CN1815789A - 一种用于燃料电池的集流母板与端板的复合结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池的集流母板与端板的复合结构，包括集流母板、端板，所述的端板内侧面开有一凹形空间，所述的集流母板镶嵌在该凹形空间内，并且嵌入后的集流母板表面与端板内侧面平齐。与现有技术相比，本发明具有结构紧凑、密封好、成本低等优点。

Description

一种用于燃料电池的集流母板与端板的复合结构

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种用于燃料电池的集流母板与端板的复合结构。

背景技术

电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。

在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。

在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。

在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：

阳极反应：

阴极反应：

在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导流极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导流极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的流体孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。

为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。

一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。

质子交换膜燃料电池既可以用作车、船等运载工具的动力系统，又可用作移动式或固定式发电站。

质子交换膜燃料电池一般由若干个单电池组成，将这些单电池以串联或并联的方式连接起来构成质子交换膜燃料电池堆，将质子交换膜燃料电池堆与其他运行支持系统组合起来构成整个质子交换膜燃料电池发电系统。

如图1是现有质子交换膜燃料电池单电池中的膜电极，它包括空气进气口1a，进水口2a，氢气进气口3a，电极活性区域4a，空气出气口5a，出水口6a，氢气出气口7a；如图2是现有质子交换膜燃料电池单电池中的导流极板，它包括空气进气口1a，进水口2a，氢气进气口3a，流道8a，空气出气口5a，出水口6a，氢气出气口7a；如图3是一种数个单电池以串联方式连接的燃料电池堆，它包括面板9a，第一集流母板10a，电池堆11a，第二集流母板12a，负载13a；质子交换膜燃料电池堆可以由数个单电池串联方式组成，也可以数个单电池串联构成一个单元，再将数个这种单元以并联形式构成如图4的燃料电池堆，该燃料电池堆包括第一集流母板10a，电池堆11a，第二集流母板12a，绝缘板14a；以上图3、图4所指的质子交换膜燃料电池堆都涉及到二块或多块集流母板，分别是燃料电池堆中的正、负或负、正集流母板。这二块集流母板有以下二种功效：

1、将数个串联或并联的燃料电池单电池或整个燃料电池堆的电流引出来，构成导通外电路电流的正、负极；

2、集流母板上也有各种流体道孔，可以让燃料电池各种流体自由通过，如图5，1a、2a、3a、5a、6a、7a是流体孔，15a是电流引出端的耳子，10a是集流母板，所以，集流母板除了二个电流引出端的耳子外大小基本上与燃料电池堆中的导流极板大小相同，上面的流体孔也与导流极板上的导流孔一样大小，以构成整个燃料电池堆的各个导流通道。

目前各种燃料电池堆中的集流母板为了达到以上二种功效，都采用非常特殊的材料，例如，金属金、金属铂或者采用其他金属如不锈钢、铜、铝、镀金、铂的方法。采用这些材料，导电性能非常优良，并且在各种流体通过集流母板时不会发生电化学腐蚀反应而产生对燃料电池危害的金属离子。但这些材料如金、铂等贵金属非常昂贵，在其他金属铜、不锈钢、铝等材料上电镀，价格也较贵，并且不方便。

如果直接采用不锈钢、金属铜、铝材料作为集流母板，在各种流体通过集流母板时会发生电化学腐蚀，则会产生对燃料电池危害的金属离子。

为了克服上述技术缺陷，上海神力科技公司“一种用于燃料电池的高效防腐蚀复合集流母板”(中国专利号为02265853.X)的专利采用了一种价廉、耐腐蚀的集流母板，这种集流母板可以分为多个基本区域：集流母板区域A与区域C上的材料是耐腐蚀非导电材料，例如塑料、环氧树脂板、玻璃等，而区域B上的材料是优良的导电材料，例如铝、铜、锌、钛，区域A、区域C与区域B通过一定的方式粘接在一起，并且可以通过密封材料互相隔离，使各种流体通过区域A与区域C时不会渗漏到区域B，这样区域B可以与空气与水等介质完全隔离、集流导电不发生电化学腐蚀反应，万一发生腐蚀，产生的离子也不会渗漏进入各流体通道而污染燃料电池。这种复合型的集流母板的各区域在厚度上是相等的。

但是，这种高效防腐蚀复合集流母板的技术也有一定的技术缺陷：

1.这种高效防腐蚀复合集流母板是由不同区域的不同材料构成，在制作上比较不方便；

2.在燃料电池堆装配时，假如有燃料氢气、氧化剂空气、冷却流体进、出口在燃料电池堆的前端板或后端板上时，那么燃料电池前、后端板与集流母板之间就应有密封装置，保证让三种进、出流体通过集流母板与端板上的导流孔时，流体不会从集流母板与端板之间泄漏出来，而这种密封装置往往是一种橡胶密封圈，不但麻烦，而且在反复拆装过程中容易老化失效。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构紧凑、密封性好的用于燃料电池的集流母板与端板的复合结构。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于燃料电池的集流母板与端板的复合结构，包括集流母板、端板，其特征在于，所述的端板内侧面开有一凹形空间，所述的集流母板镶嵌在该凹形空间内，并且嵌入后的集流母板表面与端板内侧面平齐。

