矩形，密封槽寬為1.5～3.0毫米，密封槽深為0.4～0.6毫米。
所述的單極板由0.1～0.2毫米厚的金屬薄板材料採用衝壓成形、軟膜成形或液壓脹形成型；兩塊單極板通過膠粘、電阻點焊或雷射焊接連線。
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。
《一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板》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複雜性；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；該極板適合於衝壓成形、軟膜成形、液壓脹形等大批量製造方法，製造成本低廉。
改善效果
與2012年技術相比，《一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板》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，採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，採用一模具即可製備，大幅縮短工藝開發時間，減小模具設計與加工費用，降低了製造工藝複雜性；雙極板主要流場區域採用直流道設計，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；《一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板》的金屬雙極板構型適合大批量生產模式，如衝壓成形、軟膜成形和液壓脹形等，可實現燃料電池高效率、低成本製造，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1為《一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板》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《一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板》的車用燃料電池金屬雙極板冷卻液流場示意圖；
圖3為《一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板》的車用燃料電池金屬雙極板入口詳細圖；
圖4為《一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板》的車用燃料電池金屬雙極板出口詳細圖；
圖5為《一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板》的車用燃料電池金屬雙極板流道截面示意圖；
圖6為《一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板》的車用燃料電池金屬雙極板焊接路徑示意圖；
圖7為《一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板》的車用燃料電池金屬雙極板定位方式示意圖；
圖8為《一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板》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：定位銷孔-1，燃料入口-2，流場分配區-3，巡檢口-4，密封槽-5，直流場區域-6，氧化劑出口-7，冷卻液出口-8，燃料出口-9，流場集合區-10，氧化劑入口-11，冷卻液入口-12，冷卻液流場-13，流道脊-14，流道槽-15，冷卻液輔助入口-16，冷卻液主入口-17，冷卻液入口分配槽-18，流場分配“-分三”結構-19，冷卻液輔助出口-20，冷卻液主出口-21，冷卻液出口分配槽-22，流場集合“三合一”結構-23，焊接路徑-24，雙極板-25，定位銷-26，定位夾具-27，定位半銷孔-28，定位端面-29。
技術領域
《一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板》涉及一種燃料電池技術領域的製造方法，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製造方法。
權利要求
1.一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板，其特徵在於，該雙極板由兩塊完全相同的單極板連線而成，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線燃料進出口作為燃料流場，另一側單極板上的流場連線氧化劑進出口作為氧化劑流場，兩塊單極板夾合後夾層形成連線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於單極板兩端，且旋轉對稱，單極板上的流場由兩端的引流槽和中間的直流槽組成，所述的引流槽一端連線燃料進出口或氧化劑進出口，另一端連線直流槽，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；所述的單極板由0.1～0.2毫米厚的金屬薄板材料採用衝壓成形、軟膜成形或液壓脹形成型；兩塊單極板通過膠粘、電阻點焊或雷射焊接連線。
