CN101752587A - 金属双极板、密封件一体化燃料电池的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属双极板、密封件一体化燃料电池的制备方法，包括如下步骤：一、制备阳极金属板和阴极金属板；二、组装金属双极板；三、金属双极板组件和密封件的浇注；四、脱模；五、组装燃料电池堆。本发明在两极板的外沿端部之间涂覆密封胶，用点焊的方法将两端面接合在一起。在接合后的端面上间隔一定距离开有小圆孔，用注塑模具将密封胶注射到双极板的上下端面和中间通孔中，使密封件与金属双极板形成一个整体。本发明解决了燃料电池两块金属极板之间，以及密封件与金属极板之间的滑动、偏移和错位问题，取得了提高密封性、装配简单、快捷、提高生产效率等有益效果。

Description

金属双极板、密封件一体化燃料电池的制备方法

技术领域

本发明涉及燃料电池的制造，尤其是金属双极板、密封件一体化燃料电池组件的制备方法。

背景技术

燃料电池(Fuel Cell，FC)是一种将燃料化学能直接转换为电能的新型清洁发电装置，发电效率高达40％～65％，同时噪音和振动小，不扰民，从而被称作面向21世纪的绿色能源技术。作为新一代的发电技术，燃料电池具有能量转换率高、无污染、原料来源丰富等优点，可广泛应用于便携式移动电源、电动汽车、洁净电站、航空航天和军用舰船等各个方面。

燃料电池由膜电极组件(MEA)、双极板、密封件以及相应的紧固件组成。其中，双极板是燃料电池的关键功能部件，在电池堆重量、体积、成本以及可靠性等方面的影响占有很大权重。双极板表面加工有适当形式的流场，可均匀地向膜电极组件提供氢气和氧气，并与膜电极组件串联地电连接。

双极板通常由石墨加工而成，然而，加工石墨双极板费用高、时间长，并且易碎、易裂，可靠性不高。

近年来，开始用金属代替石墨制作双极板。金属相对于石墨材料具有可靠性高，导电、导热性好，透气率低等优势。如果采用较薄的金属箔带(厚度0.05～0.10mm)通过滚压或冲压方式直接进行流场加工成形，不但可弥补金属极板密度大的不足，使电池堆的重量和体积减小，而且还可适于批量生产，降低加工成本。

金属双极板包括用来供应氢气、氧气和冷却剂的流道，并支撑膜电极组件。如果不能保持气密性，则冷却剂可能会渗漏而污染膜电极组件，使受到污染的电池性能下降或失去作用。此外，如果氢气渗漏还可能引发危险事故。

为了保持气密性，在上、下板的端部之间插入橡胶密封件，利用紧固装置的紧固力将其压紧，从而利用压紧力和橡胶密封件的粘附力保持金属双极板的气密性，并将上、下板彼此连接起来。

保持电池堆密封性通常的做法是，将密封件直接放在双极板上下表面上，靠压紧力来保持气密性。这种方式需要设置定位器，尽管如此，在没有定位器的位置两块金属板以及金属板和密封件之间很容易发生偏移，当氢气和氧化剂气体的流道部分之间有偏移时，燃料电池的发电效率降低。因此，两个极板组件之间的偏移量要求被严格限定在不超过预定量的范围内。同时，密封件的偏移会导致气密性的下降，使气体的利用率降低，并且增加危险性。改进的办法是在双极板之间以及双极板与密封件之间涂粘合剂，这种方法会花几个小时来固化粘结剂，导致生产能力差。而且，需要选择一种能容忍恶劣温度条件的粘合剂，因为燃料电池工作时处在高温下，并且因为燃料电池的温度变化在双极板与密封件的接合部分同样会发生分离、偏移、变形等。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

