CN2938429Y - 一种双极板和包括该双极板的燃料电池 - Google Patents

Abstract

一种双极板，该双极板包括阳极流道(10)、阴极流道(11)、阳极复合层(3)、阴极复合层(4)和金属板(1)，金属板(1)在阳极复合层(3)和阴极复合层(4)之间，其中，金属板(1)为具有阳极流道(10)和阴极流道(11)的金属板，阳极复合层(3)和阴极复合层(4)分别随阳极流道(10)和阴极流道(11)的走势附着在金属板(1)的两侧。本实用新型提供的双极板制作工艺简单，双极板的厚度可以做的很薄，从而大大降低了电池的重量。

Description

一种双极板和包括该双极板的燃料电池

技术领域

本实用新型涉及燃料电池，尤其涉及一种双极板和包括该双极板的燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种环保、高效的能源转换装置，能把燃料和氧化剂中的化学能转化为电能，具有功率密度高、常温启动快、无电解液流失、对环境无污染和无噪声等优点。作为理想的可移动电源，燃料电池在民用、军用各个领域均具有广泛的应用。

燃料电池组是由多个单元燃料电池串联或并联组成，以获得所需的电压。单元燃料电池的连接通过采用双极板来实现，同一块双极板的两个侧面，分别与相邻单电池的阴极和阳极接触，同时双极板还起到把燃料送到阳极，和把氧或空气送到阴极的作用。可见，双极板是燃料电池的关键部件，很大程度上影响燃料电池的运行性能。

燃料电池中双极板的工作环境对双极板提出了较高的要求：双极板需要为燃料电池提供机械支撑，要求双极板具有可靠的强度和刚度；双极板需要具有阻隔反应气体的功能，以避免在一块双极板的两侧之间电解和反应物质进行交换；由于燃料电池内部为酸性、氧化性的环境，需要双极板具有较强的抗腐蚀能力；由于需要通过双极板收集电流，需要双极板为电的良导体；为保证电池组温度分布均匀，以及具有良好的散热性能，需要双极板为热的良导体；由于需要在双极板上进行流道设计，双极板要具有良好的可加工性；为适应燃料电池小型化、轻型化的要求，需要双极板的重量尽量小；为减少生产成本，需要双极板价格适度，便于大批量生产。

目前，双极板材料的选择上基本上集中在金属、石墨和复合材料，这三种材料各有优缺点，其中，金属极板具有较好的刚度，可加工性能优异，同时为电和热的良导体，但是抗腐蚀的能力较弱；石墨极板具有较好的抗腐蚀性能，良好的导热和导电性能，但石墨极板的制作成本和加工成本较高；复合材料极板具有很高的抗腐蚀能力，制作工艺成熟，但导电性较差。因此，上述种种缺点都极大地影响燃料电池的性能。

WO03086749公开了一种石墨层状燃料电池板，其中，该电池板包括两个石墨层，中间夹有金属层，在石墨层上模压形成流道，这种电池板的主要缺陷在于：在石墨层上进行模压加工可操作性较差，而且形成的石墨层和金属层粘黏不够牢固，从而影响双极板的使用寿命；在该电池板中，金属板主要起到阻隔反应气体和机械支撑的作用，而没有很好的发挥金属板具有较好的机械加工性能的优点，同时由于流场分布在复合层上，因此双极板的复合层的厚度必须比流场的流道深度更厚，因此，双极板较厚，从而使得燃料电池的重量较重。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服在现有技术的双极板中存在加工制造性较差、双极板较厚的缺陷，而提供一种便于加工制造且厚度较薄的双极板。本实用新型的另一目的是提供一种包括有上述双极板的燃料电池。

本实用新型提供的双极板包括阳极流道、阴极流道、阳极复合层、阴极复合层和金属板，金属板在阳极复合层和阴极复合层之间，其特征在于，金属板为具有阳极流道和阴极流道的金属板，阳极复合层和阴极复合层分别随阳极流道和阴极流道的走势附着在金属板的两侧。

