燃料電池的金屬極板、燃料電池的金屬雙極板、燃料電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)電設(shè)備領(lǐng)域，具體而言，涉及一種燃料電池的金屬極板、燃料電池的金屬雙極板、燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池是一種兼具環(huán)境友好、工作高效、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)的發(fā)電裝置。以質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)為例，燃料氣體(氫氣)從電池的陽(yáng)極側(cè)進(jìn)入電池內(nèi)部，氫原子在陽(yáng)極失去電子后變成質(zhì)子，質(zhì)子穿過電池內(nèi)部的質(zhì)子交換膜到達(dá)電池陰極，同時(shí)電子經(jīng)由外部回路也到達(dá)電池的陰極，在電池的陰極側(cè)，質(zhì)子、電子與氧氣結(jié)合生成水。
[0003]燃料電池采用非燃燒的方式將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，由于不受熱力學(xué)的卡諾循環(huán)工作原理的限制，其直接利用化學(xué)能進(jìn)行發(fā)電的發(fā)電效率可高達(dá)45%。燃料電池是以電池堆為核心的發(fā)電裝置，燃料電池系統(tǒng)集成了電源管理、熱管理等模塊，其具有熱、電、水、氣統(tǒng)籌管理的特點(diǎn)。燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品從固定式電站，到移動(dòng)式電源；從電動(dòng)汽車，到航天飛船；從軍用裝備，到民用產(chǎn)品有著廣泛的應(yīng)用空間。
[0004]在燃料電池結(jié)構(gòu)中，一般為雙極板與膜電極依次疊合形成多節(jié)電池堆，從而形成功率較高的發(fā)電裝置。
[0005]圖1為燃料電池堆結(jié)構(gòu)示意圖，該燃料電池堆由第一雙極板1、第一膜電極3 (MEA)、第二雙極板2和第二膜電極4 (MEA)依次疊放而成，其中，第一雙極板I和第二雙極板2的上表面為陽(yáng)極，第一雙極板I和第二雙極板2的下表面為陰極，第一膜電極3和第二膜電極4的上表面為陰極，第一膜電極3和第二膜電極4的下表面為陽(yáng)極。膜電極(第一膜電極3和第二膜電極4)為電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生場(chǎng)所，膜電極由催化劑層(一般為Pt/C)和質(zhì)子交換膜組成。雙極板(第一雙極板I和第二雙極板2)上刻有流道，以均勻分配反應(yīng)氣體。
[0006]在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)中，燃料電池一般采用雕刻加工的石墨雙極板(第一雙極板I和第二雙極板2)。圖2為雕刻加工的石墨雙極板的截面結(jié)構(gòu)示意圖圖，第一雙極板I由陽(yáng)極板11，陰極板12組成，在陽(yáng)極板11上雕刻陽(yáng)極板流道13以供燃料氫氣的流通，在陰極板12的一側(cè)上雕刻第一陰極板流道14以供氧化劑氣體(空氣或氧氣)的流通，在陰極板12的另一側(cè)雕刻第二陰極板流道15以供冷卻液(去離子水)的流通。圖3為燃料電池的膜電極截面結(jié)構(gòu)，圖中示出了第一膜電極3的陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層31，陽(yáng)極催化劑層32，質(zhì)子交換膜33，陰極催化劑層34，陰極氣體擴(kuò)散層35。圖4為現(xiàn)有的燃料電池的電堆截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0007]現(xiàn)有石墨雙極板為了構(gòu)成陽(yáng)極板流道13、第一陰極板流道14、第二陰極板流道15，同時(shí)需要保證雙極板具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，因而導(dǎo)致雙極板的厚度較厚，在多節(jié)電池堆疊成燃料電池堆時(shí)，多層較厚的雙極板疊放從而導(dǎo)致電池堆的總體積較大，降低了電池堆的功率密度?，F(xiàn)有燃料電池也有通過超薄的金屬板沖壓成型形成的金屬雙極板，以提高電池堆的功率密度。然而，由于現(xiàn)有技術(shù)中的雙極板的氣體流道與冷卻液流道凹凸相反，在保證氣體流場(chǎng)均一(即氣體流道沖壓成型后氣體流道分布均勻)的前提下，難以形成流場(chǎng)均一的冷卻液流場(chǎng)，從而導(dǎo)致電池堆的溫度分布不均，造成電池局部衰減嚴(yán)重。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的主要目的在于提供一種燃料電池的金屬極板、燃料電池的金屬雙極板、燃料電池，以解決現(xiàn)有技術(shù)中燃料電池的電池堆功率密度低及由于電池堆溫度分布不均而造成電池局部衰減嚴(yán)重的問題。
[0009]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種燃料電池的金屬極板，具有第一表面和第二表面，第一表面上具有沖壓形成的并行設(shè)置的第一流道，第二表面上具有沖壓形成的并行設(shè)置的第二流道，第二流道為直線流道，第二流道與第一流道交叉設(shè)置，且第二流道的深度小于第一流道的深度。
[0010]進(jìn)一步地，第二流道與第一流道垂直交叉設(shè)置。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種燃料電池的金屬雙極板，包括:陽(yáng)極金屬板，陽(yáng)極金屬板的第一表面具有多個(gè)燃料氣體流道；陰極金屬板，陰極金屬板的第一表面具有多個(gè)氧化氣體流道；陰極金屬板與陽(yáng)極金屬板疊置，且陰極金屬板的第二表面與陽(yáng)極金屬板的第二表面彼此相對(duì)，陰極金屬板的第二表面與陽(yáng)極金屬板的第二表面之間形成多個(gè)冷卻液流道；其中，陽(yáng)極金屬板和陰極金屬板的其中之一前述的金屬極板，冷卻液流道由金屬極板的第二流道形成。
