一種具有對流式冷卻液流場的金屬雙極板的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及燃料電池技術領域，具體涉及一種具有對流式冷卻液流場的金屬雙極板。
【背景技術】
[0002]燃料電池作為一種高效、環境友好的發電裝置，在基站電源、中小型電站、電動車、備用電源、便攜電源等方面，具有廣闊的應用前景。燃料電池可以分為質子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池、堿性燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融鹽燃料電池、微生物燃料電池、生物燃料電池等。
[0003]燃料電池主要由端板、集電板、雙極板、膜電極等組成。雙極板是燃料電池的支架部分，主要起支撐、分布導流氣體并隔離氣體和集流導電的作用，目前做雙極板的材料主要有兩大類:一類是石墨做的雙極板，一類是金屬雙極板。由于金屬雙極板具有質量輕、板材薄、易加工和規模生產等優點，越來越被用于燃料電池產業。金屬雙極板的加工工藝不同于傳統的石墨雙極板的加工工藝，金屬雙極板主要以板材沖壓為主，所以金屬雙極板對燃料電池的氣體流場的設計要求較高，氣體流場的設計不但需要設計氣體的均勻分布，而且需要兼顧冷卻液的流場設計。
[0004]公布號為CN 103700865A的發明專利“一種用于燃料電池的金屬雙極板”，在陽極單極板和陰極單極板上均對應設置有冷卻液進口主流道和冷卻液出口主流道并在所述進口和出口處為同向彎折結構，焊接貼合后形成過橋結構的冷卻液導流通道，冷卻液進口主流道中的反應物經過冷卻液導流通道流入冷卻液流道，再經冷卻液導出通道由冷卻液出口主流道流出。該結構中冷卻液流道形成在陽極單極板和陰極單極板之間、兩板共有一個冷卻液流道，冷卻不均勻，冷卻效率低。
[0005]公布號為CN103441289A的發明專利“雙極板、燃料電池和燃料電池堆”公開了一種雙極板，雙極板具有第一氣體進口、第一氣體出口、第二氣體進口和第二氣體出口，第一氣體進口和第一氣體出口分別設置在第一導流槽的兩端，第二氣體進口和第二氣體出口分別設置在第二導流槽的兩端，第一導流槽為蛇形，第一緩存槽為塊狀凹槽，且第一導流槽與第一緩存槽的深度相同，用以均勻分布反應氣。陽極板和/或陰極板相向設置的表面上設置有冷卻液導流槽，雙極板上具有冷卻液進口和冷卻液出口，冷卻液導流槽的第一端與冷卻液進口連通，冷卻液導流槽的第二端與冷卻液出口連通。當陽極板和陰極板在工作過程中產生過多熱量時，通過在冷卻液導流槽內通入冷卻液或水，可以達到對雙極板散熱的目的，從而保證燃料電池穩定運行。該結構中雖解決了氣體流場均勻的問題，但沒有就冷卻液導流槽的結構做出改進設計，冷卻效率低。
[0006]公布號為CN102306813A的發明專利“一種金屬薄板沖壓成型的燃料電池雙極板”，包括兩塊相同的氣體流場單板和一塊中間流場單板，分別作為氧化劑流場板、燃料氣體流場板和冷卻液流場板，兩塊氣體流場單板通過其四周接觸面、其邊框密封槽中放置的密封材料、填平區域內放置的填平材料以及中間流場單板兩側的接觸面，分別連接所述中間流場單板兩側，組合成所述燃料電池雙極板；每個流場單板上均設有三個進口和三個出口，分別為:氧化劑進口、冷卻液進口、燃料氣體進口、氧化劑出口、冷卻液出口和燃料氣體出口。其中所述氣體流場單板的一側是反應氣體流動區域，所述氣體流場單板的另一側對應于氣體流動區域的脊部是液體流場溝槽；所述中間流場單板的一側為沖壓形成的流場溝槽，與所述氣體流場板的液體流場溝槽構造成冷卻液流道。該結構采用三塊單板，在兩塊氣體流場單板和中間流場單板之間形成冷卻液流道，但采用中間流場單板，增加了整體體積、提高了加工復雜性。
