CN102280645B - 一种熔融碳酸盐燃料电池双极板及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种熔融碳酸盐燃料电池双极板及其制作方法，该双极板包括带有阳极流道的中空的阳极框板，所述的阳极框板、中心板以及带有阴极流道的中空的阴极框板依次以焊接的方式两两连接在一起，对减轻双极板的厚度和重量有很大的作用，同时还降低了电阻，提高了导电性，具有抗氧化和还原以及抗电解质腐蚀的作用，并与其它组件之间有很好的热膨胀匹配特性，其制作方法为每个部件经过冲压或切割成型，最后将它们组装焊接在一起；采取本发明的方法来制备双极板，大大缩短了加工时间，减小了双极板的厚度和重量，使得双极板的性能得到提高。
Description
技术领域
本发明属于熔融碳酸盐燃料电池技术领域，具体涉及一种熔融碳酸盐燃料电池双极板及其制作方法。
背景技术
燃料电池是一种不经过燃烧而以电化学反应方式将燃料的化学能直接变为电能的发电装置，其最大特点是反应过程不涉及燃烧，因此能量转化效率不受“卡诺循环”的限制，效率高达50％～60％。燃料电池工作时，氢气或其他燃料输入到阳极，并在电极和电解质的界面上发生氢气或其他燃料氧化与氧气还原的电化学反应，产生电流，输出电能。与火力发电方式相比，燃料电池的发电过程不经过燃料的直接燃烧，CO、CO2、SO2、NOx及未燃尽的有害物质排放量极低，是公认的继火电、水电和核电之后的第四种发电方式。因此，燃料电池是集能源、化工、材料与自动化控制等新技术为一体的、具有高效与洁净特色的新电源。
到目前为止，燃料电池已经出现了很多种技术和结构类型，但是根据电解质的不同，一般分为碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cell，AFC)、磷酸燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(Molten CarbonateFuel Cell，MCFC)、固态氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)和质子交换膜燃料电池(Proton Electrolyte Membrane Fuel Cell，PEMFC)五大类。对于熔融碳酸盐燃料电池，由于其优点有：(1)工作温度高，电极反应活化能小，不论氢的氧化还是氧的还原，都不需要高效催化剂，节省了贵金属的使用，一定程度上降低成本；(2)可以使用CO含量高的燃料气，如煤制气；(3)电池排放的余热温度高达673K之多，可用于底循环或回收使用，使总的效率高达80％；(4)可以不用水冷却，而用空气冷却，尤其适用于缺水的边远地区，因此，熔融碳酸盐燃料电池在分布式电站和移动电源等方面的应用前景非常美好。
目前，双极板是熔融碳酸盐燃料电池的关键设备之一，其作用是分隔氧化气体和燃料气体，起集电和导电的作用，并构成气体流动的通道，同时还防止气体向外界泄露。此外，通过双极板的连接作用，将单个电池串联起来构成燃料电池堆，进行大功率的发电。因此，作为燃料电池的双极板，必须同时具备很高的导电性和平整度，合理的气流分配，而且自身重量还要轻些的要求，而作为熔融碳酸盐燃料电池的双极板，除了具备上述要求外，由于在熔融盐腐蚀条件下运行，还需要求双极板具有抗氧化和还原以及抗电解质腐蚀的作用，并与其它组件之间有很好的热膨胀匹配特性，以防止由于密封不好而导致的燃料泄露，以及由于熔盐的腐蚀作用，双极板的流道经常由于腐蚀而损坏，继续使用容易发生气体泄露的严重后果。
专利号为6777126的美国专利描述了一种由多层结构叠加而成的双极板，非常有利于工业化的生产。但在设计中，专门加入了冷却气体或液体的通路，但实际中，在燃料电池特别是熔融碳酸盐燃料电池双极板的设计中，并不需要有专门的冷却通道，这样导致了结构复杂难于加工的缺点，专利号为CN1731608A的中国专利描述了一种熔融碳酸盐燃料电池的双极板，其制作方法是先加工一个中心板，在板上四周开长方形的小孔，然后加工与中心板同样大小的掩模板，掩模板Y方向开大孔作为放置多孔波纹板的空间，这种结构也比较繁琐，而且制作掩模板过程中去掉的大孔部分材料不能充分利用，造成材料的浪费，此外，按照该专利加工的双极板厚度也将达到5～7mm，这样的重量及加工成本都比较高，而且该专利中心板四周加工的长方形孔实际上不利于电池堆的密封。