CN100356618C - 一种燃料电池导流双极板及其制造方法 - Google Patents

一种燃料电池导流双极板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高效燃料电池导流双极板及其制造方法，该双极板由导空气流板与导氢气流板组合而成，所述的导空气流板反面的导冷却流体槽或光面四周设有浅宽型密封槽，所述的导氢气流板反面的导冷却流体槽或光面四周设有与上述导空气流板反面对应的浅宽型密封槽，所述的浅宽型密封槽内设有胶粘剂，所述的导空气流板与导氢气流板压合后，胶粘剂恰好充满密封槽，二块板之间为零间隙贴合；该方法包括制作导空气流板或导氢气流板、制作导流双极板等工艺步骤。与现有技术相比，本发明具有导电效率高、机械强度大、成本低等优点。

Description

一种燃料电池导流双极板及其制造方法
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种高效燃料电池导流双极板及其制造方法。
背景技术
电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。
在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。
在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。
在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：
阳极反应：H2→2H++2e
阳极反应：H2→2H++2e
阴极反应：1/2O2+2H++2e→H2O
在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导膜电极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导膜电极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导膜电极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。
为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。
一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热；3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。
质子交换膜燃料电池的用途十分广泛，可以用作一切车、船等运载工具的动力系统，也可以作为发电系统用作地面固定式的发电站、可移动电源等。
质子交换膜燃料电池中的导流板是构成燃料电池堆的最关键的部件之一。燃料电池导流双极板一般由二块板组合而成，这二块板功能分别是导空气槽面、导氢气槽面，并且组合后二块板之间构成导冷却流体。例如：冷却流体的夹套光板面与导冷却流体的槽面，以及六只导流孔(空气进、空气出；氢气进、氢气出；冷却流体进、冷却流体出)组成。例如：US Patent 5,521,018所述的图1、图2、图3，在图1中，包括氢气槽1′、导氢气孔2′、密封槽3′、.导流板4′、导空气流孔5′、导冷却流孔6′，图2为导空气槽面或导氢气槽面的背面光板与导流孔图，图3为导空气槽面或导氢气槽面的背面导冷却流体的流场与导流孔图；这样由一块正面导空气槽面，反面为光板面；及由一块正面导氢气槽面，反面为导冷却流体槽面；或者由一块正面为导氢气槽面，反面为光板面；及由一块正面导空气槽面，反面为导冷却流体槽面二块板组成一块双极板。这种双极板的特点：(1)由二块板组合而成；(2)二块板中间为导冷却流体。这样的组合双极板有以下技术缺陷：
1.二块板中一块是光板面，但与光板面对应的一块必须有密封槽，并且放置密封圈，组合后可以将冷却流体流动限制在冷却夹板槽内，使冷却流体不窜流到空气、氢气孔道内，也不向燃料电池堆外面泄露。这种密封难度较大，增加了燃料电池工程的设计与制造的难度。
2.二块板组合成双极板的技术，必须保证每块板的机械强度，也就是说必须保证每块板的厚度，这样严重的增加了整块双极板的厚度减薄的难度，使燃料电池堆的重量与体积比功率严重的受到限制。
目前有欧洲专利EP1009051技术，将这二块板进行胶粘，这样可以基本克服上述技术缺陷。但该专利必须采用导电胶，将组合的二块板整个表面均匀涂上导电胶，并在一定的温度与压力下进行胶接，使之成为一块双极板，这种技术的缺陷是高导电率的导电胶往往粘接效果不佳，而低导电率的导胶在二块组合的对应面上涂上后，会严重影响双极板的导电功能，导致燃料电池堆内阻很大；另外，导电胶的均匀涂布技术也有一定的难度。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种导电效率高、机械强度大、成本低的高效燃料电池导流双极板及其制造方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种高效燃料电池导流双极板，该双极板由导空气流板与导氢气流板组合而成，所述的导空气流板包括正面设置导空气流槽，反面设置导冷却流体槽或为光面，所述的导氢气流板包括正面设置导氢气流槽，反面也设置导冷却流体槽或为光面，所述的导空气流板及导氢气流板均设有导空气孔、导氢气孔以及导冷却流体孔；其特征在于，所述的导空气流板反面的导冷却流体槽或光面四周设有浅宽型密封槽，所述的导氢气流板反面的导冷却流体槽或光面四周设有与上述导空气流板反面对应的浅宽型密封槽，所述的浅宽型密封槽内设有胶粘剂，所述的导空气流板与导氢气流板压合后，胶粘剂恰好充满密封槽，二块板之间为零间隙贴合。