本实用新型提供的燃料电池包括双极板，其中，所述双极板为本实用新型提供的双极板。

按照本实用新型提供的双极板，流道直接形成在阳极复合层和阴极复合层之间的金属板上，而不是像现有技术的双极板中那样分布在复合层上，加上金属板具有极好的机械加工性能，所以，该双极板制作工艺简单，双极板的厚度可以做的很薄，从而大大降低了双极板的厚度。此外，由于金属板上均匀分布有通孔，阳极复合层和阴极复合层可以通过金属板上的通孔紧密结合在一起，使得复合层更加牢固地附着在金属板两侧的表面上，因而克服了现有技术中复合层和金属板附着不牢固的缺陷。

按照本实用新型提供的燃料电池，由于该燃料电池的双极板为本实用新型提供的双极板，且该双极板厚度较薄，因而制成的燃料电池的重量较轻。

附图说明

图1是本实用新型提供的双极板的示意图；

图2是图1中双极板的局部截面图；

图3是作为本实用新型提供的双极板中的基板的具有通孔的金属板在机械加工之前的示意图；

图4是机械加工后形成有流道的图3中金属板的局部示意图；

图5是以图4中的金属板作为基板的双极板的局部截面图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实用新型提供的双极板包括阳极流道10、阴极流道11、阳极复合层3、阴极复合层4和金属板1，金属板1在阳极复合层3和阴极复合层4之间，其中，金属板1为具有阳极流道10和阴极流道11的金属板，阳极复合层3和阴极复合层4分别随阳极流道10和阴极流道11的走势附着在金属板1的两侧。

如图2所示，双极板中的金属板1具有阳极流道10和阴极流道11，且阳极流道10和阴极流道11分别位于金属板1的两侧。优选情况下，所述阳极流道10和阴极流道11交错分布，这样可以避免两面的阳极流道10和阴极流道11互相重合带来的不利因素，充分利用金属板1的厚度，使双极板做的较薄。

可以采用常规的方法在金属板1的两面形成阳极流道10和阴极流道11，如采用机械切削加工或冲压。优选地，选用采用加工制造较为简便的冲压方法，以形成阳极流道10和阴极流道11。流道的加工方法为本领域普通技术人员所公知，在此不再详细描述。

金属板1的作用为隔绝反应气以及机械支撑，因而金属板的厚度能起到机械支撑作用即可，而阳极复合层3和阴极复合层4的作用为保护金属板1以及传导电流，附着在金属板1上即可。优选地，金属板1的厚度与阳极复合层3或阴极复合层4的厚度之间的比值为0.5-3，更优选地，该比值为1。

金属板1的厚度为0.1-2毫米，优选为0.5毫米，以在尽量将双极板做薄的同时保持金属板1具有足够的机械强度。金属板1的尺寸根据制作的燃料电池的性能参数来确定，为本领域普通技术人员所熟知，不再详细描述。

金属板1的材料可以是任意导电的金属材料，比如铝、钛、铜、铁、银、金等，可以是这些材料中的一种或者两种及两种以上的合金，也可以是不锈钢等，优选使用成本较低、导电性能好以及机械性能较好的铝、铜或不锈钢，为本领域普通技术人员所熟知。

阳极复合层3和阴极复合层4分别附着在金属板1的两侧，其中，阳极复合层3附着在阳极流道10所在的一侧，阴极复合层4附着在阴极流道11所在的一侧。由图2可知，阳极复合层3和阴极复合层4分别随阳极流道10和阴极流道11的走势而变化，从而各自具有均匀的厚度。

阳极复合层3和阴极复合层4的厚度可以相同或不相同。其中，阳极复合层3的厚度为0.1-1毫米，优选为0.5毫米；阴极复合层4的厚度为0.1-1毫米。优选地，阳极复合层3和阴极复合层4具有相同的厚度，以便于制造。

阳极复合层3和阴极复合层4可以采用现有的复合双极板中采用的复合材料，可以相同或不相同，例如，阳极复合层3和阴极复合层4可以是导电聚合物塑料层、金属氧化物层或石墨层。优选地，选用石墨材料，以保证阳极复合层3和阴极复合层4具有较好的导电性。

