CN101707254B - 一种质子交换膜燃料电池双极板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种质子交换膜燃料电池双极板及其制造方法，包括一片阴极板和一片阳极板组成的双极板本体，双极板本体上的导流槽和导电脊，双极板本体上的流体通道孔，双极板本体侧面和流体通道孔周边的双极板本体加有绝缘阻滞涂层；双极板本体上的密封槽内设计有原位成型的弹性密封结构。使用本发明的双极板组成的燃料电池堆可以避免由于雨水溅到电堆表面或电堆被雨水淹没而导致的单电池组间发生短路的现象，保障燃料电池堆能在该种特殊环境下安全运行。

Description

一种质子交换膜燃料电池双极板及其制造方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体地说，是一种具有防止局部短路功能的质子交换膜燃料电池双极板及其制造方法。

背景技术

随着全球经济的飞速发展，对于传统的化石能源(如煤、石油、天然气等)已越来越无法满足人们生产、生活的需求。此类不可再生的能源正消耗殆尽，对此类能源的极端使用已引起严重的全球环境污染问题。鉴于此，为了人类社会的可持续化发展，世界各国都在致力于寻找到一种可再生的替代能源。目前科学家们认为“氢能”是未来替代汽油、柴油等动力能源的有效清洁能源之一；质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种直接将储存在燃料(如氢气)和氧化剂(如空气)中的化学能高效、对环境友好地转化为电能的发电装置，由于其具备这些优势已被公认为未来的动力电源，并且在移动式电源、后备电源、水下机器人、航空航天等方面都具有广泛的应用前景。

质子交换膜燃料电池堆是由多组单电池组成，一组单电池由一片膜电极、一片阴极板和一片阳极板组成，单电池的阳极板与另一组单电池的阴极板连接，根据负载用电电压的不同要求串联一定数量的单电池后再加上端板等附件组成一个燃料电池堆。一片阴极板和一片阳极板组成了一组燃料电池双极板(bipolar plates)。目前一般选用具有高导电性能、强耐腐蚀、无透气性的高纯石墨或金属作为双极板材料，按一定厚度和形状要求裁切成规定尺寸的片材，并在其表面加工出流体通道孔、气体及冷却剂的分配流道制成双极板。双极板本身及其上面的流体通道孔起到分隔氧化剂、还原剂和冷却流体的作用；中心部分的分配流道起到分配反应气体和导出电池反应生成的水的作用；中心部位的脊与膜电极的扩散层紧密接触，起到收集和传递电子的作用。

中国专利申请号为200410013350.8提到了一种质子交换膜燃料电池用双极板及其制备方法，通过石墨等多种粉质材料采用浇铸模具成型的工艺制备得到双极板，有良好的导电性和内增湿能力。

通用汽车公司在专利CN1943058A中提到一种在双极板流道表面涂覆一层亲水材料，帮助改善流道中气体的湿度，使该双极板具有保湿功能。

CN1996647A中提到了一种薄型的金属双极板，通过冲压技术得到流道及孔，整块板都具有很好的导电性。

US20080090129提到了一种交织型的双极板，它由多层薄型片材复合而成，材料可采用金属，也可采用石墨等。

对于上述提到的常规燃料电池双极板而言，双极板侧面以及加工流体通道孔的周边的部分都仍然是具有高导电性的材料，由这种双极板和膜电极组成的燃料电池堆在运行过程中，如果遇到雨水溅到其表面或被雨水淹没，会导致单电池组间发生短路，常时间处于这种状态运行，燃料电池堆会有发生爆炸的危险。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种质子交换膜燃料电池双极板及其制造方法，该双极板和通过该制造方法制得的双极板具有防止局部短路功能，使用这种双极板组成的燃料电池堆可以避免由于雨水溅到电堆表面或电堆被雨水淹没而导致的单电池组间发生短路的现象，保障燃料电池堆能在该种特殊环境下安全运行。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种质子交换膜燃料电池双极板，包括一片阴极板和一片阳极板组成的双极板本体，双极板本体上的导流槽和导电脊，双极板本体上的流体通道孔，所述双极板本体侧面和流体通道孔的周边的双极板本体表面加有绝缘阻滞涂层；双极板本体上的密封槽内设计有原位成型的弹性密封结构。

一种质子交换膜燃料电池双极板的制造方法，包括以下步骤：

(1)使用计算机三维软件设计双极板整体结构及流道；

(2)使用计算机CFD方针模拟计算流道分布的合理性，使用结构力

学软件模拟计算分析双极板的强度；

(3)通过模具成型或机械加工得到双极板半成品；

(4)采用三维涂覆系统在双极板本体侧面和流体通道孔的周边喷涂绝缘阻滞材料，阻滞材料厚度不超过0.02-0.1mm，喷涂条件：涂覆设备采用0.1-0.3mm的喷头，喷涂压力控制在0.3-0.8Bar，喷头的行走速率为2-10mm/s，喷头离极板的间距为5-15mm；