而另外有双极板采用数控加工或腐蚀方法进行加工，为保证双极板的平整度，厚度在5～8mm，这样的重量及加工成本也一样比较高。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种熔融碳酸盐燃料电池双极板及其制作方法，对减轻双极板的厚度和重量有很大的作用，同时还降低了电阻，提高了导电性，具有抗氧化和还原以及抗电解质腐蚀的作用，并与其它组件之间有很好的热膨胀匹配特性，其每个部件经过冲压或切割成型，最后将它们组装焊接在一起；采取本发明中的制作方法来制备双极板，大大缩短了加工时间，减小了双极板的厚度和重量，使得双极板的性能得到提高。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种熔融碳酸盐燃料电池双极板，包括带有阳极流道1的中空的阳极框板2，所述的阳极框板2、中心板3以及带有阴极流道5的中空的阴极框板4依次以焊接的方式两两连接在一起，所述的中心板3为1～2mm厚的不锈钢板，中心板3四周带有竖直贯通气孔6，所述的阳极框板2和阴极框板4的外轮廓同中心板3的外轮廓形状的形状大小一致，阳极框板2和阴极框板4均为1～2mm厚中空的不锈钢框板，阳极框板2和阴极框板5的中空内部分别设置有阳极流道1和阴极流道5，阳极框板2沿阳极流道1的流道方向上带有同中心板3沿阳极流道1的流道方向分布的竖直贯通气孔6一一竖直对应的阳极贯通孔7，阴极框板4在沿阴极流道5的流道方向上带有同中心板3沿阴极流道5的流道方向分布的竖直贯通气孔6一一竖直对应的阴极贯通孔8，阳极流道1和阴极流道5由厚度为1～2mm的不锈钢板经冲压而成厚度为0.5～1mm的流道。
所述的阳极流道1和阴极流道5采用槽道形流道或翅片状流道。
所述的熔融碳酸盐燃料电池双极板的制作方法为：首先准备五块1～2mm厚的不锈钢板，将其中的一块不锈钢板在四周沿竖直方向打孔形成竖直贯通气孔6，将该不锈钢板作为中心板3；再选择另外两块不锈钢板竖直贯穿冲去中部，并切割该两块不锈钢板使其外轮廓同中心板3的外轮廓形状的形状大小一致，将两块不锈钢板分别作为不带阳极贯通孔7的阳极框板2和不带阴极贯通孔8的阴极框板4，在不带阳极贯通孔7的阳极框板2和不带阴极贯通孔8的阴极框板4上设定阳极贯通孔7的位置和阴极贯通孔8的位置，然后在阳极贯通孔7的位置和阴极贯通孔8的位置沿竖直方向贯穿打孔形成阳极贯通孔7和阴极贯通孔8；接着将剩下的两块不锈钢板分别冲压成厚度为0.5～1mm的阳极流道1和阴极流道5；最后对中心板3、阳极框板2和阴极框板4进行回火及整平处理，将流道进行整平处理，然后将阳极框板2和阴极框板4焊接在中心板3上，再将阳极流道1和阴极流道5分别放入阳极框板2和阴极框板4的中空部分后再焊接在中心板3上，这样就构成了熔融碳酸盐燃料电池双极板。
本发明的熔融碳酸盐燃料电池双极板包括带有阳极流道1的中空的阳极框板2，所述的阳极框板2、中心板3以及带有阴极流道5的中空的阴极框板4依次以焊接的方式两两连接在一起，采用不锈钢薄板，有效地减低了熔融碳酸盐燃料电池双极板的厚度和重量，同时还降低了电阻，提高了导电性；阳极流道1和阴极流道5是不锈钢板冲压后焊接在中心板3上的，所以当阳极流道1或阴极流道5受到腐蚀后可以将其取下进行更换而继续使用，这样对熔融碳酸盐燃料电池双极板的使用寿命得到很大的提高，而且我们可以根据需要对阳极流道1或阴极流道5采用槽道形流道或翅片状流道，对优化熔融碳酸盐燃料电池双极板结构，提高电池性能具有很大的作用，只需要一副冲压模具就可以完成阳极流道1或阴极流道5的加工，代替了机械加工或腐蚀加工槽道的工序，缩短了加工时间；采用机械加工一次成型的工艺可以完成阳极框板2、中心板3以及阴极框板4的制作；整个熔融碳酸盐燃料电池双极板的装配工艺简单易操作；最终装配的熔融碳酸盐燃料电池双极板在厚度和重量上减少了很多，对熔融碳酸盐燃料电池堆的功率放大，提高电池堆的性能具有很大的促进作用。
附图说明
图1是本发明的分解结构示意图。
图2是本发明的结构示意图。
图3是本发明采用槽道形流道的阴极流道结构示意图。
图4是本发明采用槽道形流道的阳极流道结构示意图。
图5是本发明采用翅片状流道的阴极流道结构示意图。
图6是本发明采用翅片状流道的阳极流道结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更详细的说明。
