一種具有支撐面的自吸式雙極板的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有支撐面的自吸式雙極板。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池是將氫氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)物是水，零排放無(wú)污染，噪音低，轉(zhuǎn)化效率高。工作溫度可在低溫環(huán)境下運(yùn)行，是移動(dòng)電源和基站電源和固定電源的首選。燃料電池是由膜電極、雙極板、集電板、端板和緊固件組成。由于聚合物膜燃料電池單片電壓低，在實(shí)際應(yīng)用中，是由多個(gè)電池單元疊加在一起進(jìn)行串聯(lián)起來(lái)，形成電堆。傳統(tǒng)的雙極板設(shè)計(jì)由于密封圈受力不均勻存在漏氣隱患，燃料電池利用燃料氣體發(fā)電，由于氣體分子量小，容易泄露，對(duì)電堆的密封防止氣體泄露要求較高。在燃料電池工作的過程中如果發(fā)生氣體泄露，不但造成燃料氣體的浪費(fèi)，而且還會(huì)電堆性能的下降，更嚴(yán)重的會(huì)造成電堆燒堆現(xiàn)象的發(fā)生，導(dǎo)致電堆的永久性損壞對(duì)燃料電池電堆的性能和安全造成嚴(yán)重的影響。
[0003]目前解決此類問題主要通過兩種方法:
[0004]—、涂膠密封法，在雙極板氫氣面非流道區(qū)域涂膠，然后將膜電極邊沿與雙極板的氫氣面進(jìn)行粘合，待膠固化后方能進(jìn)行裝堆和活化測(cè)試。該技術(shù)的缺點(diǎn):1、雙極板氫氣面，涂膠粘接，影響電堆外觀美感，不利于燃料電池產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)；2、涂膠粘接密封，固化周期長(zhǎng)，不利于電堆的自動(dòng)化生產(chǎn)，影響電堆生產(chǎn)效率；3、涂膠粘接密封不便于電堆模塊化生產(chǎn)與電堆模塊單元維修與更換；
[0005]二、采用組合式自吸雙極板，由氫氣流場(chǎng)板和支撐面構(gòu)成，兩者可以用膠粘或直接疊放在一起構(gòu)成雙極板。該技術(shù)缺點(diǎn):1、通過膠粘技術(shù)使氫氣流場(chǎng)板和支撐面粘接成雙極板，增加了雙極板生產(chǎn)工序，增加了了雙極板的成本，降低雙極板生產(chǎn)效率，不利于電堆的批量化生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程；2、通過疊加的方式將氫氣流場(chǎng)板和支撐面疊加形成雙極板，增加了接觸電阻，由于部件增多增加了裝堆難度，兩板的加工精度要求更高，增加了電堆的成本，不利于燃料電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
[0006]授權(quán)公告號(hào)為CN 100440595C的發(fā)明專利“質(zhì)子交換膜燃料電池薄金屬雙極板”，包括陽(yáng)極流場(chǎng)板和陰極流場(chǎng)板，所述陽(yáng)極流場(chǎng)板的流場(chǎng)形式為單通道蛇行流場(chǎng)，所述陰極流場(chǎng)板的氧化劑分配管道為兩端分別于陰極流場(chǎng)板側(cè)面貫通的開放性溝槽，所述陽(yáng)、陰極流場(chǎng)板成形后進(jìn)行良電導(dǎo)耐腐涂層處理；所述陽(yáng)極流場(chǎng)板的通道溝槽的橫截面為半圓形，所述開放性溝槽的橫截面為正方形或半圓形；所述兩個(gè)流場(chǎng)板之間設(shè)置有支撐面，所述支撐的厚度為兩個(gè)流場(chǎng)板上溝槽深度之和，所述兩個(gè)流場(chǎng)板上溝槽的位置為相互正交，所述兩個(gè)流場(chǎng)板的溝槽分別背向支撐面，所述兩個(gè)流場(chǎng)板的背面接觸，在所述支撐面上與所述陰極流場(chǎng)板接觸的一面設(shè)置溝槽，所述支撐面上的溝槽與所述陰極流場(chǎng)板上的氧化劑分配管道溝槽的形狀及位置分別一致。該技術(shù)方案通過設(shè)置支撐面與陽(yáng)極流場(chǎng)板、陰極流場(chǎng)板結(jié)合，增強(qiáng)了金屬雙極板的強(qiáng)度。但是將陽(yáng)極流場(chǎng)板、陰極流場(chǎng)板通過螺栓與支撐面組裝成一體，影響整體氣密性，對(duì)金屬雙極板的性能產(chǎn)生影響，同時(shí)不利于加工，增加了裝堆難度。
