專利名稱：一種質(zhì)子交換膜燃料電池用金屬雙極板及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在特殊場合下使用的質(zhì)子交換膜燃料電池用金屬雙極板及其制作技術(shù)，這種技術(shù)對于質(zhì)子交換膜燃料電池用雙極板的密封和推進(jìn)燃料電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程具有重大意義。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)在九十年代以來取得了長足的進(jìn)展，電催化劑和電極，質(zhì)子交換膜及其三合一組件已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)階段。無論是堿性燃料電池還是質(zhì)子交換膜燃料電池，均需采取嚴(yán)格的密封手段，才可使燃料電池平穩(wěn)有效的運(yùn)行。燃料電池是由多個單電池串聯(lián)而成的電池組，其密封包括兩項(xiàng)內(nèi)容一為氣室與外界的密封。二為燃料氣室與氧化劑氣室之間的密封。一旦密封失效，輕者使電池?zé)o法繼續(xù)運(yùn)行，重者會造成電池爆炸，后果是極為嚴(yán)重的。目前各國均集中力量開發(fā)可供大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)的金屬雙極板，對于密封問題的解決日益緊迫，由于質(zhì)子交換膜燃料電池的密封屬于關(guān)鍵技術(shù)，各種專利中鮮有透漏，系各自的技術(shù)訣竅，保密性頗強(qiáng)，在相關(guān)專利中均未提及具體的密封結(jié)構(gòu)。
在文獻(xiàn)(1)US Patent 4,175,165中，僅在該文獻(xiàn)的圖1中顯示出一個矩形框密封墊7，表示該密封框的尺寸大于質(zhì)子交換膜的外形，并在其權(quán)利要求的第18條中強(qiáng)調(diào)該矩形密封框只與質(zhì)子交換膜接觸，第25條又指出密封墊并不遮蓋電極。
在文獻(xiàn)(2)US Patent 5,300,370中，只在該文獻(xiàn)圖9的說明中提及密封材料(sealant)與墊圈材料(gasket materia)1324，并說明該密封件是絕緣的，環(huán)繞著極板中間的工作區(qū)，此外，在其專利的具體裝置部分提及其分割層76，86與模板層74，84采用0.8mm和0.76mm厚的彈性石墨箔薄片，該產(chǎn)品系UCAR牌號為GH-A的密封層壓件。
在文獻(xiàn)(3)US Patent 3,134,679中，未曾在專利權(quán)利要求中提及密封問題，只在其實(shí)施例1中順便提到采用硅樹脂橡膠墊圈(silicone rubber gaskets)，并在該文獻(xiàn)的圖1中用11表示其密封件為一矩形框，但三合一比它小。
在文獻(xiàn)(4)US Patent 5,382,478中，也未在權(quán)利要求中提及密封問題，只在圖9B的說明中表示其密封材料環(huán)繞著進(jìn)出氣孔與工作區(qū)，并在該文獻(xiàn)圖5的說明中提及其三合一與極板的外形一致。
文獻(xiàn)(1)，(2)，(3)，(4)均未提及具體的密封結(jié)構(gòu)。
在文獻(xiàn)(5)US Patent 5,284,718中，明確表示該專利采用SANTOPRENE牌號的合成橡膠材料做密封件，以金屬沖壓刀具將橡膠片沖壓成所需的形狀，其質(zhì)子交換膜的外形同極板的外形尺寸相同，在用碳紙構(gòu)成的薄片材料邊沿沖壓出斷續(xù)的透孔式溝槽，該溝槽環(huán)繞四邊的進(jìn)出氣孔與極板的工作區(qū)邊沿，電池組裝時，將上述碳紙上的斷續(xù)溝槽之連接處剪除，把沖壓成型的密封件連續(xù)嵌入溝槽中，以形成對電池的密封。