2.根據權利要求1所述的一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板，其特徵在於，所述的引流槽的數目為9～25條。
3.根據權利要求1所述的一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板，其特徵在於，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線；大口連線8～12個冷卻液分配槽，小口連線6～10個冷卻液分配槽，大口與小口各自連線的冷卻液分配槽錯位布置，形成冷卻液流場。
4.根據權利要求1所述的一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板，其特徵在於，所述的雙極板整體尺寸為100×400毫米，流場有效面積大於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0.4～0.6毫米，槽寬為0.8～1.5毫米，脊寬為0.5～1.2毫米，圓角半徑為0.05～0.2毫米；密封槽截面為矩形，密封槽寬為1.5～3.0毫米，密封槽深為0.4～0.6毫米。
5.根據權利要求1所述的一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板，其特徵在於，所述的雙極板周邊設有定位銷孔、定位半銷孔或定位端面。
6.根據權利要求1所述的一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板，其特徵在於，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。
實施方式
下面結合附圖和具體實施例對《一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板》進行詳細說明。
- 實施例1
該實施例是在以下實施條件和技術要求條件下實施的：
根據如圖1～4所示的車用燃料電池大面積金屬雙極板結構示意圖設計並加工衝壓成形模具，包括上模和下模。採用精密衝壓成形工藝製備具有如圖1所示的流場構型的單極板，衝壓力為200噸，衝壓速度為30秒/片。極板材料為不鏽鋼316，材料厚度為0.1毫米，切邊後的的單極板整體尺寸為100×400毫米。如圖5所示，流道槽15深h為0.5毫米，流道槽15寬w為1.2毫米，脊14寬n為1.0毫米，兩塊相同的單極板組合後一側形成燃料流道a，另一側形成氧化劑流道b，中間夾層形成冷卻流道c。
雙極板由兩塊完全相同的單極板連線而成，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線燃料進出口作為燃料流場，另一側單極板上的流場連線氧化劑進出口作為氧化劑流場，兩塊單極板夾合後夾層形成連線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。如圖1所述，為雙極板燃料氣體流場示意圖，該單極板上設有燃料入口2，燃料出口9，氧化劑出口7，氧化劑入口11，冷卻液出口8，冷卻液入口12，以及連線燃料入口2與燃料出口的9的流場，其中燃料進口即燃料入口2與氧化劑進口即氧化劑入口11分別位於單極板兩端，且旋轉對稱，流場由燃料入口2處的引流槽組成的流場分配區3、燃料出口9處的引流槽組成的流場集合區10，以及連線流場分配區3與流場集合區10區的直流槽即直流場區域6組成，每個引流槽對應三個直流槽，將流場分配區3的引流槽引入的燃料氣體至直流場區域6分成三股氣體，流場分配“一分三”結構19，如圖3所示，然後在流場集合區10匯合（流場集合“三合一”結構23，如圖4所示）後流出。在各流體進出口以及流場周邊設有密封槽5。
單極板直流場區域6流道數目為45條，流場分配區3和流場集合區10處流道數目為15條。密封槽5寬2.0毫米，深0.5毫米。兩塊完全相同的單極板採用光纖雷射器焊接成大面積金屬雙極板25，焊接路徑24如圖6所示，焊接功率為200瓦，焊接速度為50毫米/秒。焊接後的金屬雙極板自然形成“三進三出”結構，冷卻液入口12處有10個冷卻液入口分配槽18，冷卻液出口8處有8個冷卻液出口分配槽22。冷卻液入口12和冷卻液出口8的長度為13毫米，寬度為5.4毫米，冷卻液主入口17和冷卻液主出口21長為5毫米，冷卻液輔助入口16和冷卻液輔助出口20長為3毫米，高度為1.0毫米。如圖7（a）所示，該實施例採用銷-孔定位方式，定位銷26和定位孔27直徑為4毫米；巡檢口4為矩形結構，長寬為5毫米，圓孔直徑為2毫米。
