CN1248347C

CN1248347C - 一种用于质子交换膜燃料电池的流场分配板

Info

Publication number: CN1248347C
Application number: CNB021062021A
Authority: CN
Inventors: 孙公权; 刘建国; 陈利康; 辛勤; 衣宝廉
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2002-04-03
Filing date: 2002-04-03
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2022-04-03
Also published as: CN1449066A

Abstract

一种用于质子交换膜燃料电池的流场分配板，由薄金属板冲压加工而成。本发明采用的金属板可以是不锈钢板、钛板、银板、铌板或者上述材料的合金板以及其它良导体，还可以在这些金属板的表面镀上一层金或其它镀层。先在薄金属板上采用冲压、激光或高能射线等方法打上复数孔，这些孔的形状可以为圆形、三角形或多边形，然后冲压使其形成复数个凸起，该凸起表面为一平台，且每一平台上有一个孔；每个凸起的方向和邻近的凸起方向相互垂直，且位置交错；凸起的形状可以是圆弧过渡的正方形、S形、梯形、多边形或其组合。

Description

一种用于质子交换膜燃料电池的流场分配板

技术领域

本发明涉及燃料电池流场分配板的制备技术，所制备的流场分配板适用于氢/氧(空气)质子交换膜燃料电池，尤其是甲醇、乙醇或其它有机燃料直接进料的燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种将燃料的化学能直接转变为电能的电化学反应装置。发电时无污染、无噪音，而且发电效率高、使用寿命长，因此在航天、交通、移动电源等领域有着广泛的应用前景。

燃料电池单池由阳极、电解质隔膜和阴极构成。燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电化学反应产生的电子在外电路定向移动产生电能。燃料电池单池的电压较低，通常要将几个、几十个甚至上百个单池组合成电池组或电堆对外供电。在每两个单池之间使用双极板连接。双极板起到分隔氧化剂和还原剂、集流、导热、分配反应物和排出反应产物的作用。

流场分配板作为双极板的一部分决定反应物和生成物在流场内的流动状态。在质子交换膜燃料电池中，有的双极板和流场分配板是同一块材料加工而成的；有的双极板和流场分配板是分离的，是由几块薄板复合而成的。分隔板在其中主要起分隔氧化剂和还原剂的作用，而流场分配板起到分配反应物和排出反应产物和惰性物种的作用，同时还有收集电流的作用。因此流场分配板是燃料电池的关键部件之一。当质子交换膜燃料电池或者甲醇、乙醇或其它有机燃料直接进料的燃料电池工作时，各处必须获得充足的反应物并及时排出产物。否则会造成电极表面各处反应不均匀，引起电流密度分布不均匀，从而影响电池性能和使用寿命。另外，阴极生成的水如果不能及时排出，随着反应不断进行，阴极积累的水将会导致多孔扩散电极孔隙率下降，氧气传递阻力增加，也会降低电池的输出功率。对于大面积燃料电池，流场分配板的作用尤为重要。电极工作面积放大过程中流场设计不合理往往是导致电池性能下降的主要原因。经验表明，在一定的反应物的流量下，通过流场的压力降要适中。流场中压力降太大会造成过高的压力损失，压力过小则不利于反应物在并联的多个单电池间的分配。

下列文献介绍了几类目前正在采用的流场分配板：

专利1[US 4769297]介绍了一种点状流场分配板。它是通过在一块平板上刻出许多面积较小的平台，这些平台与电极相接触收集电流，反应物在平台之间的沟槽内流动并带出反应物。它的双极板和流场分配板是同一块材料加工而成的。

专利2[US 5252410]介绍了一种由多孔导电材料构成的流场分配板。燃料和氧化剂的分配是靠其中的孔隙完成的。在这些流场分配板上还可以刻一些与流场方向垂直的沟槽，它可以使流体重新汇集再重新分配。这种结构使得流体分配更均匀，避免流体流动的短路和死区现象。

专利3[US 5300370]报道了一种多通道的蛇型流场分配板。蛇型流场分配板是近些年来许多燃料电池公司主力研发的方向。多通道蛇型流场分配板与单通道蛇型流场分配板相比，可以降低流体阻力，分布更均匀。在这种结构中，反应物沿着流道到达电极的各个部分，并且将反应产物及时排出。

专利4[US 5798187]介绍了一种网状流场。它是由一层细金属网和一层粗金属网构成，靠近电极的细金属网的作用是防止电极表面材料压入粗金属网内。在网状流场中流体流经的路程都是相同的，所以流体分配比较均匀，而且电池组受力均匀。

