[发明专利]空气冷却型燃料电池堆金属双极板

说明书

技术领域

本发明是对质子交换膜燃料电池金属双极板的改进，尤其涉及一种特别用于空气冷却型电堆的金属双极板。

背景技术

质子交换膜燃料电池，单节工作电压仅为0.6～0.7V，要获得有用的电压，必须将多节单电池串联。连接两相邻单电池隔板称为双极板，双极板不但需要向电堆内电极提供反应物和在相邻两电极之间传导电流，而且还担负着排出电池生成水和反应热的作用。良好的双极板必须具有良好的电导率(≥10scm^-1)、导热系数(≥20Wcm^-1K^-1)和气密性(＜10^-4mbarcm³s^-1cm^-2)。而电池内部为酸性环境，需要有在酸性水气、氧气和热条件下的耐腐蚀性；同时，为降低电堆成本，提高功率密度，双极板还要求材料便宜、加工成本低和体积小重量轻的特点。

目前，双极板主要有碳/石墨双极板、复合双极板和金属双极板。金属双极板因具有良好的导电、导热特性、柔韧性和易加工性，已经受到重视和关注。与石墨和复合材料相比，金属不存在气密性问题，而且金属板即使制作很薄也可以保证良好的机械强度，因而可以极大降低电堆体积和重量，同时由于金属具有较高的热导率，电堆内部温度梯度小，也有利于提高电堆内部温度的均匀性。因此利用金属薄板例如不锈钢板冲压成型制备双极板，是近年研究热点。

然而现有金属双极板，冷却介质流场为多为蛇形流场，例如中国专利CN 1416184A所述。蛇形流场流体阻力降较大，空气冷却电堆，冷却风压相对较小，流体阻力降大，则气体流量小，冷却效果不佳，基本不能用于空气冷却型电堆，所以基本都是用于以水作冷却介质。

中国专利CN1787261公开的冲压金属双极板，双极板正反面分别对称设置有燃料气体通道、氧化剂气体通道、冷却介质通道以及双极板流场区，其正反面均平行流场。中国专利CN101290994公开的金属双极板，其结构为在冲有平行流场的金属阳极单极板、金属阴极单极板间设置有水框，水框内填充有作为排热的水流场拉伸金属网。上述两个专利仅利用了金属板一侧流道，冷却剂流场需要额外添加，增加了成本，也增加了组装电池有厚度，造成体积功率密度下降。且冷却剂和空气流道采用内共用管道形式，无法应用于风扇冷却和供气的空冷型电堆。

中国专利CN1996647公开的质子交换膜燃料电池薄金属双极板，虽然在阴、阳极板间省略冷却流场，降低了组装厚度，然而阴、阳极流场只利用了一侧流道，阴极流场既作为反应气流道也作为冷却气流道，虽然可用于空气冷却型电堆，但由于共用流场，导致冷却效果不佳。

上述不足仍有值得改进的地方。

发明内容

本发明目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种可以同时利用两面流道，冷却气体有独立流道，冷却效果好的空气冷却型燃料电池堆金属双极板。

本发明目的实现，主要改进是利用冲压有横向贯通的平形流场阴极板(氧单极板)和蛇形流场或两端汇集的纵向平行流场阳极板(氢单极板)，背对焊接或粘结组成双极板，两片中间通道作为冷却气体流道，从而在不增加厚度条件下增加了单独冷却介质流道，提高了冷却效果，因而可以适用于低风压的空气冷却型电堆，实现本发明目的。具体说，本发明空气冷却型燃料电池堆金属双极板，包括金属冲压的横向贯通平形流场阴极板，和蛇形流场或两端汇集平行流场阳极板，其特征在于阴、阳极板流场背向叠合，周面通过焊接或粘结密封，两极板背合面构成冷却介质通道。

本发明中

冲压金属板基材与现有技术相同，可以是不锈钢、钛材和钛合金、铝材和铝合金等薄板。基材厚度通常在0.1-1mm左右。单极板流场深度0.1～4mm，宽度为0.1～3mm。

极板冲压形成流场的相间凹凸宽度，可以等宽，也可以不等宽，本发明尤以采用使反应气流场宽度大于冷却介质流场宽度结构为好，有利于提供足够的反应气体。

冲压形成的流场，其凸台可以是连续的，也可以是间断的。其中阴极板较好采用凸台连续结构的平行流场，有利于冷却介质的快速通过，以提高冷却效果；阳极板较好采用凸台间断结构，有利于增加封闭流道中的反应面积。

阴极板和阳极板背向叠合，一种更好为使两个流场极板上的流道方向正交，即阴单极板流道方向与阳单极板流道方向垂直，此结构形成的空气流道短，有利于冷却空气的快速通过，有利于提高冷却效果。