[0007]授權(quán)公告號(hào)為CN 102324471B的發(fā)明專利“一種自鎖緊燃料電池密封組件結(jié)構(gòu)”，它涉及燃料電池單體，燃料電池單體包括雙極板、膜電極組件；雙極板由上單極板和下單極板組成，上單極板下面設(shè)有上流道、上密封槽道，下單極板上面設(shè)有下流道、上密封槽道，上密封槽道設(shè)有上密封圈，下密封槽道設(shè)有下密封圈，上密封圈和下密封圈的截面形狀均呈凹形，上密封圈和下密封圈的凹形部分面向氣體流場(chǎng)區(qū)域；上流道和下流道均位于膜電極組件的膜電極支撐部件處，質(zhì)子交換膜的邊部與膜電極支撐部件的環(huán)形支撐臺(tái)階之間由粘結(jié)劑層粘結(jié)固定；密封圈在組裝時(shí)利用雙極板與膜電極組件的垂直壓力壓緊，同時(shí)也借助電池內(nèi)部氣體與大氣壓的壓力差，使得密封圈開口張開，與密封面貼的更緊，在密封圈內(nèi)形成自鎖緊。該技術(shù)方案通過膜電極支撐部件利用雙極板與膜電極組件之間的壓力使得密封圈與密封面貼的更緊，但沒有解決上單極板與下單極板之間的氣密性問題，且質(zhì)子交換膜與膜電極支撐部件之間通過粘結(jié)層粘結(jié)固定，不能完全保證密封性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]發(fā)明目的:基于目前雙極板的各種弊端，本發(fā)明設(shè)計(jì)具有支撐面的自吸式雙極板，雙極板在氧氣流場(chǎng)設(shè)置支撐面，在與膜電極的接觸過程中雙極板上密封圈受力更均勻，從根源上杜絕漏氣隱患。
[0009]技術(shù)方案:本發(fā)明所述的具有支撐面的自吸式雙極板，包括雙極板，雙極板的兩個(gè)表面分別設(shè)置有氫氣流場(chǎng)和氧氣流場(chǎng)；所述氧氣流場(chǎng)包括與所述雙極板表面等高的氧氣流道脊、相鄰氧氣流道脊之間形成貫穿所述雙極板側(cè)面的氧氣流道，所述雙極板一側(cè)為氧氣進(jìn)口、另一側(cè)為氧氣出口 ；所述氧氣流場(chǎng)的四周由雙極板表面圍繞形成支撐面，所述氧氣流場(chǎng)四周的支撐面上設(shè)置有支撐面密封圈槽。氧氣流道脊輔助支撐面起到一定的支撐作用；雙極板的兩個(gè)側(cè)面上分別設(shè)有與所述氧氣流道對(duì)應(yīng)的氧氣進(jìn)口、氧氣出口，氧氣進(jìn)口、氧氣出口穿過支撐面內(nèi)部與氧氣流道連通。將本發(fā)明提供的具有支撐面的自吸式雙極板與膜電極等組成電堆，電堆內(nèi)部具有一定的壓力，由于設(shè)置了支撐面，在膜電極與支撐面之間壓力的作用下使得支撐面密封圈槽內(nèi)的密封圈發(fā)生形變、密封圈和膜電極邊沿接觸更緊密，從而保證電堆的氣密性；同時(shí)本發(fā)明設(shè)計(jì)的支撐面可以對(duì)密封圈形變產(chǎn)生的反作用力進(jìn)行承托，使密封圈各個(gè)部位受力均勻，杜絕了由于受力不均造成的密封圈與膜電極接觸不好造成的漏氣，耐壓值可以達(dá)到5Mpa，支撐面的設(shè)置也保證了膜電極的接觸壓力更加均衡，減小膜電極的變形。將空氣或氧氣通入貫穿雙極板側(cè)面的氧氣流道，在空氣或氧氣與膜電極反應(yīng)的過程中、流動(dòng)過程為雙極板提供風(fēng)冷，降低與膜電極反應(yīng)過程所產(chǎn)生的熱量，本發(fā)明在減小整體結(jié)構(gòu)尺寸的情況下，既實(shí)現(xiàn)了氧氣流道又提供降溫通道。
[0010]進(jìn)一步完善上述技術(shù)方案，所述氫氣流場(chǎng)包括氫氣進(jìn)口、氫氣出口以及連通所述氫氣進(jìn)口、氫氣出口的氫氣流道；所述氫氣進(jìn)口、氫氣出口沿垂直方向貫穿所述雙極板并在所述支撐面上形成支撐面氫氣進(jìn)口、支撐面氫氣出口，所述支撐面在所述支撐面氫氣進(jìn)口、支撐面氫氣出口處均設(shè)有支撐面氫氣密封圈槽。設(shè)置在支撐面氫氣密封圈槽的密封圈在支撐面和膜電極之間的壓力下接觸緊密，氣密性良好。
[0011]進(jìn)一步地，所述雙極板在所述氫氣流場(chǎng)的表層外圍設(shè)有氫面密封圈槽。設(shè)置在氫面密封圈槽的密封圈在雙極板與膜電極之間的壓力下與膜電極邊接觸緊密，氣密性良好。
[0012]進(jìn)一步地，為了減少雙極板的生產(chǎn)工序，降低雙極板的成本，提高雙極板的生產(chǎn)效率，將所述雙極板采用機(jī)械加工或模壓或注塑成一體化結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)成一體化雙極板結(jié)構(gòu)，利于加工，減少了接觸電阻，延長(zhǎng)了電堆的使用壽命，提高了電堆的性能；采用多種方式加工，生產(chǎn)方便，適用性強(qiáng)，提高了生產(chǎn)效率和加工精度，便于燃料電池堆的規(guī)模化