[发明专利]一种车用燃料电池的大面积金属双极板

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池技术领域的制造方法，具体是一种车用质子交换膜燃料电池的大面积金属双极板构型及其制造方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将原料中的化学能直接转变成电能的“化学能发电”装置，其能量转换效率不受卡诺循环限制，电池组的发电效率可达50％以上。同时，PEMFC具有环境友好，启动特性优良，能量转换效率高，运行平稳、无噪声等特征，可望在诸多领域得到应用，尤其是在汽车动力系统中使用更是得天独厚。PEMFC电动汽车的实用化可以解决汽车大幅度增加带来的环境污染与能源短缺问题，为清洁汽车工业未来提供了新的契机。因此从上世纪九十年代开始就掀起了一场燃料电池汽车的研究热潮。早在1992年，加拿大巴拉德公司在政府的资助下研制了88KW的PEMFC电堆并装配了世界第一辆燃料电池公共汽车。2009年，德国主要的汽车和能源公司与政府联合启动了“H₂ Mobility Initiative”计划，将在2015年建成1000个加氢站，并在2020年投入使用50万辆燃料电池汽车。中国早在2008年奥运会上就有23辆燃料电池汽车示范运行了7.6万公里，在2010年世博会上这个数字上升到196辆和91万公里。按照上汽集团的规划，到2015年，燃料电池汽车将达到千辆级的产量规模。燃料电池汽车的大规模推广应用对PEMFC的低成本制造提出前所未有的挑战。

双极板是PEMFC的关键部件之一。据Direct Technologies公司调查统计，双极板约占电堆体积的80％、质量的70％和成本的29％。其主要功能是支撑膜电极组件、分配反应气体、收集电流、传导热量和排出产物水等。目前，PEMFC双极板材料主要有三类：石墨材料、复合材料和金属材料。石墨双极板导电良好、耐腐蚀性能强，目前示范应用的燃料电池汽车大都采用此种双极板；但材料脆性极大，机械性能差，同时加工效率低，难以实现商业化大批量生产。复合材料双极板以碳粉和树脂为主要原料、经过模压等方式制备而成，其成本低廉，但是复合双极板还存在导电性和气体渗透的问题。金属薄板具有高的强度和导电、导热性能，原材料便宜且适合大批量生产方式，是公认的燃料电池产业化的首选。

经过对现有技术文献的检索发现，当前一些研究机构和公司针对金属双极板提出了不同的技术方案。如中国专利公开号CN 1933222A发明了一种神经网络分形流道双极板，其流场过渡区流道采用多通道神经网络分形结构，使各流道长度及气体在各流道中的流动阻力基本相等。然而，这种结构只能满足一种流场需求，难以同时兼顾燃料、氧化剂和冷却液流场。再如中国专利公开号CN 101937998A设计的一种冲压成型的金属双极板，包括第一金属板和第二金属板。第一金属板正面设置密封平台区，两板在流场流道与各气体进出口之间设置断续转角导流槽，两板冷却液出口周边区域设长条形凹槽。这种结构需要冲压两种不同构型的单极板，增加了开模成本和工艺复杂性。又如中国专利公开号CN 101937997A提出一种带有一定曲率的非平面弧形金属双极板，由金属薄板制成的阴极单极板和阳极单极板相对结合构成；两板的阴、阳极腔、冷却介质腔和流场区沟槽和凸台凸凹形状相互对应，分别构成燃料气体通道、氧化剂通道和冷却介质通道。这种结构同样需要加工多副模具，同时带曲率的非平面模具加工成本高，加工精度难以保证；同时弧形金属极板装配困难，碳纸等气体扩散层材料在与弧形金属极板装配过程中容易发生断裂失效。最后如中国专利公开号CN 101101993A提出的基于薄板冲压成形的双极板，包括两块流场单板分别作为阳极和阴极，一块中间支撑薄板置于流场单板直接，形成燃料、氧化剂和冷却液进出口。这种结构需要三块不同构型的金属薄板才能满足功能需求，同时，该双极板流阻较大，难以在车用燃料电池的大面积金属极板上应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种成本低、结构紧凑、流场区域面积大、反应效率高的车用燃料电池的大面积金属双极板。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种车用燃料电池的大面积金属双极板，其特征在于，该双极板由两块完全相同的单极板连接而成，两块单极板上均设有燃料进出口、氧化剂进出口，冷却液进出口和流场，其中一侧单极板上的流场连接燃料进出口作为燃料流场，另一侧单极板上的流场连接氧化剂进出口作为氧化剂流场，两块单极板夹合后夹层形成连接冷却液进出口的冷却液流场，即为三进三出结构，实现两板三场功能。