CN102299357A - 一种电化学反应器用复合极板及其制作方法 - Google Patents

一种电化学反应器用复合极板及其制作方法 Download PDF

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Abstract

一种电化学反应器用复合极板及其制作方法，包括流场板，流场板的一个板面或两个板面上有一个以上的平行直通的流场板流道的石墨极板，该流场板内嵌入极板边框的中空框体内，流场板的外侧面同极板边框的中空框体的内侧面过盈配合实现了采用卧铣刀加工需要的平行直通流场，这种加工方法迅速，适合批量生产，产能比模压板大得多，同时又具有雕刻石墨板的良好导电性。极板边框可以采用塑料进行注塑加工，在通过在极板边框上布置流场分配流道，可以将具有简单平行直通流场的极板变成所需要的各种流场。采用这种方法制成的燃料电池复合极板具有成本低廉、导电性好、易于批量加工等诸多优点。

Description

一种电化学反应器用复合极板及其制作方法
技术领域
本发明属于电化学工程技术领域，具体涉及一种电化学反应器用复合极板及其制作方法。
背景技术
燃料电池是一种将外部供给的燃料和氧化剂中的化学能转变成电能的电化学反应器。由于燃料电池功率密度和能量密度高，清洁高效，功率范围宽广，在微型电源、移动电源、车用发动机、固定电站等各个领域都有着广泛的应用前景，因此受到世界各国的广泛重视。美国、日本、加拿大、欧洲各国都在积极开发燃料电池技术，目前世界上几乎所有大汽车制造商都在开发燃料电池电动汽车。
在燃料电池中，极板是一个非常重要的部件。燃料和氧化剂进入单体燃料电池中，经过极板上面的气体流场分配，流遍单体燃料电池整个反应区域，发生电化学反应产生电流。因此，燃料电池极板起到了阻隔燃料和氧化剂、分配反应物及产物、导出电流、传导热量等多重作用。这些多重功能要求燃料电池极板需要高电导率、高热导率、高耐腐蚀性、高强度、低透气率、低价格、易加工性等多种性质。
金属薄板能够很好的满足绝大多数上述要求，是很好的燃料电池极板材料。最重要的是，金属薄板非常易于加工成型，可以采用冲压的方式批量加工燃料电池复杂的气体流场。冲压法生产金属极板效率非常高，一块极板可以在几秒钟内冲压成型，非常适合大规模生产。但是金属板在燃料电池中应用最大的问题是耐腐蚀性差，即使在其表面做耐腐蚀涂层，在燃料电池内部高温、高湿、强酸性、电化学氧化、卤素离子的复杂条件下，也很难满足长时间使用的要求。
与金属板相比，石墨极板具有很好的耐腐蚀性，导电、导热性等都能满足要求，目前燃料电池大多数都是采用石墨做极板材料。但是，由于燃料电池极板上需要加工复杂的气体流场，而石墨极板不能像金属极板一样进行冲压成型，小批量生产的燃料电池极板采用雕刻的方法进行加工。雕刻的方法加工气体流场效率极低，一块极板往往需要数小时才能完成流场的加工，而且加工过程中对精度控制要求很高，废品率很高。所以，石墨极板占据燃料电池成本的70％，这种方法无法实现规模化生产。
鉴于雕刻石墨极板无法规模化生产，出现了模压成型制备石墨极板的方法。通常是将石墨粉与聚合物粘结剂混合粉料加入预热好的模具，采用聚合物的熔融温度和一定压力，使得粉料在模具中流动并充满整个行腔，固化后得到模压石墨极板。一块石墨板需经过灌粉、加热模压、脱模等多个步骤，需要15～20分钟时间加工完成。模压石墨板生产效率虽然远低于金属板，但比雕刻的方法要快得多，能够实现批量生产。但是，模压石墨板的主要问题是，由于石墨粉需要添加粘结剂才能模压成型，很大程度上影响了极板的导电性，使得燃料电池欧姆阻抗变大，电池性能变差。模压石墨板电导率要比雕刻石墨板低一个数量级。
为了解决石墨极板加工效率低下、无法批量化生产的问题，专利号为ZL200610024840.7的专利中报道了采用卧铣床，利用多片圆片洗到组合后进行批量化加工的方法，采用这种方法，能够大幅降低石墨极板的加工成本。但是，采用这种加工方法只能加工平行的燃料电池流场，使得其应用受到限制。而且，燃料电池极板上除了气体流道，还有气体分配管、密封槽等，无法采用这种方法一次加工成型。
