CN101079494A - 质子交换膜燃料电池电堆的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池技术领域的质子交换膜燃料电池电堆的制造方法。本发明包括如下步骤：(1)常温下，加热温度，将平面MEA热压成波状；(2)采用微细冲压工艺将平面超薄金属极板冲孔，再将带孔的极板冲压成与波状MEA相匹配的波浪型，得到单极板；(3)采用激光焊接技术将一对单极板焊接成双极板；(4)采用循环伏安法在金属表面电镀一层导电聚合物聚苯胺。本发明反应效率高、能量密度高、轻量化以及耐腐蚀。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池技术领域的电池电堆制造方法，具体是一种质子交换膜燃料电池电堆的制造方法。
背景技术
以氢气为原料的燃料电池不是传统意义上的蓄电池，而是目前世界公认的有前途的高效、清洁的新型发电技术。本世纪内，它有可能大量替代常规火力发电，成为水电、火电、核电之后第四种主要发电方式。但目前居高不下的制造成本以及较低的功率密度阻碍燃料电池的推广应用。
典型的质子交换膜燃料电池主要由双极板、质子交换膜、催化剂等组成。目前，燃料电池每千瓦的制造成本在500美元左右，国内石墨基双极板每片(200×200cm2)约200～300元人民币，而同样大小双极板的材料和加工总成本的目标值小于15元人民币。昂贵的制造成本阻碍着燃料电池大规模应用。据Direct Technologies公司调查统计，电池极板的重量占到燃料电池电堆总重量的80％以上，其制造成本占到总成本的29％。
高昂的燃料电池制造成本主要是由于目前极板与MEA(Membrane Electrode Assembly膜电极组件)的制造方式决定的。通常极板采用石墨材料，通过铣削或刻蚀方式加工。运用铣削方式加工石墨材料极板，因石墨本身的脆性和极板流道特征的复杂性，难以达到高生产率要求，而且石墨电极在振动环境下的可靠性受到限制。金属薄板(如#316不锈钢等)导电性好、抗振动失效能力强，只要配合先进涂层技术就能解决抗腐蚀问题，是燃料电池极板的潜在替代材料，也成为目前研究的热点。然而，由于传统的燃料电池均采用平面MEA膜，当反应气体流经平板极板上的沟槽时，在MEA膜两侧发生发应，这要求极板具备一定的厚度才能满足沟槽足够大在极板上制造沟槽，然后进行装配。制造工艺要求燃料电池金属极板必须具有一定的厚度，限制燃料电池轻量化、低成本设计要求。
经对现有技术文献的检索发现，目前燃料电池高效、轻量化研究主要从以下两方面着手：一是改变膜电极空间构架，如在美国通用公司的一项专利技术中(中国专利公开号为CN 1623244A，公开日期2005年6月1日，发明人：G.W弗利、B.K.布拉迪等)提出了一种具有旋转结构的膜电极，该膜电极组件包括传送膜，催化阳极和催化阴极分别在膜的两个面上；阳极和阴极层上具有导电分布层，该分布层延伸通过每个催化层的气体流动区域。绕旋结构增加了膜面积与燃料电池平面面积的比率，从而增加了燃料电池的电输出量。
二方面是改变极板形式，如天津大学申请的名为“聚合物膜燃料电池的复合层双极板及其制造方法”(中国专利公开号为CN 1355573A，公开日期2002～6～26，发明人：王宇新等)中提出一种采用石墨蠕虫与金属薄板以及聚吡咯或聚苯胺类导电聚合物构成的双极板。该专利的特征自述为：双极板的整体结构由石墨蠕虫构成，在其外表面是聚吡咯或聚苯胺膜层，在板壁石墨蠕虫层中间掺和聚吡咯或聚苯胺网络层，或者是在板壁石墨蠕虫层中间夹附着金属薄板。
然而，上述两方面都未能从根本上改变传统燃料电池的膜和极板的形式，第一种方法虽然参与了绕旋结构的MEA，但是仍然采用平面极板，体积比功率并未能提高，同时带来MEA支撑难题；第二种方法虽然解决了腐蚀问题，但是燃料气体与MEA的接触面积并未增加，反应效率未能得到提高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供质子交换膜燃料电池电堆的制造方法。本发明反应效率高、能量密度高、轻量化以及耐腐蚀。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：
(1)常温下，市售的“五合一”MEA较脆，延展性较差，但加热温度，可以进行热压成形而不影响其整体化学物理性能。本发明采用热压法将平面MEA加工成波状，以利于提高反应气体与MEA的接触面积，从而提高反应效率。
(2)采用微细冲压工艺将平面超薄金属极板冲孔，致密的网孔有利于气体通过极板进入扩散层进而在PEM两侧发生反应。再将带孔的极板冲压成与波状MEA相匹配的波浪型，得到单极板。
(3)采用激光焊接技术将一对单极板焊接成双极板。本发明采用光纤激光器能显著提高激光焊接效率。
(4)采用循环伏安法在金属表面电镀一层导电聚合物聚苯胺，即起到保护金属极板的作用，又能起到导电作用，较小程度上影响接触电阻。解决了质子交换膜燃料电池工作在酸性环境，金属极板极易腐蚀的问题。
