阅读说明：本技术 一种风冷燃料电池阴极流场结构及其制造工艺 (Air-cooled fuel cell cathode flow field structure and manufacturing process thereof ) 是由 陈杰 袁洪根 蒋洋 聂海云 李军 于 2019-12-18 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种风冷燃料电池阴极流场结构及其制造方法,该结构包括流场板本体、阴极流场区域、阳极气体主流道；阴极流场区域设置有阴极流道脊,相邻阴极流道脊之间构成阴极流道槽；在阴极流道槽内设置有附板,通过附板将阴极流道槽分隔成上下两部分,并在附板上设有翘片,翘片的翘起部分所在的附板区域形成连通阴极流道槽上部与阴极流道槽下部的通孔；其制造方法步骤包括：在附板上切割线缝、孔,进行翘片成型,翻边预成型,使预成型的翻边与附板表面形成不小于80°且不大于90°的夹角,翻边最终成型并抵紧阴极流道槽侧壁、附板的边部贴靠于阶台上。本发明在降低单电池厚度的情况下,还能够确保流场板的强度和燃料电池的耐冲击能力。(The invention provides a cathode flow field structure of an air-cooled fuel cell and a manufacturing method thereof, wherein the structure comprises a flow field plate body, a cathode flow field area and an anode gas main flow channel; cathode flow field areas are provided with cathode flow channel ridges, and cathode flow channel grooves are formed between adjacent cathode flow channel ridges; an auxiliary plate is arranged in the cathode flow channel groove, the cathode flow channel groove is divided into an upper part and a lower part by the auxiliary plate, a fin is arranged on the auxiliary plate, and a through hole for communicating the upper part of the cathode flow channel groove with the lower part of the cathode flow channel groove is formed in the area of the auxiliary plate where the raised part of the fin is positioned; the manufacturing method comprises the following steps: cutting seams and holes on the attached plate, carrying out fin forming, preforming flanging to enable the preformed flanging to form an included angle which is not less than 80 degrees and not more than 90 degrees with the surface of the attached plate, and finally forming the flanging to abut against the side wall of the cathode runner groove and the edge of the attached plate to abut against the step. The invention can ensure the strength of the flow field plate and the impact resistance of the fuel cell under the condition of reducing the thickness of the single cell.)

一种风冷燃料电池阴极流场结构及其制造工艺

技术领域

本发明涉及燃料电池，具体涉及一种风冷燃料电池阴极流场结构及其制造工艺。

背景技术

目前，氢空燃料电池是一种将氢气（阳极）和空气中氧气（阴极）在催化剂的作用下发生电化学反应并转化成电能的装置。而燃料电池流场结构是燃料电池电堆的核心技术之一，燃料电池结构会影响氧化剂、还原剂和冷却剂在燃料电池中的运行，最终影响到燃料电池的体积、功率密度、效率、寿命等。

现有的风冷燃料电池流场结构主要有两种，一种是以石墨作为基础材料，主要以去除材料加工工艺形成流场结构，此类结构的优点主要是耐腐蚀能力强，原材料接触电阻小，无需表面处理，研发成本较低，缺点是重量较大，体积较大，单电池厚度普遍在3mm以上；另一种是以金属薄板作为基材，通过模具成型加工形成一定厚度空间作为反应气体流场，此类结构的优点是重量轻，整堆耐冲击能力强，单电池厚度一般在2.5mm以下，整堆功率密度更高，缺点是需要进行表面处理用以增加耐腐蚀能力和降低接触电阻，需要模具成型，研发成本较高、工艺难度较大。

此外，文献CN209344229U公开了一种用于燃料电池的阴极板，阴极板具有一阴极板贴合侧、一阴极板自由侧、至少一散热通道以及至少一流体通道，阴极板贴合侧和阴极板自由侧相互对应，其中每个散热通道分别形成于阴极板的阴极板贴合侧，并且每个散热通道分别沿着阴极板的宽度方向延伸，其中每个流体通道分别自阴极板贴合侧向阴极板自由侧方向延伸，并且至少一个流体通道连通于至少一个散热通道。然而这种结构会大幅降低阴极板的强度，要保证强度就必须得将阴极板加厚，这势必会增加燃料电池厚度。

发明内容

本发明目的之一在于提供一种既能够降低燃料电池厚度又能够提升燃料电池性能的风冷燃料电池阴极流场结构。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种风冷燃料电池阴极流场结构，包括流场板本体和设置在流场板本体上的阴极流场区域，以及设置在流场板本体上并位于阴极流场区域侧方的阳极气体主流道；在阴极流场区域设置有阴极流道脊，相邻阴极流道脊之间构成阴极流道槽；在阴极流道槽内设置有附板，通过附板将阴极流道槽分隔成上下两部分，并在附板上设置有成列布置的翘片，翘片的翘起部分所在的附板区域形成连通阴极流道槽上部与阴极流道槽下部的通孔。