在文獻(xiàn)(6)US Patent 5,464,700中，詳盡地分析了采用質(zhì)子交換膜作密封材料的諸項(xiàng)缺點(diǎn)，提出了采用非親水的熱塑彈性材料制成薄片作質(zhì)子交換膜燃料電池密封材料的方法。文獻(xiàn)(6)提出的方法操作起來比較繁瑣。
在文獻(xiàn)(7)中國專利，申請?zhí)?9112701.3中，提出了將三合一組件嵌合于密封件中的方法，密封件為矩形框狀彈性膠體墊片，外形尺寸與極板相同，密封件上開有進(jìn)出氣孔和制冷劑出口。文獻(xiàn)(7)頗為詳盡的提供了一種用于常溫燃料電池的密封技術(shù)，但其采用的橡膠薄片框墊密封方法使質(zhì)子交換膜燃料電池的組裝工藝變得十分復(fù)雜，從而使質(zhì)子交換膜燃料電池的組裝難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化大規(guī)模的商業(yè)性生產(chǎn)。
在文獻(xiàn)(8)中國專利，申請?zhí)?9113180.0中，提供了一種帶密封結(jié)構(gòu)的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板，它采用的方法是在雙極板基板的周邊，即工作面積周邊和氣液通孔周邊包敖一層橡膠密封片，厚度為0.1～2.0mm，橡膠材料的邵氏硬度在25～75之間。文獻(xiàn)(8)提出的方法制作工藝比較復(fù)雜，且加工費(fèi)用較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板及其制備方法，其可以使質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的制備工藝更為簡便，且很好地解決了燃料氣室與氧化劑氣室之間的密封問題，密封結(jié)構(gòu)合理，效果堅(jiān)實(shí)可靠，成本也低，經(jīng)過長時間使用也不老化，適宜于機(jī)械化大規(guī)模的商業(yè)性生產(chǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明提供了一種在特殊場合下使用的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的密封技術(shù)，雙極板上設(shè)有氣、液室，在原有雙極板的周圍，即工作面積周邊和氣、液室周邊均勻粘接一層密封線，并在其密封線上點(diǎn)焊一根很細(xì)的金屬絲，讓它緊貼在密封線上，在硫化機(jī)上高溫作用下，并在一定壓力下制作而成。
1、本發(fā)明提供了一種在特殊場合下使用的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的密封技術(shù)。
2、用重量百分含量不少于85％的磷酸(分析純)作粘接劑，均勻涂抹在雙極板工作面積周邊和氣、液室周邊，將一種特殊材質(zhì)的導(dǎo)電膠均勻粘接在雙極板周圍作為密封線。其中，導(dǎo)電膠采用具有錫-銀、錫-銅、錫-鉍等材料合成制作的條、絲都可以，將兩種材料高溫融化在一起拉成條或絲即可。
3、將一根光滑的直徑較細(xì)的金屬絲點(diǎn)焊在密封線上。
4、制備雙極板的壓力控制在0.05MPa～0.1MPa之間，硫化機(jī)溫度控制在150℃～240℃之間。
5、制備雙極板的壓力和溫度在硫化機(jī)上進(jìn)行，硫化機(jī)上下兩個端面要平整、光滑。
本發(fā)明的有益效果1、本發(fā)明中采用了磷酸做粘接劑，一種特殊材質(zhì)的導(dǎo)電膠作密封線，其粘接效果明顯，密封程度結(jié)實(shí)可靠，很好地解決了電池組中氣室與氣室、氣室與外界之間的密封問題。
2、本發(fā)明采用的密封材料較普遍，所用密封材料(導(dǎo)電膠)選自一種導(dǎo)電性能比較強(qiáng)的金屬絲，如采用具有錫-銀、錫-銅、錫-鉍等材料合成制作的條、絲都可以，將兩種材料高溫融化在一起拉成條或絲即可，也不需要特別的加工，因此所選材料簡易性、實(shí)用性比較強(qiáng)。