为了解决上述燃料电池两块金属极板之间的滑动、偏移和错位，以及密封件与金属极板之间的滑动、偏移和错位，同时减少燃料电池堆零部件，简化装配流程等问题，本发明的目的在于提供一种金属双极板、密封件一体化燃料电池的制备方法，利用本发明的一体化组件，可有效避免氢气泄漏、提高燃料电池的发电效率。

为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种金属双极板、密封件一体化燃料电池的制备方法，该方法包括如下的步骤：

步骤一、制备阳极金属板和阴极金属板；

在一块金属平板上用模压成型方法压出凹凸相间的导流槽，形成阳极金属板，在另一块金属平板上用同样的方法压出凹凸相间的导流槽，形成阴极金属板；

步骤二、组装金属双极板；

将阳极金属板的凹部与阴极金属板的凹部相对，阳极金属板的凸部与阴极金属板的凸部相对，在凹部形成燃料气体流道、在凸部形成冷却剂流道；在两块金属极板端部平面相对的面上涂一层粘结剂；在端部平面上间隔一定距离用电焊、激光焊、超声波焊或其他焊接方式将阳极极板和阴极极板的四周端部平面焊接在一起，形成金属双极板组件；在金属双极板组件的端部平面上间隔一定距离开出圆形孔或其他形状的通孔；

步骤三、金属双极板组件和密封件的浇注；

将金属双极板组件放置在浇铸模具的下模上，上模向下移动至下模上，上下模夹紧金属双极板组件；液态硅橡胶装入液压缸中，在活塞的推动下，液态硅橡胶沿着上模中的通道进入上下模形成的腔体中，并充满整个腔体，控制模具的温度使液态硅橡胶固化，形成硅橡胶密封件；

步骤四、脱模；

通过上述步骤，在模具内已形成了金属双极板-密封件一体化组件；上模向上开启，从下模上取下金属双极板密封件一体化组件，便制备成用于燃料电池的金属双极板-密封件一体化组件。

步骤五、组装燃料电池堆；

将膜电极组置于步骤四完成的两个金属双极板-密封件一体化组件的中间，两边施加压力使密封件与膜电极组件的边框紧密接合在一起，构成一个单体电池，多个这种单体组合依次排列，则构成任意燃料电池的电池堆。

上述步骤五、组装燃料电池堆完成的燃料电池包括：阳极金属板、阴极金属板和端部密封件构成金属双极板-密封件一体化组件；膜电极组件置于上述两个金属双极板密封件一体化组件的中间，密封件与膜电极组件的边框紧密接合在一起，构成一个单体电池；多个这种单体组合依次排列，构成任意电池堆；密封件中有气体通道，用于将反应气体引入到阳极金属板上的燃料气体流道中和阴极金属板上的氧化剂流道中；阳极金属板和阴极金属板接合形成的中间区域构成冷却剂流道，用来引导冷却剂。

步骤五、组装燃料电池堆；

将膜电极组置于步骤四制作的两个金属双极板-密封件一体化组件的中间，两边施加压力使密封件与膜电极组件的边框紧密接合在一起，构成一个单体电池，多个这种单体组合依次排列，构成任意电池堆。

上述步骤五、组装燃料电池堆完成的燃料电池包括：

阳极金属板、阴极金属板和端部密封件构成金属双极板-密封件一体化组件；膜电极组件置于上述两个金属双极板-密封件一体化组件的中间，密封件与膜电极组件的边框紧密接合在一起，构成一个单体电池；多个这种单体组合依次排列，构成任意电池堆；密封件中有气体通道，用于将反应气体引入到阳极金属板上的燃料气体流道中和阴极金属板上的氧化剂流道中；阳极金属板和阴极金属板接合形成的中间区域构成冷却剂流道，用来引导冷却剂。

本发明金属双极板、密封件一体化燃料电池的制备方法，由于采取上述的技术方案，可以有效避免两块金属极板之间的相对移动，同时也可以有效避免密封件向外或向里的偏移，用该金属双极板-密封件一体化组件组装的电池堆的密封性能大大提高，同时使电池堆的装配过程变得更简单、快捷，使电池生产效率提高。