如图1和图2所示，熔融碳酸盐燃料电池双极板，包括带有阳极流道1的中空的阳极框板2，所述的阳极框板2、中心板3以及带有阴极流道5的中空的阴极框板4依次以焊接的方式两两连接在一起，所述的中心板3为1～2mm厚的不锈钢板，中心板3四周带有竖直贯通气孔6，所述的阳极框板2和阴极框板4的外轮廓同中心板3的外轮廓形状的形状大小一致，阳极框板2和阴极框板4均为1～2mm厚中空的不锈钢框板，阳极框板2和阴极框板4的中空内部分别设置有阳极流道1和阴极流道5，阳极框板2沿阳极流道1的流道方向上带有同中心板3沿阳极流道1的流道方向分布的竖直贯通气孔6一一竖直对应的阳极贯通孔7，阴极框板4在沿阴极流道5的流道方向上带有同中心板3沿阴极流道5的流道方向分布的竖直贯通气孔6一一竖直对应的阴极贯通孔8，阳极流道1和阴极流道5由厚度为1～2mm的不锈钢板经冲压而成厚度为0.5～1mm的流道。如图3、图4、图5、和图6所示，所述的阳极流道1和阴极流道5采用槽道形流道或翅片状流道。所述的熔融碳酸盐燃料电池双极板的制作方法为，首先准备五块1～2mm厚的不锈钢板，将其中的一块不锈钢板在四周沿竖直方向打孔形成竖直贯通气孔6，将该不锈钢板作为中心板3；再选择另外两块不锈钢板竖直贯穿冲去中部，并切割该两块不锈钢板使其外轮廓同中心板3的外轮廓形状的形状大小一致，将两块不锈钢板分别作为不带阳极贯通孔7的阳极框板2和不带阴极贯通孔8的阴极框板4，在不带阳极贯通孔7的阳极框板2和不带阴极贯通孔8的阴极框板4上设定阳极贯通孔7的位置和阴极贯通孔8的位置，然后在阳极贯通孔7的位置和阴极贯通孔8的位置沿竖直方向贯穿打孔形成阳极贯通孔7和阴极贯通孔8；接着将剩下的两块不锈钢板分别冲压成厚度为0.5～1mm的阳极流道1和阴极流道5；最后对中心板3、阳极框板2和阴极框板4进行回火及整平处理，将流道进行整平处理，然后将阳极框板2和阴极框板4焊接在中心板3上，再将阳极流道1和阴极流道5分别放入阳极框板2和阴极框板4的中空部分后再焊接在中心板3上，这样就构成了熔融碳酸盐燃料电池双极板。
Claims (3)
1.一种熔融碳酸盐燃料电池双极板，包括带有阳极流道(1)的中空的阳极极框板(2)，其特征在于：所述的阳极框板(2)、中心板(3)以及带有阴极流道(5)的中空的阴极框板(4)依次以焊接的方式两两连接在一起，所述的中心板(3)为1～2mm厚的不锈钢板，中心板(3)四周带有竖直贯通气孔(6)，所述的阳极框板(2)和阴极框板(4)的外轮廓同中心板(3)的外轮廓形状的形状大小一致，阳极框板(2)和阴极框板(4)均为1～2mm厚中空的不锈钢框板，阳极框板(2)和阴极框板(4)的中空内部分别设置有阳极流道(1)和阴极流道(5)，阳极框板(2)沿阳极流道(1)的流道方向上带有同中心板(3)沿阳极流道(1)的流道方向分布的竖直贯通气孔(6)一一竖直对应的阳极贯通孔(7)，阴极框板(4)在沿阴极流道(5)的流道方向上带有同中心板(3)沿阴极流道(5)的流道方向分布的竖直贯通气孔(6)一一竖直对应的阴极贯通孔(8)，阳极流道(1)和阴极流道(5)由厚度为1～2mm的不锈钢板经冲压而成厚度为0.5～1mm的流道。
2.根据权利要求1所述的熔融碳酸盐燃料电池双极板，其特征在于：所述的阳极流道(1)和阴极流道(5)采用槽道形流道或翅片状流道。
3.根据权利要求1所述的熔融碳酸盐燃料电池双极板的制作方法，其特征在于：首先准备五块1～2mm厚的不锈钢板，将其中的一块不锈钢板在四周沿竖直方向打孔形成竖直贯通气孔(6)，将该不锈钢板作为中心板(3)；再选择另外两块不锈钢板竖直贯穿冲去中部，并切割该两块不锈钢板使其外轮廓同中心板(3)的外轮廓形状的形状大小一致，将两块不锈钢板分别作为不带阳极贯通孔(7)的阳极框板(2)和不带阴极贯通孔(8)的阴极框板(4)，在不带阳极贯通孔(7)的阳极框板(2)和不带阴极贯通孔(8)的阴极框板(4)上设定阳极贯通孔(7)的位置和阴极贯通孔(8)的位置，然后在阳极贯通孔(7)的位置和阴极贯通孔(8)的位置沿竖直方向贯穿打孔形成阳极贯通孔(7)和阴极贯通孔(8)；接着将剩下的两块不锈钢板分别冲压成厚度为0.5～1mm的阳极流道(1)和阴极流道(4)；最后对中心板(3)、阳极框板(2)和阴极框板(4)进行回火及整平处理，将流道进行整平处理，然后将阳极框板(2)和阴极框板(4)焊接在中心板(3)上，再将阳极流道(1)和阴极流道(5)分别放入阳极框板(2)和阴极框板(4)的中空部分后再焊接在中心板(3)上，这样就构成了熔融碳酸盐燃料电池双极板。
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