(5)将喷涂处理好的双极板放置到烘烤通道中进行烘干固化处理，温度控制100-200℃，氮气保护，固化30min；

(6)将固化好阻滞材料的双极板放置到密封注塑成型模具中，原位浇铸成型具有弹性的密封结构，浇铸温度控制在100-200℃，浇铸时间为3min，固化时间5min。最后得到一个宽度在1-5mm，厚度在1-3mm密封结构，其压缩变形量控制在10-70％；

(7)最后冷却处理得到本发明的双极板。

本发明所述第6步中也可采用原位涂覆成型固化工艺进行，将固化好阻滞材料的双极板放置到原位涂覆成型固化设备上，底板温度控制在100-200℃，涂覆锥口的直径在1-5mm，涂覆速度为2-20mm/s，得到本发明的双极板。

本发明所述的绝缘阻滞层为环氧树脂材料，弹性密封结构为橡胶材料。

通过以上技术方案，本发明的双极板以传统双极板结构为基础，在其侧面及加工流体通道孔的周边等不需要起到收集和传递电子的部分均匀喷涂或覆盖一层薄层的绝缘材料，在密封槽中通过原位成型技术形成弹性密封结构，最后通过烘干固化制备得到具备防止局部短路功能的燃料电池双极板，在绝缘阻滞层和弹性密封结构的协同作用下，使本发明的双极板具有防止局部短路功能，使用这种双极板组成的燃料电池堆可以避免由于雨水溅到电堆表面或电堆被雨水淹没而导致的单电池组间发生短路的现象，保障燃料电池堆能在该种特殊环境下安全运行。

附图说明

图1是本发明一种质子交换膜燃料电池双极板侧面结构示意图；

图中1为双极板本体，2为绝缘阻滞涂层，3为流体通道孔，4为阴极流体导流槽，5为阴极导电脊，6为阳极流体导流槽，7为阳极导电脊，8为密封结构

图2使用常规燃料电池板导致燃料电池堆中单电池间局部短路的示意图；

图中5为单电池中一侧的常规双极板，6为示意水滴，7单电池中另一侧的常规双极板，3为流体通道孔，9为膜电极，8为密封结构

图3为本发明一种质子交换膜燃料电池双极的制造方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型：

如图1所示，一种燃料电池双极板，包括一片阴极板和一片阳极板组成的双极板本体1、双极板本体上的导流槽(阴极流体导流槽4和阳极流体导流槽6)和导电脊(阴极导电脊5和阳极导电脊7)、双极板本体1上的流体通道孔3，双极板本体1侧面和流体通道孔3的周边的双极板本体表面上加有绝缘阻滞涂层2；双极板本体1上的密封槽内设计有原位成型的弹性密封结构8。双极板本体1及其上面的流体通道孔3起到分隔氧化剂、还原剂和冷却流体的作用；中心部分的阴极流体导流槽4和阳极流体导流槽6起到分配反应气体和导出电池反应生成的水的作用。

如图2所示中5为单电池中一侧的常规双极板，6为示意水滴，7单电池中另一侧的常规双极板，3为流体通道孔，9为膜电极，8，密封结构。双极板本体上中心部位的脊与膜电极的扩散层紧密接触，起到收集和传递电子的作用，从图2可以看出，如果有6水滴的存在，用常规双极板组成的燃料电池就会通过6水滴进行电子传导，造成短路现象。

本发明的双极板以传统双极板结构为基础，可采用石墨或金属片材作为成型材料，在加工完外形尺寸、流体通道孔和流体分配流道后，在其侧面及加工流体通道孔的周边等部分通过原位成型工艺覆盖薄层的阻滞材料，并在密封槽中通过原位成型工艺加工出具有阻滞功能的弹性密封结构，最后进行烘干处理制成具备防止局部短路功能的燃料电池双极板。

本发明的电池双极板的制造方法，如图4所示，包括以下步骤：

(1)使用计算机三维软件设计双极板整体结构及流道；

(2)使用计算机CFD方针模拟计算流道分布的合理性，使用结构力

学软件模拟计算分析双极板的强度；

(3)通过模具成型或机械加工得到双极板半成品；

(4)采用三维涂覆系统在双极板本体侧面和流体通道孔的周边喷涂绝缘阻滞材料，阻滞材料厚度不超过0.02-0.1mm，喷涂条件：涂覆设备采用0.1-0.3mm的喷头，喷涂压力控制在0.3-0.8Bar，喷头的行走速率为2-10mm/s，喷头离极板的间距为5-15mm；

(5)将喷涂处理好的双极板放置到烘烤通道中进行烘干固化处理，温度控制100-200℃，氮气保护，固化30min；

(6)将固化好阻滞材料的双极板放置到密封注塑成型模具中，原位浇铸成型具有弹性的密封结构，浇铸温度控制在100-200℃，浇铸时间为3min，固化时间5min。最后得到一个宽度在1-5mm，厚度在1-3mm密封结构，其压缩变形量控制在10-70％；

(7)最后冷却处理得到本发明的双极板。

本发明所述第6步中也可采用原位涂覆成型固化工艺进行，将固化好阻滞材料的双极板放置到原位涂覆成型固化设备上，底板温度控制在100-200℃，涂覆锥口的直径在1-5mm，涂覆速度为2-20mm/s，得到本发明的双极板。