专利5[US 6296964]报道了一种波纹状的流场分配板，用于直接甲醇燃料电池。由于在波纹板的侧面含有孔，所以反应物不仅能在垂直方向而且在水平方向也能进行分配，并且及时带走反应产物。这种设计可以扩大电极与反应物接触面积，减少大电流放电时电极的死区，并能够充分收集电流。

上述背景技术中：

专利1[US 4769297]介绍的点状流场容易产生流体流动的短路现象，使得在流场范围内形成了一些死区，降低了电极的有效面积，从而影响了电池的性能。

专利2[US 5252410]介绍的流场板由于采用多孔导电材料，流体流动的阻力较大。阻力大不仅造成了过高的压力损失，而且反应生成的水不容易排出，电极容易发生水淹现象。

专利3[US 5300370]报道的多通道蛇型流场分配板制造复杂，成本较高，而且密封点多，使得密封较为困难。

专利4[US 6296964]报道的流场分配板中，流体分配板使用带孔的褶皱板。由于向前方流动的阻力比向侧方向的流动阻力更小，容易产生短路现象。

专利5[US 5798187]报道的网状流场中的金属网，大多采用金属丝编织成的网。电流在垂直于金属网的方向上需要越过金属丝与金属丝之间的传导，而它们的接触面积较小，所以接触电阻较大。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种质子交换膜燃料电池的流场分配板，尤其是用于直接甲醇燃料电池。无论是氢气、甲醇、乙醇等燃料，还是氧气和空气等氧化剂在这种流场分配板结构中都能够均匀分布，避免流体流动的短路现象，而且它能够及时排出反应产物和惰性物种；同时这种流场分配板容易加工、制造费用低廉。

为实现上述目的，本发明提供的一种用于质子交换膜燃料电池的流场分配板，由薄金属板冲压加工而成，本发明采用的金属板可以是不锈钢板、钛板、银板、铌板或者上述材料的合金板以及其它良导体，还可以在这些金属板的表面镀上一层金或其它镀层。先在薄金属板上采用冲压、激光或高能射线等方法打上复数个孔，这些孔的形状可以为圆形、三角形或多边形，然后冲压使其形成复数个凸起，凸起表面的面积占整个金属板面积的30-50％；该凸起表面为一平台，且每一平台上可以开有一个孔；每个凸起的方向和邻近的凸起方向相互垂直，且位置交错；凸起的形状可以是圆弧过渡的正方形、S形、梯形、方形或多边形。

本发明具有的积极效果如下：

1、在一层薄金属板上经过冲压形成波浪状金属板，波浪状金属板上每个凸起与相邻的凸起的方向不一致，而且位置交错。通过调节凸起及间隙的大小，可避免流体流动的短路问题。

2、采用多片复合的方法制备双极板，降低了双极板的厚度，提高了电池的比能量密度。

3、改善了流体在电池中的分配，因此提高了电池组中单电池的性能，尤其在高电流密度下的性能。

4、本发明所述的流场分配板的制备工艺简单，适于批量生产，而且成本低廉。

附图说明

下列附图是关于本发明的一些具体实施例，它们可以解释本发明的原理。简要说明如下：

图1A和图1B为本发明涉及的波浪状流场分配板具体实施实例之一，即凸起为圆弧状表面有平台的立体图。

图2为采用本发明中的流场分配板与分隔板组合成双极板的透视图。

图3为使用图2提到的双极板与膜电极三合一组装成燃料电池的分解图。

图4为使用图3提到的燃料电池组装成电池组的剖面图。

图5为本发明的具体实施中波浪状流场分配板的具体尺寸。

图6为本发明的具体实施实例的燃料电池组中单池放电曲线。

具体实施方式

本发明通过下面的具体说明，进一步描述本发明的制作过程和其使用方法以及所取得的效果。

请结合图1A和图1B，为本发明的波浪状流场分配板10的制作过程，本发明采用的金属板可以为不锈钢、钛或钛合金、银、铌等导电性良好的材料，而本实施例采用的是薄不锈钢板：在薄不锈钢板11上采用冲压方法打成直径为0.4mm的圆孔，然后利用冲压的方法形成凸起12，每个凸起的表面存在一个圆孔13。凸起的形状为有圆弧过渡的正方形，每个凸起的方向和周围的凸起方向不一致，而且位置交错。每个凸起的尺寸以及与周围凸起的相对位置具体见附图5，图5中的尺寸单位均为毫米。为了更好地降低流场板与电极之间的接触电阻，在不锈钢板的表面镀一层金。