阳极复合层3和阴极复合层4可以通过多种方法制成，例如：注塑、喷涂和模压等。由于金属板1与阳极复合层3和阴极复合层4的材料不同，因而，为使复合层牢固地附着在金属板1上，优选采用模压方法，在金属板1上模压形成阳极复合层3和阴极复合层4。

阳极流道10和阴极流道11可以是现有双极板应用的任何形式的流道，比如平行流道、蛇形流道以及交叉流道。优选地，阳极流道10和阴极流道11具有相同的流道结构，以便于加工制造。

阳极流道10和阴极流道11的深度和宽度根据所需制造的燃料电池的性能参数来确定。流道的加工以不影响金属板1的机械强度为限。阳极流道10的深度为1-3毫米，宽度为1-3毫米；阴极流道11的深度为1-3毫米，宽度为1-3毫米。优选地，阳极流道10的尺寸和阴极流道11的尺寸相同，更优选地，阳极流道10和阴极流道11的深度等于各自的宽度。

此外，双极板还具有其他必备的部件，例如气体进、出口(未示出)。气体进、出口设置在双极板的边缘，以便于通入反应气，并将反应尾气排出。关于气体进、出口的结构和功能为本领域普通技术人员所熟知，在此不再赘述。

在优选的情况下，如图3、图4和图5所示，所述金属板1还包括通孔2，阳极复合层3和阴极复合层4通过所述通孔2结合为一体。

优选地，通孔2为多个，且均匀分布在金属板1上，从而使阳极复合层3和阴极复合层4更加牢固地附着在金属板1的两侧表面。

通孔2的直径不能太大，以免影响金属板1的机械强度，特别是对于冲压形成的流道来说，通孔2可能分别在阳极流道10或阴极流道11的侧壁上。如果通孔2的直径过大，在阳极流道10和阴极流道11侧壁和底部之间的拐角处极有可能形成有通孔2，由于拐角的存在，使得该位置上形成的阳极复合层3和阴极复合层4的强度下降。优选地，通孔2直径为阳极流道10或阴极流道11的深度的30％-70％，优选为50％。

通孔2在金属板1上均匀分布。各个通孔2之间的间距为通孔2直径的1-5倍，优选为孔2直径的3倍。

本实用新型提供的双极板可以通过如下方法制备：

①根据所需生产的燃料电池的生产规模以及技术参数，确定金属板1的尺寸、材料，如果金属板上有孔，可以直接选择带有孔的金属板材；

②将所选的金属板1进行冲压加工，以在金属板1上形成所需的流道；

③对冲压成型的金属板1进行模压，使复合材料均匀紧贴金属板1，分别形成阳极复合层和阴极复合层，如果金属板1具有通孔，金属板1两侧的阳极复合层和阴极复合层通过通孔2结合为一体；

④模压结束后，取出制成的双极板，继续固化，得到本实用新型所提供的双极板。

本实用新型提供的燃料电池包括双极板，其中，所述双极板为本实用新型提供的双极板。

本实用新型提供的燃料电池包括膜电极、密封圈和上述流场板。其中，膜电极是燃料电池的核心部分，膜电极作为电解质提供氢离子的通道，又作为隔膜隔离两极反应气，膜电极两侧为本实用新型提供的双极板，即双极板之间夹有膜电极，双极板分别为燃料电池的阴极和阳极提供反应气以及采集电流，密封圈将膜电极和所述双极板密封起来，以和外界隔绝。多个燃料电池串联或并联，组成电池组。关于燃料电池的组成和连接为本领域普通技术人员所熟知，在此不再赘述。

下面通过实施例对本实用新型做进一步地说明。

实施例1

本实施例说明本实用新型提供的双极板。

金属板1为0.4毫米的#304不锈钢板，尺寸大小为6×6cm。

如图3所示，在金属板1上打通孔2，通孔2的直径为1毫米，通孔之间的间距为1毫米。

在冲压机上进行冲压加工，制成流道，该流道包括阳极流道10和阴极流道11，深度均为2毫米，宽度均为2毫米，通孔2在金属板1上均匀分布。

在模具中填入膨胀石墨蠕虫，将冲压好的不锈钢板置于模具中，合模。在温度为100℃，压力为80MPa下进行压模，成型时间为30分钟，形成双极板，其中，阳极复合层3和阴极复合层4均为石墨层，厚度均为0.5毫米，阳极复合层3和阴极复合层4通过通孔2结合为一体，从而将金属板1包裹。

