阅读说明：本技术 一种提高燃料电池温度均匀性的金属极板 (Metal polar plate for improving temperature uniformity of fuel cell ) 是由 杜谦 龚兴军 胡玉凤 于 2020-03-30 设计创作，主要内容包括：一种提高燃料电池温度均匀性的金属极板,适用于空冷燃料电池的极板,通过折弯或者冲压工艺成型,极板宽度大于膜电极宽度2～30mm,通过装堆压力或激光焊接或胶粘固定于膜电极与相邻单电池的极板之间,极板凸起部分顶面及侧壁开有通孔。有益效果是：提高流道进口温度,降低出口温度,降低整体温度,减小温度梯度,提高温度均匀性,利于水汽排出,从而提升燃料电池性能；带孔薄金属板制成的极板,既可以减小体积,也可以减小质量,提高燃料电池体积功率密度和质量功率密度,还能辅助散热和排水。(A metal polar plate for improving the temperature uniformity of a fuel cell is suitable for a polar plate of an air-cooled fuel cell, is formed by a bending or stamping process, has a polar plate width larger than the width of a membrane electrode by 2-30 mm, is fixed between the membrane electrode and the polar plate of an adjacent single cell by stacking pressure or laser welding or gluing, and is provided with through holes on the top surface and the side wall of a convex part of the polar plate. The beneficial effects are that: the inlet temperature of the flow channel is increased, the outlet temperature is reduced, the overall temperature is reduced, the temperature gradient is reduced, the temperature uniformity is improved, and the discharge of water vapor is facilitated, so that the performance of the fuel cell is improved; the polar plate made of the thin metal plate with the holes can reduce the volume and the mass, improve the volume power density and the mass power density of the fuel cell, and assist in heat dissipation and water drainage.)

一种提高燃料电池温度均匀性的金属极板

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及适用于空冷燃料电池的极板。

背景技术

空冷燃料电池的极板多采用石墨雕刻或者金属薄板冲压而成，常见的有平行流场、蛇形流场、交指流场等设计。燃料电池的性能与温度分布的均匀性密切相关，温度分布均匀的燃料电池性能较好。

现有技术的空冷燃料电池极板的缺点是：1，在雕刻石墨板中，只有流道里有空气流过，通过对流传热带走电堆产生的热量，而极板凸起部分为实体，只能起到把膜电极产生的热传导给流经流道的空气的作用，因此，极板凸起部分对应的膜电极与流道对应的膜电极存在较大的温差；而且，由于整个膜电极的散热面积只有暴露在流道里的面积，因此，散热面积相对较小，燃料电池大功率工作时，电堆温度偏高；2，在冲压成型的薄金属极板中，流场一般为凹凸结构，不仅流道内有空气流过，可以通过空气对流传热起到散热的作用，凸起部分下方被动形成的通道内也可以有空气流过，也可以通过对流传热起到散热的作用，因此，相对于雕刻石墨板，冲压金属板散热面积更大，更容易在燃料电池大功率工作时控制电堆温度；但无论是雕刻石墨极板还是冲压薄金属极板，极板宽度一般都与膜电极宽度相等，由于环境温度一般低于膜电极温度，因此会造成流道进口附近膜电极温度最低，接近环境温度，流道出口处膜电极温度最高，而且从进口到出口的温度梯度较大，因此，处于理想工作温度的膜电极面积较小，性能偏低；3，不带通孔的冲压金属薄板，膜电极产生的水汽或液态水，只能通过毛细管作用扩散到流道内，通过冷却气流带走，当燃料电池工作在大电流密度工况时，流场凸起部分对应的膜电极区域排水困难，容易造成水淹，导致性能下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高燃料电池温度均匀性的金属极板，克服现有极板的缺点。本发明的技术方案是：一种提高燃料电池温度均匀性的金属极板，适用于空冷燃料电池的极板，其特征在于：所述金属极板宽度大于膜电极宽度2～30mm，所述金属极板通过折弯或者冲压工艺成型，形成凹凸结构，所述凹凸结构相邻两个凸起部分之间即为流道，所述流道宽度为1.5～2.5mm，深度为1～2mm，凸起部分宽度为1.5～2mm，高度为1～2mm。

本发明所述一种提高燃料电池温度均匀性的金属极板，其特征在于：所述金属极板厚度为0.08～1.5mm，材质包括纯钛、钛合金或不锈钢，金属极板表面有类石墨碳(GLC)、氮化碳(TiN)或导电陶瓷Ti3SiC2镀层。

本发明所述一种提高燃料电池温度均匀性的金属极板，其特征在于：所述金属极板上有通孔，孔径为0.5～1mm，孔外缘间距0.5～1mm，通孔位于极板凸起部分顶面及两侧侧壁。

本发明所述一种提高燃料电池温度均匀性的金属极板，其特征在于：所述金属极板与膜电极的位置关系可以是中心重合的，即极板左右两边超出膜电极宽度的大小相等，也可以是非中心重合的，即极板左右两边超出膜电极宽度的大小不相等。

本发明所述一种提高燃料电池温度均匀性的金属极板，其特征在于：所述金属极板凸起部分顶面与膜电极紧密接触，底部与相邻单电池的极板紧密接触，通过装堆压力或激光焊接或胶粘实现固定。

本发明的有益效果是：

1、极板宽度超出膜电极宽度的设计相当于额外增加了散热面积，同时又对进口冷空气起到预热作用，可以显著提高燃料电池温度的均匀性，即沿流道方向，从进口到出口，对应的膜电极区域的温度梯度降低，进口温度提高，出口温度降低，最高温度降低，整体温度降低，更多膜电极有效面积工作在理想温度附近，性能更好；

2、薄金属板可以在保证支撑强度的前提下降低单电池厚度，从而减小电堆体积，提升体积功率密度；

3、带孔薄金属板可以在保证支撑强度的前提下降低单电池质量，从而减小电堆质量，提升质量功率密度；

4、带孔薄金属板可以增强散热、利于电堆温度均匀分布，有利于产生的水汽和液态水的扩散，有利于提升性能。

附图简述

图1为本发明的提高燃料电池温度均匀性的金属极板与膜电极位置关系示意图，俯视图。

图中，1.极板；2.膜电极。

图2为本发明的提高燃料电池温度均匀性的金属极板结构示意图，侧视图。

图中，3.凸起部分；4.流道；5.通孔；6.凸起部分顶面；7.凸起部分侧壁；8.极板底部。

图3为使用本发明的提高燃料电池温度均匀性的金属极板后膜电极温度沿流道方向的分布图。

图中，9.极板与膜电极等宽时的温度分布；10.极板宽度大于膜电极宽度时的温度分布。

图4为本发明的提高燃料电池温度均匀性的金属极板与膜电极位置关系示意图，解剖图。

图中，11.极板宽度超出膜电极宽度的部分。

具体实施方式

极板由带通孔的金属薄板通过折弯工艺成型；金属材质为纯钛TA1，表面镀有氮化钛涂层；金属薄板厚度0.1mm，板上通孔直径0.8mm，孔外缘间距0.5mm；凸起部分高1.5mm，凸起部分宽2mm，流道深1.5mm，流道宽1.5mm。极板宽度为60mm，膜电极宽度为50mm，极板与膜电极中心重合，也即是极板左右两边比膜电极各宽5mm。