[0012]進(jìn)一步地，陽(yáng)極金屬板的第一表面上具有沖壓形成的并行設(shè)置的多個(gè)燃料氣體流道，陰極金屬板的第一表面具有沖壓形成的并行設(shè)置的多個(gè)氧化氣體流道，多個(gè)燃料氣體流道的延伸方向與多個(gè)氧化氣體流道的延伸方向一致。
[0013]進(jìn)一步地，陰極金屬板上沖壓成型有多個(gè)底部中空的第一凸起部，相鄰兩個(gè)第一凸起部之間形成氧化氣體流道，陽(yáng)極金屬板上沖壓成型有多個(gè)底部中空的第二凸起部，相鄰兩個(gè)第二凸起部之間形成燃料氣體流道，第二凸起部的中空的底部與第一凸起部的中空的底部連通，并連通冷卻液流道以形成冷卻液流場(chǎng)。
[0014]進(jìn)一步地，各燃料氣體流道與各氧化氣體流道一一對(duì)應(yīng)，且各燃料氣體流道的底部與相應(yīng)的氧化氣體流道的底部之間密封接觸。
[0015]進(jìn)一步地，燃料氣體流道包括順次連通的燃料氣體進(jìn)氣流道、燃料氣體直流道與燃料氣體出氣流道，每個(gè)燃料氣體進(jìn)氣流道與相應(yīng)的多個(gè)燃料氣體直流道的第一端連通，多個(gè)燃料氣體直流道的第二端與相應(yīng)的燃料氣體出氣流道連通；氧化氣體流道包括順次連通的氧化氣體進(jìn)氣流道、氧化氣體直流道與氧化氣體出氣流道，每個(gè)氧化氣體進(jìn)氣流道與相應(yīng)的多個(gè)氧化氣體直流道的第一端連通，多個(gè)氧化氣體直流道的第二端與相應(yīng)的氧化氣體出氣流道連通，各氧化氣體進(jìn)氣流道與各燃料氣體進(jìn)氣流道、各氧化氣體直流道與各燃料氣體直流道以及各氧化氣體出氣流道與各燃料氣體出氣流道均一一對(duì)應(yīng)地設(shè)置。
[0016]進(jìn)一步地，陽(yáng)極金屬板上沖壓成型有第一密封凸起，第一密封凸起的高度與第二凸起部的高度相等，燃料氣體流道與冷卻液流道均設(shè)置在第一密封凸起所圍繞的區(qū)域內(nèi)；陰極金屬板上沖壓成型有第二密封凸起，第二密封凸起的高度與第一凸起部的高度相等，氧化氣體流道設(shè)置在第二密封凸起所圍繞的區(qū)域內(nèi)，第二密封凸起與第一密封凸起對(duì)應(yīng)地反向凸起。
[0017]進(jìn)一步地，陽(yáng)極金屬板上開設(shè)有第一定位孔與第二定位孔，陰極金屬板上開設(shè)有與第一定位孔對(duì)應(yīng)的第三定位孔及與第二定位孔對(duì)應(yīng)的第四定位孔。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種燃料電池，具有疊置的多節(jié)電池堆，各電池堆均包括金屬雙極板，金屬雙極板為前述的金屬雙極板。
[0019]進(jìn)一步地，金屬雙極板為前述的特定的金屬雙極板，燃料電池還包括多個(gè)膜電極，金屬雙極板夾設(shè)在相鄰兩個(gè)膜電極之間，第一密封凸起和第二凸起部均與相鄰兩個(gè)膜電極的其中一個(gè)膜電極密封接觸，第二密封凸起和第一凸起部均與另一個(gè)膜電極密封接觸。
[0020]進(jìn)一步地，第一密封凸起與相應(yīng)的膜電極之間、第二密封凸起與相應(yīng)的膜電極之間均具有密封墊片。
[0021]應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案，由于第二流道與第一流道交叉設(shè)置(即燃料電池中冷卻液流道為該第二流道)，經(jīng)由第二流道流通的冷卻液能夠更加迅速、均勻地將燃料電池內(nèi)能量轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的熱量，從而延長(zhǎng)燃料電池的使用壽命。進(jìn)一步地，由于使用金屬極板作為燃料電池的內(nèi)部零部件，使得燃料電池的電池堆的體積大大減小，從而較好地提高了燃料電池的功率密度。
【附圖說(shuō)明】
[0022]構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說(shuō)明書附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
[0023]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池的電池堆的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池堆的石墨雙極板的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖3示出了現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池堆的膜電極的截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖4示出了現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池的電池堆的截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖5示出了本發(fā)明的燃料電池的金屬極板的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖6示出了本發(fā)明的燃料電池的陰極金屬板的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖7示出了本發(fā)明的陽(yáng)極金屬板、膜電極及陰極金屬板依次疊置的截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖8示出了本發(fā)明的陽(yáng)極金屬板與陰極金屬板組合后設(shè)置在相鄰兩個(gè)膜電極之間的截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖9示出了圖5的金屬極板的第二表面上的冷卻液流場(chǎng)的分布示意圖；
[0032]圖10示出了圖6的陰極金屬板的第二表面上的冷卻液流場(chǎng)的分布示意圖；
[0033]圖11示出了圖5的金屬極板和圖6的陰極金屬板疊置后形成的冷卻液流場(chǎng)的分布示意圖。
[0034]其中，上述附圖包括以下附圖標(biāo)記:
[0035]10