專利名稱：質(zhì)子交換膜燃料電池的金屬復(fù)合雙極板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出一種質(zhì)子交換膜燃料電池的金屬復(fù)合雙極板，屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種可將化學(xué)能連續(xù)不斷地直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置。當(dāng)電池工作時(shí)，要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)輸送燃料和氧化劑即可連續(xù)不斷地得到電能，同時(shí)要連續(xù)不斷地排除化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物水的同時(shí)還要連續(xù)不斷地排除因化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱。由于質(zhì)子交換膜燃料電池有工作溫度低、啟動(dòng)快、能量轉(zhuǎn)化效率高、與環(huán)境友好等特點(diǎn)，開發(fā)質(zhì)子交換膜燃料電池成為現(xiàn)代科技攻關(guān)的熱點(diǎn)之一。但是，以目前的技術(shù)水平質(zhì)子交換膜燃料電池還無法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，其中一個(gè)非常主要的因素就是雙極板。雙極板的材料、流場結(jié)構(gòu)，尤其是其加工成本(目前的技術(shù)水平，雙極板的成本要占整個(gè)燃料電池成本的40％～60％以上)都存在許多亟待解決的技術(shù)問題。目前，世界上在這方面的研究工作進(jìn)行的很多。主要的研究方向有碳-聚合物復(fù)合材料和金屬基材料。碳-聚合物復(fù)合材料的研究主要是將石墨與聚合物材料經(jīng)一定方式混合，然后經(jīng)沖壓成型。其中石墨材料起導(dǎo)電作用，而聚合物起粘接作用。這種方式能夠較大程度降低生產(chǎn)成本，但石墨的添加量不能過大，否則會(huì)降低材料的可沖壓性，還造成石墨分布不均，容易產(chǎn)生氣體的滲漏，而且使得材料的導(dǎo)電性比本來就比金屬差的石墨更低。而金屬基材料雙極板由于良好的導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度和低成本則成為研究熱點(diǎn)，對金屬基雙極板材料的研究一方向集中在材料的簡單替代上，另一方面則側(cè)重開發(fā)新的高效低成本結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)有技術(shù)中，一種是采用了厚度只有零點(diǎn)幾個(gè)毫米的鈦金屬板作為基材，制備出兼具冷卻板的功能的新型雙極板。首先將薄鈦板用沖壓等方法加工出溝槽結(jié)構(gòu)，然后用釬焊的方法將兩個(gè)金屬薄板直接，或者通過一中間金屬隔板焊接起來。金屬板表面的溝槽作為氣體通道，而兩個(gè)金屬板的中間腔體則構(gòu)成液體冷卻劑的通道。這種方法可以將雙極板做得很輕，散熱良好。但是采用鈦材料其成本仍較高。另一種是采用厚度只有0.2～0.3毫米的薄金屬板，如不銹鋼(鋼號310或316，其中310雙極板比316雙極板表現(xiàn)出更好的極化特性)，來做雙極板材料，流場板則采用方形的不銹鋼等金屬篩網(wǎng)，進(jìn)氣孔和出氣孔分別位于流場板的對角線上，可以保證相對均勻的氣流分布。冷卻板的形式與雙極板類似，在兩個(gè)較薄(厚度為0.25mm左右)的金屬板中間夾以一金屬網(wǎng)，液體冷卻劑從金屬網(wǎng)中流過以保證良好的流體分布，整個(gè)冷卻板的厚度為3毫米。第三種是由三層薄金屬板構(gòu)成的燃料電池雙極板，中間為分隔板，兩側(cè)為帶有條狀溝槽的導(dǎo)流板。導(dǎo)流板上的溝槽由入口到出口是連續(xù)的；并且溝槽之間逐漸并接，使得溝槽的橫截面積由氣體入口到出口逐級衰減，條狀溝槽占整個(gè)工作面積的1/2～4/5。