CN200993983Y

CN200993983Y - 一种燃料电池带流场改性金属电极

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Publication number: CN200993983Y
Application number: CNU2006201655849U
Authority: CN
Inventors: 王善理
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-08-04
Filing date: 2005-08-04
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2015-08-04

Abstract

一种燃料电池带流场的改性金属电极，属变化学能为电能的装置。解决现有电极石墨在光刻机上刻槽效率低，成本高以及用压铸石墨导电率降低，影响燃料电池性能的问题。本电极采用电解铜或铜合金或不锈钢材料制作并在电极流场槽中增设分布筋，可按需要在外表面增设镀金层。由此实现用冲压加工流场槽，且电极十分平整、规则、尺寸准确，保证电极与催化剂层准确接触，以利于减小接触电阻；且铜，银，金等电阻值均小。增设的筋不影响导流的通畅。用冲压加工生产效率大大提高。可实现大批量和各种规格的加工。镀金层防腐蚀性强，比用溅射贵金属更加便宜。燃料电池可广泛用于汽车、潜艇、卫星、飞船上。

Description

一种燃料电池带流场改性金属电极

本专利申请是一件分案申请，原案申请号200520035012.4，原案名称‘燃料电池带流场改性金属电极’，原案申请日2005年8月4日。

(一)技术领域：一种燃料电池带流场改性金属电极，属於用于直接变化学能为电能的装置(H01M)类。

(二)背景技术：

燃料电池是一种高效无污染的发电装置，它直接将贮存燃料与氧化剂中的化学能转化为电能。可用作汽车、潜艇、卫星、飞船等的电源。

燃料电池的主要部分和原理如下：见图1，带有气体流动的带流场电极为1(阳极)和7(阴极)；阳极、阴极催化剂层3和5，电解质4，氢为燃料(由阳极进气口2a进入)，空气和纯氧为氧化剂(由阴极进气口6a进入)，气体和水由阳极排气口2b和阴极排气口6b排除。氢气在催化剂作用下发生电极反应(H₂-2H+2e)，产生电子(e)经外电路到达阴极，氢离子经电解质到达阳极，氧气、氢离子和电子在阴极发生反应生成水(1/2O₂+2H+2e----H₂O)，生成的水不稀释电解质，而是通过电极随反应尾气排出。

现有燃料电池按电解质不同，可有如下6种：①.碱性氢氧燃料电池(AFC)。②.再生氢氧燃料电池燃料(RFC)。③熔融碳酸盐燃料电池(NCFC)。④质子交换膜燃料电池(PEMFC)。⑤直接甲醇燃料电池(DMFC)。⑥固定氧化物燃料电池(SOFC)。燃料电池技术新，目前成本高，部件工艺不稳定，要实现商品化，各国科技人员均在研制和改进。1983年加拿大研制成全氟质子磺酸膜(Nafion)，杜邦公司商品化，同时又采用铂/碳催化剂和实现将阴极、阳极和膜热压一体为‘三合一’主件MEA。

带流场电极是燃料电池的关键另件，至今未解决好。最初流场板上导流槽是用石墨板在光刻机上加工，很费时费工，只能在实验室制作，不能用于商业化。加拿大巴拉得公司作出了mank500、mank513、mank700三种型号的双极板，但不能进行批量生产。为了实现批量生产，美国能源部资助国家实验室采用模铸法制备双极板，这种双极板电阻大于石墨，降低了PEMFC的性能。美能源部发展了第二代石墨模铸双极板，电阻值减少了一点，但仍不理想。美国家实验室采用了68％石墨粉与Heteron922乙烯基醚树脂模铸制备的双极板，其效果不如采用改性的不锈钢板。加拿大巴拉得电器公司的专利WO00/1126中提出用膨石墨滚压浮雕，制备带流场双极板，结果胎死复中未能实现。有人提出采用薄金属板制备双极板，遇到的第一个问题是，电极在燃料电池PEMFC工作条件下(即氧化还源气氛、一定电位的弱酸性电解质)的稳定性，即抗腐蚀性的问题。若采用合金钢电极，但是它与上述催化剂层中碳纸接触电阻大。对於采用改性金属板作电极的技术，各国都高度保密，到目前为止，对大量生产、降低成本的问题还没有解决。