为进一步提升燃料电池性能，附板上设置的翘片呈矩阵排列，同一阴极流道槽内的相邻翘片错位排列。

为更进一步提升燃料电池性能，附板上设置的翘片位于阴极流道槽上部，且翘片顺向于气体流动方向布置。通过仿真计算，此结构能有效增加靠近反应区域的气体压力，有利于气体扩散，还能够降低靠近反应区域的流体流速，降低水分流失，能更好的保持燃料电池电堆湿度。

为进一步降低燃料电池厚度，提升燃料电池在复杂应用环境中的耐冲击能力，在位于同一阴极流道槽内的附板上设置有翻边，且翻边与阴极流道槽侧壁相抵接。作为优选，在位于同一阴极流道槽内的附板上设置有两块翻边，且两块翻边与阴极流道槽的两侧壁贴壁抵接。

更进一步地，在阴极流道脊两端部设置阶台，附板的边部位于阶台上。

为方便燃料电池组装，在阴极流道脊端部的阶台壁上还设置有坡面。

作为优选，附板及附板上的翻边、翘片为一体成型结构。

作为优选，附板上翻边和翘片的顶点低于阴极流道脊顶面。

本发明目的之二在于提供一种稳定性好、强度高的风冷燃料电池阴极流场结构的制造工艺，步骤包括：

步骤1，采用精密切割成型的方式在附板上切割出与翘片相匹配的线缝、与翻边和阴极流道脊相匹配的线缝和孔；

步骤2，将精密切割完成后的附板置于翘片模具上进行翘片成型；

步骤3，将翘片成型后的附板置于翻边模具上进行翻边预成型，使预成型的翻边与附板表面形成不小于80°且不大于90°的夹角；

步骤4，在阴极流道脊端部的阶台壁上加工坡面；

步骤5，将翻边预成型的附板置于阴极流道脊顶面，对附板进行对位、定位后压附板，使翻边最终成型并抵紧阴极流道槽侧壁、附板的边部贴靠于阶台上。

有益效果：采用本发明的技术方案，不仅能够增加燃料电池阴极反应区域的气体扩散能力，提高燃料电池的性能，降低因浓差极化所导致的大电流密度下的电池内阻，提升电堆大电流状态下的功率密度，而且能够提其电堆散热效率，降低流场板阴极反应区域流场深度，实现降低单电池厚度与重量的效果，还能够降低燃料电池风扇的功率与噪音，提升系统能量转换效率；采用本发明的技术方案，在降低单电池厚度的情况下，还能够确保流场板的强度和燃料电池的耐冲击能力；采用本发明的制造工艺，所制得的风冷燃料电池阴极流场结构稳定性好、强度高、一致性好。

附图说明

图1是实施例中风冷燃料电池阴极流场结构示意图一；

图2是图1中A部位放大图；

图3是实施例中风冷燃料电池阴极流场结构示意图二；

图4是图3中B部位放大图；

图5是实施例中风冷燃料电池阴极流场结构的附板示意图；

图6是图5中C部位放大图；

图7是制造实施例中风冷燃料电池阴极流场结构所用的翘边模具示意图；

图8是制造实施例中风冷燃料电池阴极流场结构所用的翻边模具示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但以下实施例的说明只是用于帮助理解本发明的原理及其核心思想，并非对本发明保护范围的限定。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，针对本发明进行的改进也落入本发明权利要求的保护范围内。

实施例1

参见图1至图6，一种风冷燃料电池阴极流场结构，包括流场板本体2和设置在流场板本体2上的阴极流场区域14，以及设置在流场板本体2上并位于阴极流场区域14两侧的阳极气体主流道13, 在阳极气体流道13内设置有密封结构12；在阴极流场区域14设置有阴极流道脊3，相邻阴极流道脊3之间构成阴极流道槽7；在阴极流道槽7内设置有附板1，通过附板1将阴极流道槽7分隔成上下两部分，并在附板1上设置有成列布置的翘片8，翘片8的翘起部分所在的附板1区域形成连通阴极流道槽上部与阴极流道槽下部的通孔。

为进一步提升燃料电池性能，附板1上设置的翘片8呈矩阵排列，同一阴极流道槽7内的相邻翘片8错位排列。本实施例中，每个阴极流道槽7内设置有两列翘片8，相邻的两排翘片8错位排列。

本实施例中，附板1上设置的翘片8位于阴极流道槽上部，且翘片8顺向于气体流动方向布置，图2中箭头所示表示气体流向。通过仿真计算，此结构能有效增加靠近反应区域的气体压力，有利于气体扩散，同时此结构能够降低靠近反应区域的流体流速，降低水分流失，能更好的保持燃料电池电堆湿度。