所述的胶粘剂可以选自环氧胶、硅密封胶、固体带状胶中的一种。
所述的导空气流板或导氢气流板可以选自薄型石墨板或金属板。
一种高效燃料电池导流双极板的制造方法，其特征在于，该方法包括以下工艺步骤：
(1)制作导空气流板或导氢气流板
取石墨材料经模压成型的方式制得导空气流板或导氢气流板，或者取金属板材经冲压成型的方式制得导空气流板或导氢气流板，该导空气流板或导氢气流板的正面为导空气流槽或导氢气流槽，反面为导冷却流体槽或为光面，在其反面的导冷却流体槽或光面四周设有浅宽型密封槽，从而构成导空气流板或导氢气流板；
(2)制作导流双极板
首先将步骤(1)中制作的导空气流板与导氢气流板反面的浅宽型密封槽内均匀地涂上一条胶粘剂，该胶粘剂厚度大于密封槽深度，但宽度比密封槽窄，然后将导空气流板与导氢气流板的反面在100～150℃、0.25～0.2MPa下压合，使胶粘剂恰好充满密封槽，并使导空气流板与导氢气流板之间为零间隙贴合，从而制得一种高效燃料电池导流双极板。
所述的胶粘剂可以选自环氧胶、硅密封胶、固体带状胶中的一种。
所述的导空气流板或导氢气流板为薄型石墨板或金属板。
本发明由于采用了以上技术方案，即是在二块待组合板对应面的一面或二面都加工上一条较浅、较宽的密封槽，然后在密封槽上用机械手均匀涂上一条厚度大于密封槽深度，但宽度比密封槽榨的胶粘剂，如环氧胶、硅密封胶、固体带状胶等，当二块板组合后，在一定的温度、压力下压合，使二块板上的胶粘剂在一块或二块板上的密封槽上恰好铺开，并将二块板粘接在一起，二块板之间的接触是零间隙；因此具有以下特点：
(1)二块板组合胶接的胶粘剂不需要导电胶，而是用便宜的而且胶接效果非常好的胶粘剂，如：环氧胶、硅密封胶、固体带状胶等。
(2)二块板组合胶接后的胶粘剂充满整条密封槽，但不会铺到板面上，二块组合板之间的间隙为零，不影响双极板的良好导电率。
(3)二块待组合的板都可以用很薄的一次成型的石墨材质的模压板或金属板，胶接后的双极板机械强度大大增加，可以大大提高燃料电池堆的体积与重量比功率密度。
附图说明
图1为导空气槽面或导氢气槽面以及导流孔的结构示意图；
图2为导空气槽面或导氢气槽面的背面光板以及导流孔的结构示意图；
图3为导空气槽面或导氢气槽面的背面导冷却流体的流场以及导流孔的结构示意图；
图4为本发明双极板导氢气槽面的结构示意图；
图5为本发明双极板导氢气槽面的背面结构示意图；
图6为本发明双极板导空气槽面的结构示意图；
图7为本发明双极板导空气槽面的背面结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例，对本发明作进一步说明。
本实施例是一种高效燃料电池导流双极板，如图4、图5所示，它是由二块待组合的石墨材质板构成，石墨板尺寸是100×200×1mm。
如图4，该图为待组合的导氢气流板11正面氢气槽面的结构示意图，图中所示的1a、1b为进、出导氢气孔，2a、2b为导冷却流体孔，3a、3b为进、出导空气孔，在进、出导氢气孔1a、1b之间设有导氢气流槽4，在上述槽孔周边设有密封槽5；如图5，该图为待组合的导氢气流板反面光面的结构示意图，图中所示的6为铺放胶粘剂的密封槽，该密封槽宽度为15mm，深度为0.5mm，分别用机械手涂上胶粘剂，该胶粘剂使用环氧胶，该环氧胶宽度为10mm，高度为0.75mm，该面还设有与其正面相应的导氢气流孔、导冷却流体孔、导空气流孔。
如图6，该图为待组合的导空气流板12正面空气槽面的结构示意图，图中所示的1a、1b为进、出导氢气孔，2a、2b为导冷却流体孔，3a、3b为进、出导空气孔，在进、出导空气孔3a、3b之间设有导空气流槽7，在上述槽孔周边设有密封槽8；如图7，该图为待组合的导空气流板反面导冷却流体槽的结构示意图，图中所示的9为铺放胶粘剂的密封槽，该密封槽宽度为15mm，深度为0.5mm，分别用机械手涂上胶粘剂，该胶粘剂使用环氧胶，该环氧胶宽度为10mm，高度为0.75mm，图中所示的10为设在导冷却流体孔2a、2b之间的导冷却流体槽，该面还设有与其正面相应的导氢气流孔、导冷却流体孔、导空气流孔。
将上述导氢气流板11的反面与导空气流板12的反面在120℃，0.1MPa下压合，其胶粘剂恰好铺满密封槽异固化胶合在一起，二块板之间为零间隙贴合，形成一块导流双极板。
本实施例还包括一种高效燃料电池导流双极板的制造方法，该方法包括以下工艺步骤：
(1)制作导空气流板或导氢气流板
取石墨材料按上述结构及尺寸经模压成型的方式制得导空气流板或导氢气流板，或者取金属板材按上述结构及尺寸经冲压成型的方式制得导空气流板或导氢气流板，该导空气流板或导氢气流板的正面为导空气流槽或导氢气流槽，反面为导冷却流体槽或为光面，在其反面的导冷却流体槽或光面四周设有浅宽型密封槽，从而构成导空气流板或导氢气流板；
(2)制作导流双极板
首先将步骤(1)中制作的导空气流板与导氢气流板反面的浅宽型密封槽内均匀地涂上一条胶粘剂，该胶粘剂使用环氧胶(也可使用硅密封胶、固体带状胶)，该环氧胶厚度大于密封槽深度，但宽度比密封槽窄，具体宽度及高度见上述产品结构说明，然后将导空气流板与导氢气流板的反面在120℃、0.1MPa下压合，使胶粘剂恰好充满密封槽，并使导空气流板与导氢气流板之间为零间隙贴合，从而制得一种高效燃料电池导流双极板。