附图说明

图1是利用本发明方法制造的金属双极板组件和膜电极组件的装配示意图；

图2是图1中A方向的剖视图，显示了金属双极板的结构；

图3是金属双极板组件示意图；

图4是金属双极板组件在模具中浇注前的示意图；

图5是金属双极板组件在模具中浇注时的示意图；

图6是金属双极板组件脱模的示意图。

具体实施方式

图1是利用本发明方法制造的金属双极板组件和膜电极组件的装配示意图；如图1所示，该装置包括：

阳极金属板3、阴极金属板4和端部密封件5构成金属双极板-密封件一体化组件1；膜电极组件2置于上述两个金属双极板-密封件一体化组件1的中间，在图示箭头方向施加压力，使密封件5与膜电极组件2的边框10紧密接合在一起，构成一个单体电池，多个这种单体组合依次排列，便可以构成任意电池堆。密封件5中有气体通道6，通过气体通道6可将反应气体引入到阳极金属板3上的燃料气体(如H2)流道8中和阴极金属板4上的氧化剂(02或空气)流道7中，反应气体在流道中被均匀地分布在膜电极组件2的两侧，通过扩散到各自的催化反应区发生电化学反应。阳极金属板3和阴极金属板4接合形成的中间区域构成冷却剂流道9用来引导冷却剂(如去离子水)。

下面结合附图说明本发明的优选实施例。本发明，上述金属双极板、密封件一体化燃料电池的制备方法包括如下的步骤：

步骤一、制备阳极金属板和阴极金属板；

在一块金属平板上用模压成型方法压出凹凸相间的导流槽，形成阳极金属板3，在另一块金属平板上用同样的方法压出凹凸相间的导流槽，形成阴极金属板4。

步骤二、组装金属双极板；

将阳极金属板3的凹部与阴极金属板4的凹部相对，阳极金属板3的凸部与阴极金属板4的凸部相对，在凹部形成燃料气体流道8、在凸部形成冷却剂流道9。为了提高气密性，在两块金属极板端部平面12相对的面上涂一层粘结剂。在端部平面12上间隔一定距离用电焊、激光焊、超声波焊或其他焊接方式将阳极极板和阴极极板的四周端部平面焊接在一起，使阳极金属板3和阴极金属板4牢固地接合在一起，形成金属双极板组件。此工艺可以有效防止两块极板因滑动而引起的偏移或错位。由阳极金属板3和阴极金属板4构成的金属双极板组件13参见图2。

图3是金属双极板组件示意图；在金属双极板组件13的端部平面12上间隔一定距离开出圆形孔11或其他形状的通孔，如图3所示，液态的硅橡胶可以进入圆形孔11，硅橡胶密封件5通过圆孔11与金属双极板组件13的端部平面12形成一体，这样密封件不易脱落，可以有效防止密封件5滑动而引起的偏移和错位。

步骤三、金属双极板组件和密封件的浇注；

图4是密封件5在浇铸前的过程，图5是金属双极板组件在模具中浇注时的示意图；如图所示，将金属双极板组件13放置在浇铸模具的下模14上，上模15如图4中箭头方向向下移动至下模14上，上下模夹紧金属双极板组件13，为下一步的浇铸做好准备。

压好金属双极板组件13的模具如图5所示。液态硅橡胶18装入液压缸16中，在活塞17的推动下，液态硅橡胶18沿着上模15中的通道进入上下模形成的腔体中，并充满整个腔体，控制模具的温度使液态硅橡胶18固化，形成硅橡胶密封件5。达到预定的温度和时间后，液态硅橡胶18已充分固化，并在金属双极板组件13上形成所需形状的密封件5。