为进一步降低燃料电池厚度，提升燃料电池在复杂应用环境中的耐冲击能力，在位于同一阴极流道槽7内的附板1上设置有翻边9，且翻边9与阴极流道槽7侧壁相抵接。本实施例中，在位于同一阴极流道槽7内的附板1上设置有两块翻边9，且两块翻边9与阴极流道槽7的两侧壁贴壁抵接。

本实施例中，在阴极流道脊3两端部设置有阶台6，附板1的边部贴靠于阶台6上。

为方便燃料电池组装，在阴极流道脊3端部的阶台壁上还设置有坡面5。

本实施例中，附板1及附板1上的翻边9、翘片8为一体成型结构。

本实施例中，附板1上翻边9和翘片8的顶点低于阴极流道脊3顶面。

本实施例中，在位于阴极流场区域14侧方的流场板本体2上设置有附板安装定位结构15、加工定位结构18、工装工定位结构17和单电池电压检测结构16。

实施例2

参见图2至图6，一种风冷燃料电池阴极流场结构的制备方法，步骤包括：

步骤1，采用精密切割成型的方式在附板1上切割出与翘片8相匹配的线缝、与翻边9和阴极流道脊3相匹配的线缝和孔；具体地，对于如图6所示的翘片8和翻边9，采用精密切割成型的方式在附板1上切割出U形线缝，采用精密切割成型的方式在附板1上切割条形线缝（线缝为纵向方向），条形线缝长度与翻边9长度相同，在条形线缝两端横向切割与翻边9等宽的缺口，并在缺口外侧横向切割宽度略大于两倍翻边9宽度的弧形孔；

步骤2，将精密切割完成后的附板1通过附板成型定位孔11置于翘片模具上进行翘片8成型；翘片模具如图7所示，包括：凸模31，凸模31上设置有成列布置的凸起，凸起尺寸和相邻凸起之间的间距与附板1上的翘片8规格相匹配；压板32，压板32上设置有与凸起相匹配的孔供凸起出入；凹模33，凹模33上设置有与凸起和翘片8相匹配的孔，凹模33上还设置有与附板成型定位孔11相匹配的定位柱；附板1定位在凹模33上后，采用凸模31和压板32下压附板1使翘片8成型；

步骤3，将翘片8成型后的附板1置于翻边模具上进行翻边预成型，使预成型的翻边9与附板1表面形成不小于80°且不大于90°的夹角；翻边模具如图8所示，包括：凸模41，凸模41上设置有凸棱，凸棱尺寸与附板1上的翻边9规格相匹配；压板42，压板42上设置有与凸棱相匹配的条形孔供凸棱出入；凹模44，凹模44上设置有与凸棱相匹配的槽以及与翘片8相匹配的孔43，凹模44上还设置有与附板成型定位孔11相匹配的定位柱；附板1定位在凹模44上后，采用凸模41和压板42下压附板1使翻边9预成型；本步骤中，需要特别注意的是，要控制预成型的翻边9与附板1表面形成的夹角不小于80°且不大于90°；

步骤4，在阴极流道脊3端部的阶台壁上加工坡面5，坡面5下方留一段竖直面，这样的结构能够更好地引导安装附板1；

步骤5，将翻边预成型的附板1置于阴极流道脊3顶面，对附板1进行对位、定位后压附板1，压附板1可以采用类似于凹模44的工具进行，使翻边9最终成型并抵紧阴极流道槽7侧壁，附板1的边部贴靠于阶台6上，结束后的状态如图2所示。

采用实施例中的风冷燃料电池阴极流场结构，不仅能够增加反应区域流体压力，增加燃料电池阴极反应区域的气体扩散能力，提高燃料电池的性能，降低因浓差极化所导致的大电流密度下的电池内阻，提升电堆大电流状态下的功率密度，同时降低靠近反应区域的流速，提高反应区域湿度，而且能够提其电堆散热效率，降低流场板阴极反应区域流场深度，实现降低单电池厚度与重量的效果，还能够降低燃料电池风扇的功率与噪音，提升系统能量转换效率；采用实施例中的风冷燃料电池阴极流场结构，在降低单电池厚度的情况下，还能够确保流场板的强度、稳定性和燃料电池的耐冲击能力。

采用实施例中的制备方法，可实现批量加工与精确定位，保证燃料电池装配一致性，且一方面能够确保附板的翻边紧紧抵靠在阴极流道槽侧壁，确保附板与阴极流道脊的贴合性能，另一方面通过设置的坡面引导附板安装以及将附板边部固定在阴极流道脊端部的阶台上，使得附板能够顺利、稳定地安装在流场板本体上，更为重要地是能够一次性压装好，自适应加工误差调整。