3、本發(fā)明采用高溫高壓的方法使極板與極板間粘接更加牢靠，且平整、可靠。
4、采用本發(fā)明制備的薄金屬雙極板組裝成電池組后，兩雙極板間的接觸電阻比以前的舊板要小的多，具體數(shù)據(jù)見表1。
5、本發(fā)明制備過程中成本較低，且經(jīng)過長時間使用也不老化，具有較高地實(shí)用價值，適宜于進(jìn)行機(jī)械化大規(guī)模的商業(yè)性生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明單張機(jī)加工板涂完密封線后示意圖。
圖2為本發(fā)明粘接之后形成的薄金屬雙極板形狀示意圖。
圖3為實(shí)施例1電池組的伏-安特性曲線。
圖4為實(shí)施例2電池組的伏-安特性曲線。
圖5為實(shí)施例3電池組的伏-安特性曲線。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示單張機(jī)加工板涂完密封線后示意圖，圖中標(biāo)號1為燃料氣室，標(biāo)號2為冷卻液室，標(biāo)號3為氧化劑氣室，標(biāo)號4為密封線。如圖2所示粘接之后形成的薄金屬雙極板5形狀示意圖。
本發(fā)明是一種在特殊場合下使用的一種質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的密封技術(shù)。
1.本發(fā)明制備燃料電池用薄金屬雙極板的步驟如下a、用重量百分含量不少于85％的磷酸(分析純)作粘接劑，均勻涂抹在雙極板工作面積周邊和氣、液室周邊，將一種特殊材質(zhì)的導(dǎo)電膠均勻粘接在雙極板周圍作為密封線。
b、將一根光滑的鉑金屬絲點(diǎn)焊在密封線上。
c、將五張機(jī)加工板定好位后按順序依次疊加起來，放在硫化機(jī)上準(zhǔn)備進(jìn)行高溫高壓處理。
d、制備雙極板的壓力控制在0.05MPa～0.1MPa之間，溫度控制在150℃～240℃之間。硫化機(jī)上下兩個端面要平整、光滑。
e、當(dāng)溫度達(dá)到要求之后，啟動硫化機(jī)，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時，保持硫化機(jī)工作狀態(tài)，溫度設(shè)定關(guān)閉，保持硫化機(jī)工作電源，讓硫化機(jī)溫度自然冷卻，直到溫度低于100℃之后再關(guān)閉硫化機(jī)電源。
2、本發(fā)明所用粘接劑選自重量百分含量不少于85％的磷酸(分析純)，也不需要特殊的工藝加工，因此所選材料簡易性、通用性比較強(qiáng)。
3、本發(fā)明所述密封線系采用一種導(dǎo)電性能較好的金屬絲，最好直徑恰到好處，其直徑范圍在0.2mm～0.4mm之間為佳，太粗或太細(xì)都將影響雙極板的密封效果。
4、本發(fā)明所用導(dǎo)電膠是采用具有錫-銀、錫-銅、錫-鉍等材料合成制作的條、絲都可以，將兩種材料高溫融化在一起拉成條或絲即可，本文使用的是錫-銀合成的材料，其直徑范圍在2mm～3mm之間為佳。
5、硫化機(jī)加熱溫度控制在150℃～240℃之間，工作壓力控制在0.05MPa～0.1MPa之間，且硫化機(jī)上下兩端面一定要光滑、平整。
6、當(dāng)溫度升高之后，一定要自然冷卻，直到溫度達(dá)到100℃以下后，才能拿出制備好的雙極板。
實(shí)施例1