步骤(1)中，所述的“五合一”MEA是由阳极气体扩散层、氢阳极、PEM(Proton Exchange Membrane质子交换膜)、氧阴极和阴极气体扩散层热压而成，是保证电化学反应能高效进行的核心。
步骤(1)中，所述的加热温度，其优选的温度范围为：130℃～140℃。
步骤(2)中，所述平面超薄金属极板冲孔，其孔径为0.4mm-1mm。
步骤(2)中，所述的微细冲压工艺，具体方法步骤为：①落料，②冲孔，③首次弯曲成形，④二次弯曲成形
所述的微细冲压工艺，其参数要求：落料过程中落料力为35KN，推件力为12KN；冲孔直径为0.8mm，精度为IT12，冲孔力为109KN，孔距为0.5倍孔径；首次弯曲成形中，取安全系数为0.3，自由弯曲力为12KN；二次弯曲成形中校正弯曲力为250KN。
步骤(2)中，所述的平面超薄金属极板，其厚度为0.2mm～1.0mm。
步骤(3)中，所述的激光焊接技术，其光斑宽度要求为0.4mm～0.8mm。
所述的激光焊接技术，其所需预留的激光焊接区域宽度为0.6mm-1.2mm。
步骤(4)中，所述的循环伏安法是最重要的电化学分析方法，通常由工作电极、参比电极和辅助电极构成，外加电压加在工作电极和辅助电极之间，反应电流通过工作电极和辅助电极。本发明以金属双极板为工作电极，甘汞电极作为参比电极，Pt电极作为辅助电极。
所述的循环伏安法，具体参数要求为：采用型号为800的砂纸对双极板进行表面抛光处理；电解液采用0.1mol/L苯胺与0.1mol/L的硫酸配比而成；电压范围为0.1伏～1.4伏，循环2次-8次；扫描速率为20mV/s。
本发明的构思为“一板多用”，金属双极板起到了支撑MEA、导电、导气的作用。与现有技术中传统的燃料电池电堆相比，本发明采用波浪型的MEA和超薄极板，使得反应效率大大提高(反应面积增大，空间利用率增加)，体积比功率能提高3倍以上，而质量比功率能提高10倍以上，从而真正实现燃料电池轻量化和低成本制造。
附图说明
图1为本发明质子交换膜燃料电池堆原理图
图2为本发明采用精密冲孔工艺冲得带有致密气孔的平面单极板图
图3为本发明采用微细冲压工艺得到波浪型金属单极板图
图4为本发明采用光纤激光焊接技术得到金属双极板图
图5为本发明双极板与单片热压成形得到的波状MEA装配示意图
图6为本发明电堆三维装配示意图
其中：
氢气流道-1，热压成形后的波状MEA-2，氧气通道-3，精密冲孔得到的致密气孔-4，波浪型单极板-5，激光焊接焊缝-6，双极板-7，平面金属单极板-8，预留焊缝-9。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例是在以下实施条件和技术要求条件下实施的：
波状MEA 2采用热压工艺成形，上下压模采用金属铝加工而成，控制热压过程温度130℃时，可以使得MEA在弯曲成形中不影响其整体化学物理性能。单极板8采用0.2mm超薄不锈钢，经过精密冲孔工艺得到致密气孔，孔径为0.4mm，同时根据设计要求预留出激光焊接区域9，区域宽度0.6mm。运用能量集中、热影响区小的激光焊接技术，光斑宽度为0.4mm，将一对单极板精密焊接成双极板，本实施例采用光纤激光器。
针对质子交换膜燃料电池的酸性工作环境，金属极板腐蚀问题非常严峻。本实施例采用循环伏安法在双极板表面电镀导电聚合物聚苯胺，取得了较好的防腐效果。在0.1mol/L苯胺/吡咯，0.1mol/L的硫酸环境下进行电镀，工艺过程为：不锈钢表面抛光——丙酮清洗——酒精去油脱脂——N2干燥——电镀——蒸馏水清洗。本实施例中采用20mV/s，循环电压范围为0.1V，共循环2次。
最后，将经过防腐蚀处理的双极板与波状MEA装配即得到新型电堆。
如图1至图6所示，本实施例的燃料气体氢气通过流道1，空气或纯氧气通过流道3。两种气体流经致密气孔4到达波状MEA 2两侧发生反应。0.2mm超薄不锈钢单极板5起到“一板多用”的作用，大大降低电堆质量，质量比功率提高10倍以上，实现轻量化。同时在相同体积下，反应气体孔径为0.4mm的致密网孔与MEA接触面积大大增加，这就是本发明效率提高的根本原因。
实施例2
本实施例是在以下实施条件和技术要求条件下实施的：
波状MEA 2采用热压工艺成形，上下压模采用金属铝加工而成，控制热压过程温度135℃时，可以使得MEA在弯曲成形中不影响其整体化学物理性能。单极板8采用0.5mm超薄不锈钢，经过精密冲孔工艺得到致密气孔，孔径为0.8mm，同时根据设计要求预留出激光焊接区域9，区域宽度1mm。运用能量集中、热影响区小的激光焊接技术，光斑宽度为0.6mm，将一对单极板精密焊接成双极板，本实施例采用光纤激光器。
本实施例同样采用循环伏安法，电解液采用0.1mol/L苯胺/吡咯，0.1mol/L的硫酸的混合液，工艺过程为：不锈钢表面抛光——丙酮清洗——酒精去油脱脂——N2干燥——电镀——蒸馏水清洗。本实施例中采用20mV/s，循环电压范围为1V，共循环3次。