所述的端板包括前端板、后端板，所述的前端板的非凹形空间位置设有氢气进出孔道、空气进出孔道、冷却水进出孔道。

所述的集流母板设有至少一个从上面或从左和/或右引出的电流引出耳。

所述的电流引出耳上设有至少一个连接孔。

所述的端板内侧面按集流母板的形状尺寸铣挖出一凹形空间，所述的集流母板嵌设在该凹形空间并与端板通过胶粘剂粘接固定，形成集流母板与端板复合体。

所述的集流母板置于模具内，采用浇注成型工艺形成集流母板与端板复合体。

所述的集流母板与端板材料置于模具内，采用模压成型工艺形成集流母板与端板复合体。

所述的端板采用耐腐蚀非导电材料，包括塑料、环氧树脂、陶瓷。

所述的集流母板采用优良的导电材料，包括铝、铜、锌、钛。

所述的导电材料表面还可以镀上一层薄金。

本发明由于采用了以上技术方案，即集流母板采用单一材料(优良的导电材料)制成并镶嵌在端板中，因此它克服了现有技术中集流母板与端板需要密封以及集流母板采用两种材料制作所产生的缺陷。与现有技术相比，本发明具有结构紧凑、密封好、成本低等优点。

附图说明

图1为现有燃料电池单电池中膜电极的结构示意图；

图2为现有燃料电池单电池中导流极板的结构示意图；

图3为现有以串联方式连接的数个单电池构成燃料电池堆的结构示意图；

图4为现有以并联方式连接的数个单电池构成燃料电池堆的结构示意图；

图5为现有集流母板的结构示意图；

图6为本发明一种集流母板与前端板复合的结构示意图；

图7为图6的右视图；

图8为本发明另一种集流母板与前端板复合的结构示意图；

图9为图8的右视图；

图10为本发明一种集流母板与后端板复合的结构示意图；

图11为图10的A-A剖视图；

图12为本发明集流母板与端板的复合结构与数个单电池一起构成燃料电池堆的结构示意图。

在上述附图中，图6～图10的斜线部分表示端板，图11的斜线既表示端板，也作为剖面线。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图6、图7所示，一种用于燃料电池的集流母板与前端板的复合体。该复合体包括一导电活性块1、非导电材料环氧树脂板2，所述的非导电材料环氧树脂板2作为燃料电池堆的前端板，其中空气进孔道21、冷却水进孔道22、氢气进孔道23、空气出孔道25、冷却水出孔道26、氢气出孔道27都设在前端板的上下部分，在前端板中间部分铣挖出一矩形状，大约长20cm，宽10cm，深3mm的凹形空间；所述的导电活性块1作为集流母板，该集流母板长20cm，宽10cm，大约2.9mm厚，恰好可以放进上述凹形空间，并在左、右两端对称设有电流引出耳11，该电流引出耳上设有连接孔111；将集流母板(紫铜材料)涂上环氧胶放进上述凹形空间并在高温80℃固化后再磨平，使端板与集流母板处于同一平面，即可。

另外后端板与集流母板的复合方式与上同，如图10、图11，由前端板与集流母板复合体、数个单电池、后端板2’与集流母板1’复合体一起构成一燃料电池堆，如图12。

实施例2

如图8、图9所示，另一种用于燃料电池的集流母板与前端板的复合体。该复合体包括一导电活性块1、非导电材料环氧树脂板2；该非导电材料环氧树脂板2作为燃料电池堆的前端板，其中空气进孔道21，冷却水进孔道22，氢气进孔道23，空气出孔道25，冷却水出孔道26，氢气出孔道27，都设在前端板(2)的四角上。

所述的复合体是由带二个对称的电流引出耳子11的六角体紫铜板1(即上述导电活性块1)放入一模具中，用环氧树脂浇注后，固化成形，经磨平后，复合体二个部分成为同一平面。其他方面与实施例1相同。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池的集流母板与端板的复合结构，包括集流母板、端板，其特征在于，所述的端板内侧面开有一凹形空间，所述的集流母板镶嵌在该凹形空间内，并且嵌入后的集流母板表面与端板内侧面平齐。

2.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的集流母板与端板的复合结构，其特征在于，所述的端板包括前端板、后端板，所述的前端板的非凹形空间位置设有氢气进出孔道、空气进出孔道、冷却水进出孔道。

3.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的集流母板与端板的复合结构，其特征在于，所述的集流母板设有至少一个从上面或从左和/或右引出的电流引出耳。

4.根据权利要求3所述的一种用于燃料电池的集流母板与端板的复合结构，其特征在于，所述的电流引出耳上设有至少一个连接孔。

5.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的集流母板与端板的复合结构，其特征在于，所述的端板内侧面按集流母板的形状尺寸铣挖出一凹形空间，所述的集流母板嵌设在该凹形空间并与端板通过胶粘剂粘接固定，形成集流母板与端板复合体。

6.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的集流母板与端板的复合结构，其特征在于，所述的集流母板置于模具内，采用浇注成型工艺形成集流母板与端板复合体。

7.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的集流母板与端板的复合结构，其特征在于，所述的集流母板与端板材料置于模具内，采用模压成型工艺形成集流母板与端板复合体。

8.根据权利要求1或5或6或7所述的一种用于燃料电池的集流母板与端板的复合结构，其特征在于，所述的端板采用耐腐蚀非导电材料，包括塑料、环氧树脂、陶瓷。

9.根据权利要求1或5或6或7所述的一种用于燃料电池的集流母板与端板的复合结构，其特征在于，所述的集流母板采用优良的导电材料，包括铝、铜、锌、钛。

10.根据权利要求9所述的一种用于燃料电池的集流母板与端板的复合结构，其特征在于，所述的导电材料表面还可以镀上一层薄金。

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