採用實施1製備的車用燃料電池大面積金屬雙極板整體平面度為2.0毫米（極差法測量）；流道高度偏差為±20微米。採用該實施例製備的雙極板裝配單電池，獲得的功率密度曲線如圖8所示的實施例1曲線，峰值功率密度達到865兆瓦/平方米。測試條件：陽極和陰極催化劑含量：0.4mg.Pt/cm，質子交換膜為Nafion212，電堆溫度為80℃，陰極、陽極反應氣溫度為80℃，濕度為100％，壓強為0.3兆帕。
- 實施例2
該實施例採用軟膜成形工藝製備如圖1～4所示的車用燃料電池大面積金屬雙極板。根據流場構型加工上模，採用硬度為55°的聚氨酯材料作為軟膜，0.2毫米厚不鏽鋼304薄板材料置於上模和軟膜之間。成形力為300噸，成形速度為60秒/片。成形和切邊後的的單極板整體尺寸為100×400毫米。如圖5所示，流道槽15深為0.4毫米，流道槽15寬為1.5毫米，脊14寬1.2毫米。單極板直流場區域6流道數目為27條，流場分配區3和流場集合區10處流道數目為9條。密封槽5寬3.0毫米，深0.4毫米。兩塊完全相同的單極板採用電阻點焊連線成大面積金屬雙極板，焊接路徑如圖6所示，相鄰焊點間距為3毫米。焊接後的金屬雙極板自然形成“三進三出”結構，冷卻液入口12處有8個冷卻液入口分配槽18，冷卻液出口8處有6個冷卻液出口分配槽22。冷卻液入口12和冷卻液出口8的長度為13毫米，寬度為5.4毫米，冷卻液主入口17和冷卻液主出口21長為5毫米，冷卻液輔助入口16和冷卻液輔助出口20長為3毫米，高度為0.8毫米。如圖7（b）所示，該實施例採用銷-半圓孔定位方式，定位銷26和定位半銷孔孔28直徑為6毫米；巡檢口4為半圓形結構，外圓直徑為5毫米，內圓孔直徑為2毫米。
採用與實施1完全相同的測量方法和測量參數，實施例2製備的車用燃料電池大面積金屬雙極板整體平面度為2.5毫米；流道高度偏差為±25微米。採用該實施例製備的雙極板裝配單電池，獲得的功率密度曲線如圖8所示的實施例2曲線，峰值功率密度達到671兆瓦/平方米。
- 實施例3
該實施例採用液壓成形工藝製備如圖1～4所示的車用燃料電池大面積金屬雙極板。根據流場構型加工單邊模具，採用粘度係數為55的液壓油作為成形介質，0.1毫米厚不鏽鋼304薄板材料一側與單邊模具接觸並密封，另一側與液壓油接觸，通過液壓缸調節成形力。該實施例成形液壓力為350兆帕，成形速度為120秒/片。成形和切邊後的的單極板整體尺寸為100×400毫米。如圖5所示，流道槽15深為0.6毫米，流道槽15寬為0.8毫米，脊14寬0.5毫米。單極板直流場區域6流道數目為75條，流場分配區3和流場集合區10處流道數目為25條。密封槽5寬1.5毫米，深0.6毫米。兩塊完全相同的單極板採用膠粘的方法連線成大面積金屬雙極板，粘接路徑如圖6所示，粘接材料為環氧樹脂。粘接後的金屬雙極板自然形成“三進三出”結構，冷卻液入口12處有12個冷卻液入口分配槽18，冷卻液出口8處有10個冷卻液出口分配槽22。冷卻液入口12和冷卻液出口8的長度為13毫米，寬度為5.4毫米，冷卻液主入口17和冷卻液主出口21長為5毫米，冷卻液輔助入口16和冷卻液輔助出口20長為3毫米，高度為1.2毫米。如圖7（c）所示，該實施例採用端面定位方式，定位斷面29長度為10毫米，與極板邊緣成45度角；巡檢口4為矩形結構，長寬為5毫米，圓孔直徑為2毫米。
採用與實施1完全相同的測量方法和測量參數，實施例3製備的車用燃料電池大面積金屬雙極板整體平面度為1.5毫米；流道高度偏差為±15微米。採用該實施例製備的雙極板裝配單電池，獲得的功率密度曲線如圖7所示的實施例2曲線，峰值功率密度達到793兆瓦/平方米。
實施例1成形效率和連線效率遠遠高於實施例2和3，適合車用燃料電池的大批量、低成本製造需求。儘管實施例1製備的雙極板平面度和流道高度偏差大於實施例3，但其最終電池性能卻高於實施例3，說明其流場構型和流道參數為最優。因此，實施例1為《一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板》推薦的車用燃料電池大面積金屬雙極板構型和製造方法。上述實例僅為案例，《一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板》不限於此例。本領域技術人員根據《一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板》的技術方案所做的其他形式轉變，如材料種類、材料厚度、雙極板整體尺寸、流道參數、密封槽參數等，但只有流場構型和氣/液分配口結構採用與《一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板》相似的結構，仍屬於《一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板》保護範圍之內。
榮譽表彰
2020年7月14日，《一種車用燃料電池的大面積金屬雙極板》獲得第二十一屆中國專利優秀獎。