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电化学反应器用复合极板及其制作方法，实现了采用卧铣刀加工需要的平行直通流场，这种加工方法迅速，适合批量生产，产能比模压板大得多，同时又具有雕刻石墨板的良好导电性。极板边框可以采用塑料进行注塑加工，在通过在极板边框上布置流场分配流道，可以将具有简单平行直通流场的极板变成所需要的各种流场。采用这种方法制成的燃料电池复合极板具有成本低廉、导电性好、易于批量加工等诸多优点。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种电化学反应器用复合极板，包括流场板100，流场板100为一个板面或两个板面上有一条以上平行直通的流场板流道101的石墨极板，该流场板100内嵌入极板边框200的中空框体内，流场板100的外侧面同极板边框200的中空框体的内侧面过盈配合，其流场板流道101的两端分别同极板边框200的板面上的流场分配流道208一一对应相导通，极板边框200带有贯穿极板边框200板面的还原剂入口分配管201、冷却剂入口分配管202、氧化剂入口分配管203、还原剂出口分配管204、冷却剂出口分配管205或氧化剂出口分配管206的一种以上的组合，所述的还原剂入口分配管201、冷却剂入口分配管202、氧化剂入口分配管203、还原剂出口分配管204、冷却剂出口分配管205或氧化剂出口分配管206的一种以上的组合同流场分配流道208相导通，另外在所述的流场板100板面上还设置有密封槽207。
所述的流场板100同极板边框200具有相适配的热膨胀系数。
所述的极板边框200用塑料材料，该塑料材料能具有耐温范围为-20～200℃以及耐酸碱的特性。
所述的流场板100的外侧面为过盈配合设置沟槽、孔洞或者台阶结构。
所述的电化学反应器用复合极板的制作方法为通过卧铣刀加工石墨极板的方法，即通过一组共轴的圆片刀具且每片刀具之间夹有圆形垫片的卧铣刀，刀具共轴旋转，在石墨极板上加工出一组平行直通的流场板流道101，形成了流场板100，而极板边框200采用热塑模具注塑加工而成，再将加工后的所述流场板100放置于极板边框200的中空框体内中进行注塑形成电化学反应器用复合极板。
本发明采用石墨板加工复合极板的流场板部分，可以采用卧铣刀加工需要的平行直通流场，这种加工方法迅速，适合批量生产，产能比模压板大得多，同时又具有雕刻石墨板的良好导电性。极板边框可以采用塑料进行注塑加工，通过在极板边框上布置流场分配流道208，可以将具有简单平行直通流场的极板变成所需要的各种流场。采用这种方法制成的燃料电池复合极板具有成本低廉、导电性好、易于批量加工等诸多优点。
附图说明
附图是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更详细的说明。
如附图所示，电化学反应器用复合极板，包括流场板100，流场板100为一个板面或两个板面上有一条以上平行直通的流场板流道101的石墨极板，该流场板100内嵌入极板边框200的中空框体内，流场板100的外侧面同极板边框200的中空框体的内侧面过盈配合，其流场板流道101的两端分别同极板边框200的板面上的流场分配流道208一一对应相导通，极板边框200带有贯穿极板边框200板面的还原剂入口分配管201、冷却剂入口分配管202、氧化剂入口分配管203、还原剂出口分配管204、冷却剂出口分配管205或氧化剂出口分配管206的一种以上的组合，所述的还原剂入口分配管201、冷却剂入口分配管202、氧化剂入口分配管203、还原剂出口分配管204、冷却剂出口分配管205或氧化剂出口分配管206的一种以上的组合同流场分配流道208相导通，另外在所述的流场板100板面上还设置有密封槽207，用于密封。所述的流场板100同极板边框200具有相适配的热膨胀系数。所述的极板边框200用塑料材料，该塑料材料能具有耐温范围为-20～200℃以及耐酸碱的特性。所述的流场板100的外侧面为过盈配合设置沟槽、孔洞或者台阶结构。
所述的电化学反应器用复合极板的制作方法为通过卧铣刀加工石墨极板的方法，即通过一组共轴的圆片刀具且每片刀具之间夹有圆形垫片的卧铣刀，刀具共轴旋转，在石墨极板上加工出一组平行直通的流场板流道101，形成了流场板100，而极板边框200采用热塑模具注塑加工而成，再将加工后的所述流场板100放置于极板边框200的中空框体内中进行注塑形成电化学反应器用复合极板。
本发明的工作原理为流场板100上的流场板流道101与极板边框上的流场分配流道208相通，构成了复合流场，还原剂从还原剂入口分配管201流入，经过极板边框200上的流场分配流道208流入流场板流道101，在此区域发生电化学反应，产物及未发生反应的反应物再经过流场分配流道208流入还原剂出口分配管204流出电化学反应器，同样，氧化剂也从氧化剂入口分配管203流经极板边框200上的相应流道进入流场板上的流道，发生反应后流经极板边框上的分配流道再进入氧化剂出口分配管206流出电化学反应器。