不帶金屬絲密封的薄金屬雙極板制備選取工作面積為130cm2的不銹鋼燃料電池機(jī)加工板五張，厚度0.4mm，在工作面積周邊和氣、液室周邊，反正兩面用重量百分含量85％的磷酸(分析純)作粘接劑，均勻涂抹在雙極板工作面積周邊和氣、液室周邊，將導(dǎo)電膠均勻粘接在雙極板周圍作為密封線，單張機(jī)加工板涂完密封線后見圖1，然后將五張板定好位之后，依次疊加起來，拿到硫化機(jī)上進(jìn)行高溫、高壓處理(溫度為180℃，壓力為0.08MPa)。制備以前硫化機(jī)上下端板一定要加工平整、光滑，確保上下端板與機(jī)加工板接觸面積牢靠，使極板與極板之間涂抹的密封線在高溫作用下均勻融化，且粘接面積接觸牢靠。粘接之后形成的薄金屬雙極板形狀見圖2。所制備出的不帶金屬絲密封的薄金屬雙極板以1MPa的氮?dú)鈾z測密封性能，密封良好。用常規(guī)鉑碳電催化劑和電極，鉑擔(dān)量0.4mg/cm2，美國杜邦公司的1135膜，組裝成單電池構(gòu)成的質(zhì)子交換膜燃料電池，操作壓力O2＝0.22MPa，H2＝0.2MPa，溫度70℃，電池組的伏-安特性見圖3。
實(shí)施例2帶鉑金屬絲密封的薄金屬雙極板制備選取工作面積為120cm2的不銹鋼燃料電池機(jī)加工板五張，厚度0.4mm，在工作面積周邊和氣、液室周邊，反正兩面用重量百分含量90％的磷酸(分析純)作粘接劑，均勻涂抹在雙極板工作面積周邊和氣、液室周邊，將導(dǎo)電膠均勻粘接在雙極板周圍作為密封線，將一根光滑的鉑金屬絲點(diǎn)焊在密封線上，然后將五張板定好位之后，依次疊加起來，拿到硫化機(jī)上進(jìn)行高溫、高壓處理(溫度為190℃，壓力為0.06MPa)。制備以前硫化機(jī)上下端板一定要加工平整、光滑，確保上下端板與機(jī)加工板接觸面積牢靠，使極板與極板之間涂抹的密封線在高溫作用下均勻融化，且粘接面積接觸牢靠。所制備出的帶鉑金屬絲密封的薄金屬雙極板以1MPa的氮?dú)鈾z測密封性能，密封性特別好。組裝成單節(jié)對單電池構(gòu)成的質(zhì)子交換膜燃料電池，電池運(yùn)行操作條件同實(shí)施例1。電池組的伏-安特性見圖4。
實(shí)施例3帶鉑金屬絲密封的薄金屬雙極板制備選取工作面積為130cm2的不銹鋼燃料電池機(jī)加工板五張，厚度0.3mm，在工作面積周邊和氣、液室周邊，反正兩面用重量百分含量95％的磷酸(分析純)作粘接劑，均勻涂抹在雙極板工作面積周邊和氣、液室周邊，將導(dǎo)電膠均勻粘接在雙極板周圍作為密封線，將一根光滑的鉑金屬絲點(diǎn)焊在密封線上，然后將五張板定好位之后，依次疊加起來，拿到硫化機(jī)上進(jìn)行高溫、高壓處理(溫度為210℃，壓力為0.09MPa)。制備以前硫化機(jī)上下端板一定要加工平整、光滑，確保上下端板與機(jī)加工板接觸面積牢靠，使極板與極板之間涂抹的密封線在高溫作用下均勻融化，且粘接面積接觸牢靠。所制備出的帶鉑金屬絲密封的鉑金屬雙極板以1MPa的氮?dú)鈾z測密封性能，密封性特別好。組裝成三對單電池構(gòu)成的質(zhì)子交換膜燃料電池，電池運(yùn)行操作條件同實(shí)施例1。電池組的伏-安特性見圖5。
對發(fā)明新穎性和創(chuàng)造性說明1、本發(fā)明用磷酸做粘接劑，采用一種特殊材質(zhì)地導(dǎo)電膠做密封線，使它能夠均勻地粘接在雙極板的周圍，避免了以前雙極板粘接不牢，且粘接材料容易老化的問題。
2、本發(fā)明將鉑金屬絲粘接在密封線上，能夠很好地解決質(zhì)子交換膜燃料電池中燃料氣室與氧化劑氣室之間的密封問題，且粘接牢靠，不易老化。
3、本發(fā)明在一定的壓力和較佳的溫度控制能夠減少極板與極板之間接觸縫隙，使極板與極板之間的導(dǎo)電性能均勻可靠，且粘接面積接觸牢靠。
4、本發(fā)明制備雙極板的壓力和溫度在硫化機(jī)上進(jìn)行，可以很好地控制雙極板制備需要的壓力和溫度。
發(fā)明相關(guān)的比較例本發(fā)明提供了在特殊場合下使用的一種質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的密封技術(shù)。
1、與文獻(xiàn)(1)，(2)，(3)，(4)相比，本發(fā)明提及具體的密封結(jié)構(gòu)，并且提供了一種具體可行的密封方法；2、與文獻(xiàn)(5)US Patent 5,284,478和文獻(xiàn)(6)US Patent 5,464,700相比，本發(fā)明制作工藝比較簡單，且密封效果更為可靠。與文獻(xiàn)(5)相比，本發(fā)明所提供的密封方法與其有本質(zhì)的區(qū)別，文獻(xiàn)(5)系采用類似○形圈的密封方法，將○形圈置于碳紙上沖壓出的溝槽中，而本發(fā)明根本不使用○形圈；與文獻(xiàn)(6)相比，本發(fā)明操作更加簡便可靠。