双极板30的制作可以通过图2方法实现，即在两块流场分配板10中间放置导电的分隔板20。分隔板20在其中主要起分隔氧化剂和还原剂以及收集电流的作用。因此它必须结构致密，可以采用金属板或者碳板。另外，双极板的构成也可以只在其中一侧使用本发明的波浪状流场分配板，而另一侧使用另外形状的流场分配板，例如蛇型流场板等。

结合图3，是双极板30与膜电极三合一40组装成燃料电池单池的分解图示意图。阳极41和阴极43分别放置在质子交换膜42的两侧构成膜电极三合一40，可以采用热压的方法使电极和膜之间紧密接触。

燃料电池的膜电极三合一40的制备过程如下：

阳极多孔扩散电极由支撑层碳纸，扩散层碳粉及催化层PtRu/C(20Wt％Pt，10Wt％Ru，Johnson Mathhey公司)组成，催化层中PtRu总量为2.0mg/cm²，Nafion含量为10Wt％。常规阴极多孔扩散电极由支撑层碳纸，扩散层碳粉及催化层Pt/C(20Wt％，Johnson Mathhey公司)组成，催化层中Pt总量为1.0mg/cm²，聚四氟乙烯含量为20Wt％。电极的表面喷涂一层Nafion，含量为1.0mg/cm²。实验采用Nafion117膜作为电解质。Nafion膜在使用之前进行预处理，以去除膜表面的有机物和金属离子。处理过程如下：将一定尺寸的Nafion117膜依次在3-5％H₂O₂，二次蒸馏水，0.5MH₂SO₄溶液，二次蒸馏水中处理1小时，处理温度是80℃。处理之后的Nafion117膜放在二次蒸馏水中备用。将甲醇阳极和氧阴极的催化层面向Nafion117膜，在150kg/cm²压力和130℃温度下热压90秒，制成膜-电极三合一(MEA)。

双极板30和膜电极三合一40的交替排列就构成了电池组50，如图4所示。将上述双极板30和膜电极三合一40交替放置组装成含有6片膜电极三合一的电池组。燃料(比如甲醇)从双极板30的一侧进入燃料电池的阳极，燃料的分配即通过本发明所提到的流场分配板10进行的，燃料反应后的产物也通过分配板10带走。在电池的阴极氧化剂例如氧气通过流场分配板10到达电极表面发生电化学还原反应，生成的水和未反应的气体排出电池。电池两边的端板51分别是电池的正极和负极。

电池组的工作条件如下：

电池温度：75℃，氧气压力：0.2Mpa，甲醇溶液的浓度：1.0mol/L，甲醇溶液的流量：5.0mL/min，氧气流量：150mL/min。

从图6中可以看出电池组的每节单池的极化曲线都非常接近，说明无论是甲醇还是氧气在这种波浪状的流场板上的分配都非常均匀，避免了流体流动的短路现象，并且及时排出了反应生成的物质。电池组在电流为5A时，功率达到10W以上。

为了考察电池组的稳定性，电池组经过连续恒电流放电20小时，电压未见明显衰减。

电池组中各单池的电压电流曲线见图6。

经过具体描述，可以看出本发明的效果：

1、在一层薄金属板上经过冲压形成波浪状金属板，波浪状金属板上每个凸起与相邻的凸起的方向不一致，而且位置交错。使燃料和氧化剂在电极表面上的分布更加均匀，避免了流体流动的短路问题。

2、凸起的形状可以是圆弧形、梯形、方形、多边形等。

3、凸起表面是一个平台，用来接触电极达到收集电流的目的；平台上可以开孔或者无孔。

4、改善了各单体电池的均匀性。

5、电池组的性能得到了明显提高。

Claims

1、一种用于质子交换膜燃料电池的流场分配板，由薄金属板冲压加工而成，其特征在于：先在薄金属板上打孔，然后冲压使其形成复数个凸起，该凸起表面为一平台；每个凸起的方向和邻近的凸起方向相互垂直，且位置交错，形成波浪状流场分配板。

2、如权利要求1所述的流场分配板，其特征在于，所述每一个凸起表面上有一个孔。

3、如权利要求1所述的流场分配板，其特征在于，所述孔的形状为圆形、三角形或多边形。

4、如权利要求1所述的流场分配板，其特征在于，所述凸起的形状为有圆弧过渡的正方形、S形、梯形、多边形或其组合。

5、如权利要求1所述的流场分配板，其特征在于，所述金属板为不锈钢板、钛板、银板、铌板或者上述材料的合金板以及其它良导体。

6、如权利要求1或5所述的流场分配板，其特征在于，所述金属板其表面镀有一层金、钛或钛合金镀层。

7、如权利要求2或3所述的流场分配板，其特征在于，所述金属板上的孔采用冲压、激光或高能射线方法制成。