最后，将经过防腐蚀处理的双极板与波状MEA装配即得到新型电堆。
如图1至图6所示，本实施例的燃料气体氢气通过流道1，空气或纯氧气通过流道3。两种气体流经致密气孔4到达波状MEA 2两侧发生反应。0.5mm的金属双极板起到足够支撑作用，使得电堆能承受足够的压力，质量比功率较传统提高5倍以上，体积比功率提高2倍以上。同时，循环次数为3次时，防腐蚀性能和接触电阻有较好的平衡：该工况下腐蚀电流达到10-7A/cm，250Nt/cm2，而接触电阻仅为0.08欧/cm2，相当于石墨水平，是优选实施例。
实施例3
本实施例是在以下实施条件和技术要求条件下实施的：
波状MEA 2采用热压工艺成形，上下压模采用金属铝加工而成，控制热压过程温度140℃时，可以使得MEA在弯曲成形中不影响其整体化学物理性能。单极板8采用1.0mm超薄不锈钢，经过精密冲孔工艺得到致密气孔，孔径为1mm，同时根据设计要求预留出激光焊接区域9，区域宽度1.2mm。运用能量集中、热影响区小的激光焊接技术，光斑宽度为0.8mm，将一对单极板精密焊接成双极板，本实例采用光纤激光器。
本实施例同样采用循环伏安法，电解液采用0.1mol/L苯胺/吡咯，0.1mol/L的硫酸的混合液，工艺过程为：不锈钢表面抛光——丙酮清洗——酒精去油脱脂——N2干燥——电镀——蒸馏水清洗。本实例中采用20mV/s，循环电压范围为1.4V，共循环8次。
最后，将经过防腐蚀处理的双极板与波状MEA装配即得到新型电堆。
如图1至图6所示，本实施例的燃料气体氢气通过流道1，空气或纯氧气通过流道3。两种气体流经致密气孔4到达波状MEA 2两侧发生反应。1mm的金属双极板使得电堆能承受足够的压力，质量比功率较传统提高3倍以上，体积比功率提高1.5倍以上。本实施例采用1mm的单极板，使得电堆的整体机械性能增强，适合于车用等工况复杂的场合。本实施例比较实施例2功率有所下降，接触电阻由于聚合物膜厚度增加而增加。
Claims (10)
1.一种质子交换膜燃料电池电堆的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)常温下，加热温度，将平面MEA热压成波状；
(2)采用微细冲压工艺将平面超薄金属极板冲孔，再将带孔的极板冲压成与波状MEA相匹配的波浪型，得到单极板；
(3)采用激光焊接技术将一对单极板焊接成双极板；
(4)采用循环伏安法在金属表面电镀一层导电聚合物聚苯胺。
2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆的制造方法，其特征是，步骤(1)中，所述的MEA是由阳极气体扩散层、氢阳极、质子交换膜、氧阴极和阴极气体扩散层热压而成。
3.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆的制造方法，其特征是，步骤(1)中，所述的加热温度，其温度范围为：130℃～140℃。
4.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆的制造方法，其特征是，步骤(2)中，所述的微细冲压工艺，
具体方法步骤为：①落料，②冲孔，③首次弯曲成形，④二次弯曲成形；
其参数要求：落料过程中落料力为35KN，推件力为12KN；冲孔直径为0.8mm，精度为IT12，冲孔力为109KN，孔距为0.5倍孔径；首次弯曲成形中，取安全系数为0.3，自由弯曲力为12KN；二次弯曲成形中校正弯曲力为250KN。
5.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆的制造方法，其特征是，步骤(2)中，所述的平面超薄金属极板，其厚度为0.2mm～1.0mm。
6.如权利要求1或5所述的质子交换膜燃料电池电堆的制造方法，其特征是，步骤(2)中，所述平面超薄金属极板，其孔径为0.4mm-1mm。
7.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆的制造方法，其特征是，步骤(3)中，所述的激光焊接技术，其光斑宽度要求为0.4mm～0.8mm。
8.如权利要求1或7所述的质子交换膜燃料电池电堆的制造方法，其特征是，所述的激光焊接技术，其所需预留的激光焊接区域宽度为0.6mm-1.2mm。
9.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆的制造方法，其特征是，步骤(4)中，所述的循环伏安法，是指：本方法由工作电极、参比电极和辅助电极构成，外加电压加在工作电极和辅助电极之间，反应电流通过工作电极和辅助电极。
10.如权利要求1或9所述的质子交换膜燃料电池电堆的制造方法，其特征是，所述的工作电极、参比电极和辅助电极，分别指：金属双极板、甘汞电极、Pt电极。
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