本发明中的绝缘阻滞层2为环氧树脂材料，密封结构8的材料采用橡胶类物质。

下面进一步描述本发明双极板的具体实施例：

实施例A：

1.采用高纯石墨片材，先用高精度磨床进行表面打磨处理，得到厚度为2.5mm±0.01mm的双极板基材，长、宽分别为250mm，160mm；再采用高精度数控机床加工极板上的流道、孔、密封槽等结构，阴阳极采用普通的多通道平行流场。用数控涂覆0.1mm厚的绝缘阻滞材料层，涂覆设备采用0.1-0.3mm的喷头，喷涂压力控制在0.3-0.8Bar，喷头的行走速率为2-10mm/s，喷头离极板的间距为5-15mm左右；经过180℃烘干处理；最后采用模具注塑成型工艺制得宽度为1.5mm，厚度为0.3mm的密封结构，材料用硅橡胶，最后制得双极板。

2.采用杜邦公司的212膜、以及商品化的碳纸和催化剂制备好15片膜电极。

3.将15组双极板和膜电极，以及端板等附件材料组装成一个1.5kW的燃料电池堆。

4.用绝缘表FLUK1508测量电堆中一组单电池极板间的电阻，250V放电，电阻大于20MΩ。

5.电池组运行时的空气、氢气压力分别为0.15Bar、0.5Bar，运行温度65℃，单电池在150A工作时的电压为0.6V.

6.采用自来水作为模拟下雨雨滴，控制水流量为50ml/min，用0.1mm孔径的喷头，压力0.2Bar，喷射到正在150A运行的燃料电池堆表面，电堆的单电池电压都稳定在0.6V左右，未发现短路现象。测试结束后测量单电池极板间的绝缘电阻仍大于20MΩ。

实施例B

1.采用高纯石墨片材，先用高精度磨床进行表面打磨处理，得到厚度为2.5mm±0.01mm的双极板基材，长、宽分别为250mm，160mm；再采用高精度数控机床加工极板上的流道、孔、密封槽等结构，阴阳极采用普通的多通道平行流场。用数控涂覆0.1mm厚的绝缘阻滞材料层，涂覆设备采用0.1-0.3mm的喷头，喷涂压力控制在0.3-0.8Bar，喷头的行走速率为2-10mm/s，喷头离极板的间距为5-15mm左右；经过180℃烘干处理；最后采用原位涂覆成型固化工艺进行，将固化好阻滞材料的双极板放置到原位涂覆成型仪上，底板温度控制在100-200℃，涂覆锥口的直径在1-5mm，涂覆速度为2-20mm/s，最后也可得到本发明的双极板，最后制得双极板。

但是，上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。

Claims (7)

1.一种质子交换膜燃料电池双极板，包括一片阴极板和一片阳极板组成的双极板本体，双极板本体上的导流槽和导电脊，双极板本体上的流体通道孔，其特征在于：所述双极板本体侧面和流体通道孔的周边的双极板本体上加有绝缘阻滞涂层；双极板本体上的密封槽内设计有原位成型的弹性密封结构。

2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：所述绝缘阻滞涂层为环氧树脂材料。

3.根据权利要求1或2所述的一种质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：所述弹性密封结构为橡胶材料。

4.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池双极板的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)使用计算机三维软件设计双极板整体结构及流道；

(2)使用计算机CFD方针模拟计算流道分布的合理性，使用结构力

学软件模拟计算分析双极板的强度；

(3)通过模具成型或机械加工得到双极板半成品；

(4)采用三维涂覆系统在双极板本体侧面和流体通道孔的周边喷涂绝缘阻滞材料，阻滞材料厚度不超过0.02-0.1mm，喷涂条件：涂覆设备采用0.1-0.3mm的喷头，喷涂压力控制在0.3-0.8Bar，喷头的行走速率为2-10mm/s，喷头离极板的间距为5-15mm；

(5)将喷涂处理好的双极板放置到烘烤通道中进行烘干固化处理，温度控制100-200℃，氮气保护，固化30min；

(6)将固化好阻滞材料的双极板放置到密封注塑成型模具中，原位浇铸成型具有弹性的密封结构，浇铸温度控制在100-200℃，浇铸时间为3min，固化时间5min。最后得到一个宽度在1-5mm，厚度在1-3mm密封结构，其压缩变形量控制在10-70％；

(7)最后冷却处理得到双极板。

5.根据权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池双极板的制造方法，其特征在于：所述第6步中也可采用原位涂覆成型固化工艺进行，将固化好阻滞材料的双极板放置到原位涂覆成型固化设备上，底板温度控制在100-200℃，涂覆锥口的直径在1-5mm，涂覆速度为2-20mm/s，得到双极板。

6.根据权利要求4或5所述的一种质子交换膜燃料电池双极板的制造方法，其特征在于：所述绝缘阻滞层材料为环氧树脂材料。

7.根据权利要求6所述的一种质子交换膜燃料电池双极板的制造方法，其特征在于：所述弹性密封结构为橡胶材料。

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