Claims (5)

1.一种电化学反应器用复合极板，包括流场板(100)，其特征在于：流场板(100)为一个板面或两个板面上有一条以上平行直通的流场板流道(101)的石墨极板，该流场板(100)内嵌入极板边框(200)的中空框体内，流场板(100)的外侧面同极板边框(200)的中空框体的内侧面过盈配合，其流场板流道(101)的两端分别同极板边框(200)的板面上的流场分配流道(208)一一对应相导通，极板边框(200)带有贯穿极板边框(200)板面的还原剂入口分配管(201)、冷却剂入口分配管(202)、氧化剂入口分配管(203)、还原剂出口分配管(204)、冷却剂出口分配管(205)或氧化剂出口分配管(206)的一种以上的组合，所述的还原剂入口分配管(201)、冷却剂入口分配管(202)、氧化剂入口分配管(203)、还原剂出口分配管(204)、冷却剂出口分配管(205)或氧化剂出口分配管(206)的一种以上的组合同流场分配流道(208)相导通，另外在所述的流场板(100)板面上还设置有密封槽(207)。
2.根据权利要求1所述的电化学反应器用复合极板，其特征在于：所述的流场板(100)同极板边框(200)具有相适配的热膨胀系数。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的电化学反应器用复合极板，其特征在于：所述的极板边框(200)用塑料材料，该塑料材料能具有耐温范围为-20～200℃以及耐酸碱的特性。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的电化学反应器用复合极板，其特征在于：所述的流场板(100)的外侧面为过盈配合设置沟槽、孔洞或者台阶结构。
5.根据权利要求1所述的电化学反应器用复合极板的制作方法，其特征在于：通过卧铣刀加工石墨极板的方法，即通过一组共轴的圆片刀具且每片刀具之间夹有圆形垫片的卧铣刀，刀具共轴旋转，在石墨极板上加工出一组平行直通的流场板流道(101)，形成了流场板(100)，而极板边框(200)采用热塑模具注塑加工而成，再将加工后的所述流场板(100)放置于极板边框(200)的中空框体内中进行注塑形成电化学反应器用复合极板。
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