[0007]現有的金屬雙極板流場設計，主要存在以下幾點問題:1、以氣體流場分布為主，很少兼顧冷卻液流道，燃料電池電堆的內部冷卻效果不均一，導致燃料電池電堆內部溫度分布不均一，有些區域溫度較高，溫差較大，造成燃料電池內部“熱點”現象。燃料電池電堆長時間在這種條件下工作，會導致燃料電池電堆性能和壽命的急劇減少；2、采用三層板的結構，雙極板的層數多，會導致:a、電堆的體積加大；b、增加了雙極板結構復雜性和其加工工藝的復雜性；c、增加了雙極板界面電阻導致燃料電池電堆的內阻增大。
【發明內容】
[0008]發明目的:針對現有技術的不足，本發明提供一種具有對流式冷卻液流場的金屬雙極板，通過合理的流場設計，在保證氣體分布均勻的條件下，解決了傳統的流道無法解決冷卻液均勻分布的問題。
[0009]技術方案:本發明所述的具有對流式冷卻液流場的金屬雙極板，包括結構相同的氫板和氧板，所述氫板和氧板沖壓有冷卻液進口、冷卻液出口以及走向呈S型的冷卻液流道，冷卻液進口和冷卻液出口位于所述氫板和氧板兩側的中部；所述氫板和氧板以具有冷卻液流道測相對層疊相連，在所述氫板和氧板之間形成呈中心對稱的氫板冷卻液流道和氧板冷卻液流道；所述氫板和氧板的冷卻液進口連通，所述氫板和氧板的冷卻液出口連通，冷卻液從所述氫板或氧板的冷卻液進口進入，分別流向氫板冷卻液流道入口和氧板冷卻液流道入口，流經氫板冷卻液流道、氧板冷卻液流道后，分別從氫板冷卻液流道出口和氧板冷卻液流道出口流出至所述氫板和氧板的冷卻液出口。
[0010]進一步優化上述技術方案，所述氫板和氧板的冷卻液進口與所述氫板冷卻液流道入口、所述氧板冷卻液流道入口之間的流道呈Y型；所述氫板和氧板的冷卻液出口與所述氫板冷卻液流道出口、所述氧板冷卻液流道出口之間的流道呈Y型。
[0011]通過上述設計，在冷卻液進口和冷卻液出口之間的形成Y-S-Y型冷卻液流場，且氫板冷卻液流道與氧板冷卻液流道之間呈對流狀態，提高了冷卻效果，保證冷卻過程的均勻性，有利于溫度控制。
[0012]所述氫板冷卻液流道和氧板冷卻液流道分別由至少三條冷卻液流道脊以及冷卻液流道脊之間的冷卻液流道槽組成。
[0013]所述氫板和氧板冷卻液流道脊的寬度均為0.5_3mm，所述氫板冷卻液流道槽的深度為0.3-2mm，所述氧板冷卻液流道槽的深度為0.4_3mm。氫板、氫板冷卻液流道脊和冷卻液流道槽的參數設計對于由其形成的冷卻液流場和相應的氣體流場均具有重要影響，參數太大或太小都不合適。
[0014]作為優選，所述氫板和氧板冷卻液流道脊的寬度均為1.5mm，所述氫板冷卻液流道槽的深度為1mm，所述氧板冷卻液流道槽的深度為2mm。通過對氫板、氫板冷卻液流道脊和冷卻液流道槽進行上述優選值的設計，冷卻液在冷卻液流場內進行均勻分布的效果達到最佳，對冷卻液流場的溫度控制效果達到最好，保證整個冷卻液流場內無熱點，解決了傳統流道無法解決的問題；同時實現了對金屬雙極板進行更加充分合理的利用以及氣體流場和冷卻液流場之間的調整和控制，保證冷卻液以及氣體在相應流場內均進行合理的分布，在液體、氣體的流動過程中金屬板受到的壓力更均勻，進出口的氣密性良好。
[0015]所述氫板冷卻液流道的直線區脊與所述氧板冷卻液流道的直線區脊相互接觸，所述氫板冷卻液流道的拐彎區脊與所述氧板冷卻液流道的直線區脊相互交錯。氫板冷卻液流道與氧板冷卻液流道相互連通交錯，有助于冷卻液的流動，保證冷卻效果更均勻。
[0016]有益效果:與現有技術相比，本發明的優點:
1、本發明優化金屬雙極板的氣體流道設計，可以使金屬雙極板流場設計更加多樣化；
2、采用兩層板結構替代三層板結構，節約成本，使電堆結構簡單化，輕便化，更便于雙極板的規模化生產與加工；
3、氫