(三)发明内容：

本实用新型提出的燃料电池带流场改性金属电极，就是解决上述现有电极的如下两个的问题：①用石墨板在光刻机上加工电极上导流槽费时费工，成本高，不能商业化。②用压铸石墨板电极降低电阻，影响燃料电池的性能。

其技术方案如下：

一种燃料电池带流场改性金属电极，包括流场板，导流槽，进出气、水公用通道，其特征是

A.电极流场板采用电解铜或铜合金材料制作；

B.电极流场板上增设电解铜或铜合金材料制作的筋。

上述带筋的流场板可在外层增加镀金层。上述铜合金可采用铜银合金。

C.电极流场板采用不锈钢材料制作；

D.电极流场板上增设不锈钢材料制作的筋。

上述增设的筋分组分布流场各处，(筋的分布可按电池容量和流场大小确定)。每组筋设在该处一组导流槽中，流道每个转角处需设置一组筋。上述每个筋的宽度b取为1～2mm。上述流场板表面导流槽为蛇形布置的蛇形流场。

本实用新型有益效果：

i.采用的电解铜为纯铜和铜合金(如铜银合金)以及镀金层，其导电率均大，电阻小，可使电极电流小於0.3A。ii.由於铜的加工性好，因此用铜作流场极板可以实现用冲模模压加工(因用石墨冲压便发生碎裂)。一般每副模具加工铜制产品可至少达30万件。又由於在导流槽内设置了筋，便能保证冲压后带流场电极产品几何形状(不变形)和性能；冲压出电极十分平整、规则、尺寸准确，电极能准确地与催化剂层接触，以利于减小接触电阻。iii.由於筋的形状大小和位置的优化设计，在实现用冲压加工同时，也不阻碍导流的流动。iv.用冲模加工，可实现大批量的生产，且可设计各种规格的模具。解决了现有石墨板上刻槽的低效率的问题。v.铜耐腐蚀性比铁好，若电极经镀金，抗腐蚀性增强，改变和优化性能；且采用镀金比真空溅射贵金属更加便宜。vi.带流场金属电极也可增设筋后采用不锈钢材料制作，用冲压加工。vii.总的来看本实用新型是在总结国内外状况下及可行性分折和试验基础上提出的，解决了电阻大、效率低；实现了性能好、成本低、大量生产，进而促进燃料电池向前发展。

(四)附图说明：

图1燃料电池主要部分及原理图

图2图1K向视图(电极平放视图)

图3图2I局部放大图

图4图3A——A剖视图(无筋处)

图5图3 B-B剖视图(有筋处)

(五)具体实施方式：

见图2，燃料电池带流场的电极板采用蛇形流场电极。在流场板9上四周有公用通道8：包括进、出氢气通道8.3、8.2，进、出氧气通道8.1、8.4，以及水流道8.5、8.6。见图2，见图3，图4，电极流场板9上有蛇形布置的导流槽10，流场板上一般流道由2～5个导流槽组成，这里选为5个，流道蛇形布置于流场板9上。

见图3、图5，在流道一处的5个导流槽10内设置的5个筋11.1～11.5为一组筋11，每组筋11可分布设置於蛇形布置的流道行程各处。一般在蛇形每个转角处需设置一组筋11。

见图3，每个导流槽10中每个筋的宽度b一般取为1～2mm。

图5中画出的带筋流场截面为双极板的形状(一般可用於阳极)。若用单极板(一般可用於阴极)则截面形状为1/2，端面线为虚线K-K所示。

整个电极包括蛇形流场板9和增设的多组筋11均采用铜银合金材料制作，也可按电池容量等需要增设镀金层。

整个电极包括蛇形流场板9和增设的多组筋11也可用不锈钢材料制作。

Claims

1.一种燃料电池带流场改性金属电极，包括流场板，导流槽，进出气、水公用通道，其特征是

C.电极流场板采用不锈钢材料制作；

D.电极流场板上增设不锈钢材料制作的筋。

2.按权利要求1所述改性金属电极，其特征是增设的筋分组均布流场各处，每组筋设在该处一组导流槽中，流道每个转角处设置一组筋。

3.按权利要求2所述改性金属电极，其特征是每个筋的宽度b取为1～2mm。

4.按权利要求1所述改性金属电极，其特征是该流场板表面导流槽为蛇形布置的蛇形流场。