以上技術(shù)都是從某一個(gè)側(cè)面來改善雙極板的性能，但是沒有一個(gè)將減輕雙極板的體積和重量，改善反應(yīng)氣體的利用率，增加雙極板的冷卻功能，提高雙極板材料的導(dǎo)電性，降低材料與生產(chǎn)成本以及具有良好的裝配性等各方面綜合考慮并包容進(jìn)去的，因此他們對雙極板性能和成本的改進(jìn)都是不全面的，都只是在某一方面有提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明由兩部分組成，一部分是與三合一電極相對應(yīng)的條狀溝槽部分。這一部分由兩塊形狀完全對稱的薄金屬板焊合而成，其要點(diǎn)是條狀溝槽的凸臺(tái)呈蛇型，共有兩個(gè)特點(diǎn)一是將氣體導(dǎo)流槽分割為兩個(gè)彼此不相通的梳型氣道，這兩個(gè)彼此不相通的梳型氣道一個(gè)是進(jìn)氣道一個(gè)是排氣道；另一個(gè)特點(diǎn)是兩塊形狀完全對稱的薄金屬板上的呈蛇行的條狀溝槽的凸臺(tái)構(gòu)成了一蛇型的冷卻水道；另一部分是金屬邊框，它的作用是支撐和固定條狀溝槽部分并形成氣道和水道。邊框和條狀溝槽部分通過粘合或焊合成一體。下面結(jié)合附圖詳細(xì)闡述本發(fā)明原理和結(jié)構(gòu)金屬邊框1中間，鑲有兩塊結(jié)構(gòu)、形狀完全對稱的薄金屬板2，上薄金屬板為陽極板，下薄金屬板為陰極板，陽極板和陰極板焊接成一個(gè)整體，在金屬邊框1兩下角處鉆有圓孔3、4，在金屬邊框1兩上角處分別鉆有方孔7、8和圓孔5、6，在圓孔4、6處加工凹槽與蛇型條狀溝槽構(gòu)成氣體通道，方孔7、8處加工出凹槽與兩極板間的蛇型冷卻劑通道相連，在陽極板上經(jīng)沖壓，制成呈蛇型的條狀溝槽凸臺(tái)，在呈蛇型條狀溝槽的凸臺(tái)內(nèi)部構(gòu)成了一條蛇型的冷卻劑通道，可以通過控制冷卻劑流量和流速來嚴(yán)格控制燃料電池的內(nèi)部溫度，有利于反應(yīng)區(qū)域的溫度及電流密度均勻分布，提高燃料電池的性能。本發(fā)明中呈蛇型的條狀溝槽凸臺(tái)將氣體導(dǎo)流槽分割為兩個(gè)彼此不相通的梳型氣道，燃料氣、氧化劑氣體分別通過各自的梳型進(jìn)氣道到達(dá)凸臺(tái)的一側(cè)，然后沿與凸臺(tái)垂直的方向通過擴(kuò)散層流到排氣道。該結(jié)構(gòu)可以充分地保證氣體均勻地到達(dá)電極的每一個(gè)角落，提高反應(yīng)氣體的利用率。由于氧化劑氣體從進(jìn)氣孔必須通過蛇行通道的凸臺(tái)才能夠到達(dá)對角線一側(cè)的出氣孔，這種氣體流動(dòng)方式有利于燃料電池陰極一側(cè)的產(chǎn)物水的排出。在陽、陰兩塊極板的凸起表面，鍍有Ag和Au等金屬，可有效改善兩個(gè)極板的防腐，導(dǎo)電或排氣性能。金屬邊框1可用Al、不銹鋼等金屬制成。金屬邊框的作用可以起支撐和固定條狀溝槽部分的作用，改善了薄不銹鋼極板機(jī)械強(qiáng)度差的缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)燃料電池堆的順利安裝，同時(shí)可以形成容易加工的氣道和冷卻劑通道。本發(fā)明將充分地發(fā)揮雙極板的如下功能1、氣道可以保證燃料氣、氧化劑氣體的均勻分布；2、條狀溝槽的凸臺(tái)可以保證電流的均勻分布，最大限度地降低接觸電阻；3、水冷功能可以保證電堆溫度的均勻分布；4、雙極板由條狀溝槽部分和金屬邊框兩部分組成既可以使其具有多項(xiàng)功能又有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。


圖1為本發(fā)明陽極板原理結(jié)構(gòu)圖。
圖2為本發(fā)明陰極板原理結(jié)構(gòu)圖。
圖3為本發(fā)明圖2中A-A剖視圖。
實(shí)施例1采用0.15～0.5mm厚的奧氏體不銹鋼沖壓條狀溝槽部分，其幾何形狀為矩形。根據(jù)電池的工作電流來確定矩形的邊長，電流越大，面積越大。采用電焊的辦法將完全對稱的兩塊條狀溝槽部分焊合在一起，其厚度根據(jù)需要可為1.5～3.5mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示。沖壓條狀溝槽結(jié)構(gòu)也如圖1所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是凸臺(tái)部分的始端和末端位于矩形短邊的一側(cè)，即冷卻劑通道的始端和末端位于矩形短邊的一側(cè)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。