步骤四、脱模；

通过上述步骤，在模具内已形成了金属双极板-密封件一体化组件1。图6是金属双极板组件脱模的示意图，如图所示，上模15向图6中箭头方向向上开启，从下模14上取下金属双极板-密封件一体化组件1，便制备成用于燃料电池的金属双极板-密封件一体化组件1。如图6所示，密封件5的一面铸成平面，另一面有凸出的密封环。

步骤五、组装燃料电池堆；

将膜电极组置于步骤四制作的两个金属双极板-密封件一体化组件的中间，两边施加压力使密封件与膜电极组件的边框紧密接合在一起，构成一个单体电池，多个这种单体组合依次排列，构成任意电池堆。

如上所述，本发明的方法采取一块阳极板和一块阴极板，每块板用模压法压出凹凸相间的流场，将阳极板的凹部与阴极板的凹部相对，将阳极板的凸部与阴极板的凸部相对，在两极板的外沿端部之间涂覆密封胶，用点焊的方法将两端面接合在一起。在接合后的端面上间隔一定距离开有小圆孔，用注塑模具将密封胶注射到双极板的上下端面和中间通孔中，使密封件与金属双极板形成一个整体。从而，本发明有效提高了燃料电池的密封性，并使燃料电池的装配更方便。

Claims (3)

1.一种金属双极板、密封件一体化燃料电池的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一、制备阳极金属板和阴极金属板；

在一块金属平板上用模压成型方法压出凹凸相间的导流槽，形成阳极金属板，在另一块金属平板上用同样的方法压出凹凸相间的导流槽，形成阴极金属板；

步骤二、组装金属双极板；

将阳极金属板的凹部与阴极金属板的凹部相对，阳极金属板的凸部与阴极金属板的凸部相对，在凹部形成燃料气体流道、在凸部形成冷却剂流道；在两块金属极板端部平面相对的面上涂一层粘结剂；在端部平面上间隔一定距离用电焊、激光焊、超声波焊或其他焊接方式将阳极极板和阴极极板的四周端部平面焊接在一起，形成金属双极板组件；在金属双极板组件的端部平面上间隔一定距离开出圆形孔或其他形状的通孔；

步骤三、金属双极板组件和密封件的浇注；

将金属双极板组件放置在浇铸模具的下模上，上模向下移动至下模上，上下模夹紧金属双极板组件；液态硅橡胶装入液压缸中，在活塞的推动下，液态硅橡胶沿着上模中的通道进入上下模形成的腔体中，并充满整个腔体，控制模具的温度使液态硅橡胶固化，形成硅橡胶密封件；

步骤四、脱模；

通过上述步骤，在模具内已形成了金属双极板-密封件一体化组件；上模向上开启，从下模上取下金属双极板-密封件一体化组件，制备成用于燃料电池的金属双极板-密封件一体化组件；

步骤五、组装燃料电池堆；

将膜电极组置于步骤四完成的两个金属双极板-密封件一体化组件的中间，两边施加压力使密封件与膜电极组件的边框紧密接合在一起，构成一个单体电池，多个这种单体组合依次排列，则构成任意燃料电池的电池堆。

2.如权利要求1所述的一体化燃料电池的制备方法，其特征在于：所述的密封件的一面铸成平面，另一面有凸出的密封环。

3.如权利要求1所述的一体化燃料电池的制备方法，其特征在于：所述的步骤五、组装燃料电池堆完成的燃料电池包括：

阳极金属板[3]、阴极金属板[4]和端部密封件[5]构成金属双极板-密封件一体化组件[1]；膜电极组件[2]置于上述两个金属双极板-密封件一体化组件[1]的中间，密封件[5]与膜电极组件[2]的边框[10]紧密接合在一起，构成一个单体电池；多个这种单体组合依次排列，构成任意电池堆；密封件[5]中有气体通道[6]，用于将反应气体引入到阳极金属板[3]上的燃料气体流道[8]中和阴极金属板[4]上的氧化剂流道[7]中；阳极金属板[3]和阴极金属板[4]接合形成的中间区域构成冷却剂流道[9]，用来引导冷却剂。

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