3、與文獻(xiàn)(7)中國專利，申請?zhí)?9112701.3相比，本發(fā)明使質(zhì)子交換膜用燃料電池組的組裝工藝更為簡單，且經(jīng)過長時間使用也不老化，適于今后燃料電池機(jī)械化大規(guī)模的商業(yè)性生產(chǎn)。
4、與文獻(xiàn)(8)中國專利，申請?zhí)?9113180.0相比，本發(fā)明在極板制備的費(fèi)用方面大大降低。
5、采用本發(fā)明制備的薄金屬雙極板組裝成電池組后，當(dāng)通過大電流時，極板間接觸電壓要優(yōu)于以前的雙極板，具體測試數(shù)據(jù)見表1。
表1

權(quán)利要求
1.一種質(zhì)子交換膜燃料電池用金屬雙極板，其特征在于雙極板上設(shè)有氣、液室，在雙極板的工作面積周邊和氣、液室周邊均勻粘接一層密封線，所述密封線系采用導(dǎo)電膠粘接而成，其直徑范圍在2mm～3mm之間。
2.按照權(quán)利要求1所述質(zhì)子交換膜燃料電池用金屬雙極板，其特征在于所述導(dǎo)電膠采用具有錫-銀、錫-銅或錫-鉍材料合成制作的條或絲。
3.按照權(quán)利要求1或2所述質(zhì)子交換膜燃料電池用金屬雙極板，其特征在于雙極板上設(shè)有氣、液室，在雙極板的工作面積周邊和氣、液室周邊均勻粘接一層密封線，所述密封線上點(diǎn)焊一根金屬絲，金屬絲緊貼在密封線上，其直徑范圍在0.2mm～0.4mm之間。
4.按照權(quán)利要求1所述質(zhì)子交換膜燃料電池用金屬雙極板的制備方法，其特征在于具體步驟如下(1)用重量百分含量不少于85％的磷酸作粘接劑，均勻涂抹在雙極板工作面積周邊和氣、液室周邊，將導(dǎo)電膠均勻粘接在雙極板周圍作為密封線；其中，導(dǎo)電膠采用具有錫-銀、錫-銅或錫-鉍材料合成制作的條或絲，將兩種材料高溫融化在一起拉成條或絲即可；(2)制備雙極板的壓力和溫度在硫化機(jī)上進(jìn)行，制備雙極板的壓力控制在0.05MPa～0.1MPa之間，硫化機(jī)溫度控制在150℃～240℃之間。
5.按照權(quán)利要求4所述質(zhì)子交換膜燃料電池用金屬雙極板的制備方法，其特征在于所述步驟(2)之后，將一根光滑的直徑范圍為0.2mm～0.4mm之間的鉑金屬絲點(diǎn)焊在密封線上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在特殊場合下使用的質(zhì)子交換膜燃料電池用金屬雙極板及其制作技術(shù)，該雙極板上設(shè)有氣、液室，在雙極板的工作面積周邊和氣、液室周邊均勻粘接一層密封線。所述雙極板的制備方法是用重量百分含量不少于85％的磷酸作粘接劑，均勻涂抹在雙極板工作面積周邊和氣、液室周邊，將導(dǎo)電膠均勻粘接在雙極板周圍作為密封線。制備雙極板的壓力和溫度在硫化機(jī)上進(jìn)行，制備雙極板的壓力控制在0.1MPa以下，硫化機(jī)溫度控制在150℃～240℃之間。本發(fā)明很好地解決了電池組中氣室與氣室、氣室與外界之間的密封問題，對于質(zhì)子交換膜燃料電池用雙極板的密封和推進(jìn)燃料電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程具有重大意義。
文檔編號H01M4/88GK1812171SQ200510045788
公開日2006年8月2日 申請日期2005年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月28日
發(fā)明者李相一, 李 杰, 張華民, 明平文, 衣寶廉, 姜玉玉 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所