凸臺(tái)部分的寬度2.0～6.0mm，溝槽部分的寬度0.5～3.0mm。呈蛇行條狀溝槽的凸臺(tái)與擴(kuò)散層接觸的部分局部電鍍或化學(xué)鍍Ag和Au的多層鍍層，Ag層為底層表層為Au，銀層的厚度以無孔為標(biāo)準(zhǔn)約5～10μm，金鍍層0.1～05μm。另一部分是矩形的金屬邊框如圖1所示。它可以用Al，Ti，Mg及其合金沖壓或澆鑄成型。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是氣體和液體通道都設(shè)在矩形的短邊上。矩形的金屬邊框和條狀溝槽部分通過粘合或焊接形成一體。
實(shí)施例2采用0.15～0.5mm厚的Al，Ti及其合金沖壓條狀溝槽部分。其幾何形狀為矩形，根據(jù)電池的工作電流為確定矩形的邊長，電流越大，面積越大。采用電焊的辦法將完全對稱的兩塊條狀溝槽部分焊合在一起，其厚度根據(jù)需要可為1.5～3.5mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示。沖壓條狀溝槽部分的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是凸臺(tái)部分的始端和末端位于矩形短邊的一側(cè)，即冷卻劑通道的始端和末端位于矩形短邊的一側(cè)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。凸臺(tái)部分的寬度2.0～6.0mm，溝槽部分的寬度0.5～3.0mm。呈蛇行條狀溝槽的凸臺(tái)與擴(kuò)散層接觸的部分局部電鍍或化學(xué)鍍Ag和Au的多層鍍層。Ag層為底層表層為Au，銀層的厚度以無孔為標(biāo)準(zhǔn)約5～10μm，金鍍層0.1～05μm。另一部分是矩形的金屬邊框，如圖1所示。它可以用Al，Ti，Mg及其合金沖壓或澆鑄成型。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是氣體和液體通道都設(shè)在矩形的短邊上，矩形的金屬邊框和條狀溝槽部分通過粘合或焊接形成一體。
權(quán)利要求
1.一種質(zhì)子交換膜燃料電池的金屬復(fù)合雙極板，其特征在于金屬邊框[1]中間，鑲有兩塊結(jié)構(gòu)、形狀完全對稱的薄金屬板[2]，上薄金屬板為陽極板，下薄金屬板為陰極板，陽極板和陰極板焊接成一個(gè)整體，在金屬邊框[1]兩下角處鉆有圓孔[3]、[4]，在金屬邊框[1]兩上角處分別鉆有方孔[7]、[8]和圓孔[5]、[6]，在圓孔[4]、[6]處加工凹槽與蛇型條狀溝槽構(gòu)成氣體通道，方孔[7]、[8]處加工出凹槽與兩極板間的蛇型冷卻劑通道相連，在陽極板上經(jīng)沖壓，制成呈蛇型的條狀溝槽凸臺(tái)，在呈蛇型條狀溝槽的凸臺(tái)內(nèi)部構(gòu)成了一條蛇型的冷卻劑通道。
全文摘要
本發(fā)明提出一種質(zhì)子交換膜燃料電池的金屬復(fù)合雙極板，該雙極板由兩部分組成，一部分是與三合一電極相對應(yīng)的條狀溝槽部分，由兩塊形狀完全對稱的薄金屬焊合而成，條狀溝槽的凸臺(tái)呈蛇型，另一部分是金屬邊框，它的作用是支撐和固定條狀溝槽部分并形成氣道和水道，邊框和條狀溝槽部分通過粘合或焊合成一體。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1.氣道可以保證燃料氣、氧化劑氣體的均勻分布；2.條裝溝槽的凸臺(tái)可以保證電流的均勻分布，最大限度地降低接觸電阻；3.水冷功能可以保證電堆溫度的均勻分布；4.雙極板由條狀溝槽部分和金屬邊框兩部分組成既可以使其具有多項(xiàng)功能又有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。
文檔編號H01M4/64GK1416184SQ0113248
公開日2003年5月7日 申請日期2001年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月1日
發(fā)明者史鵬飛, 杜春雨, 尹鴿平, 程新群 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)