Claims (6)

1.一种燃料电池导流双极板，该双极板由导空气流板与导氢气流板组合而成，所述的导空气流板包括正面设置导空气流槽，反面设置导冷却流体槽或为光面，所述的导氢气流板包括正面设置导氢气流槽，反面也设置导冷却流体槽或为光面，所述的导空气流板及导氢气流板均设有导空气孔、导氢气孔以及导冷却流体孔；其特征在于，所述的导空气流板反面的导冷却流体槽或光面四周设有浅宽型密封槽，所述的导氢气流板反面的导冷却流体槽或光面四周设有与上述导空气流板反面对应的浅宽型密封槽，所述的浅宽型密封槽内设有胶粘剂，所述的导空气流板与导氢气流板压合后，胶粘剂恰好充满密封槽，二块板之间为零间隙贴合。
2.根据权利要求1所述的燃料电池导流双极板，其特征在于，所述的胶粘剂选自环氧胶、硅密封胶、固体带状胶中的一种。
3.根据权利要求1所述的燃料电池导流双极板，其特征在于，所述的导空气流板或导氢气流板选自薄型石墨板或金属板。
4.一种燃料电池导流双极板的制造方法，其特征在于，该方法包括以下工艺步骤：
(1)制作导空气流板或导氢气流板
取石墨材料经模压成型的方式制得导空气流板或导氢气流板，或者取金属板材经冲压成型的方式制得导空气流板或导氢气流板，该导空气流板或导氢气流板的正面为导空气流槽或导氢气流槽，反面为导冷却流体槽或为光面，在其反面的导冷却流体槽或光面四周设有浅宽型密封槽，从而构成导空气流板或导氢气流板；
(2)制作导流双极板
首先将步骤(1)中制作的导空气流板与导氢气流板反面的浅宽型密封槽内均匀地涂上一条胶粘剂，该胶粘剂厚度大于密封槽深度，但宽度比密封槽窄，然后将导空气流板与导氢气流板的反面在100～150℃、0.25～0.2MPa下压合，使胶粘剂恰好充满密封槽，并使导空气流板与导氢气流板之间为零间隙贴合，从而制得一种高效燃料电池导流双极板。
5.根据权利要求4所述的燃料电池导流双极板的制造方法，其特征在于，所述的胶粘剂选自环氧胶、硅密封胶、固体带状胶中的一种。
6.根据权利要求4所述的燃料电池导流双极板的制造方法，其特征在于，所述的导空气流板或导氢气流板为薄型石墨板或金属板。
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