取出制品后，在60℃-80℃下，继续固化20小时，即制得本实用新型提供的双极板，其中，流道的深度和宽度均为1毫米。

在本实施例中的燃料电池中，流道形成在不锈钢板上，而不锈钢板具有较好的延展性，从而可以通过冲压进行流道的加工，因而制造简单；同时不锈钢板较薄，而且复合层均匀附着在不锈钢板上，从而使得双极板较薄，因而制造的燃料电池重量较轻。

实施例2

本实施例说明本实用新型提供的双极板。

金属板1为铝板，厚度为0.3毫米，尺寸大小为6×6cm。

在该铝板上打通孔2，通孔2的分布如图3所示，通孔2的直径为1毫米，通孔2之间的间距为1毫米。

在冲压机上进行冲压加工，制成蛇形流道，该流道包括阳极流道10和阴极流道11，深度均为2毫米，宽度均为2毫米，通孔2在金属板1上均匀分布。

在模具中填入石墨粉料，该石墨粉料由石墨粉和热塑性树脂按照4∶1的比例制备，将冲压好的铝板置于模具中，合模。在温度为130℃，压力为20MPa下进行压模，成型时间为10分钟，形成双极板，其中，阳极复合层3和阴极复合层4的厚度均为0.5毫米，阳极复合层3和阴极复合层4通过通孔2结合为一体，将铝板紧紧包裹。

取出制品后，在80℃-120℃下，继续固化10小时，即制得本实用新型提供的具有蛇形流道的双极板，其中，流道的深度和宽度为1毫米。

在本实施例中的燃料电池中，流道形成在铝板上，铝板具有较好的延展性，从而可以通过冲压进行流道的加工，因而制造简单；同时铝板可以较薄，而且复合层均匀附着在铝板上，从而使得制得的双极板较薄，因而制造的燃料电池重量较轻。

Claims (11)

1.一种双极板，该双极板包括阳极流道(10)、阴极流道(11)、阳极复合层(3)、阴极复合层(4)和金属板(1)，金属板(1)在阳极复合层(3)和阴极复合层(4)之间，其特征在于，金属板(1)为具有阳极流道(10)和阴极流道(11)的金属板，阳极复合层(3)和阴极复合层(4)分别随阳极流道(10)和阴极流道(11)的走势附着在金属板(1)的两侧。

2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述阳极流道(10)和阴极流道(11)在金属板(1)的两侧交错分布。

3.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，阳极复合层(3)和阴极复合层(4)各自具有均匀的厚度。

4.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，金属板(1)的厚度与阳极复合层(3)或阴极复合层(4)的厚度之间的比值为0.5-3。

5.根据权利要求1、3或4所述的双极板，其特征在于，阳极复合层(3)和阴极复合层(4)的厚度均在0.1-1毫米范围内。

6.根据权利要求1或4所述的双极板，其特征在于，金属板(1)的厚度为0.1-2毫米，所述阳极流道(10)和阴极流道(11)的深度均为1-3毫米，宽度均为1-3毫米。

7.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述金属板(1)还包括通孔(2)，阳极复合层(3)和阴极复合层(4)通过所述通孔(2)结合为一体。

8.根据权利要求7所述的双极板，其特征在于，通孔(2)为多个。

9.根据权利要求8所述的双极板，其特征在于，多个通孔(2)均匀分布在金属板(1)上。

10.根据权利要求7所述的双极板，其特征在于，所述通孔(2)的直径为阳极流道(10)或阴极流道(11)的深度的30％-70％，通孔(2)之间的间距为孔(2)直径的1-5倍。

11.一种燃料电池，该燃料电池包括双极板，其特征在于，所述双极板为权利要求1-10中任意一项所述的双极板。

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