基於金屬雙極板的氫電源的製作方法
2023-05-21 13:46:26
基於金屬雙極板的氫電源的製作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種基於金屬雙極板的氫電源，包括：金屬雙極板燃料電池，金屬雙極板燃料電池的電源輸出端與一風機相連，該風機設於所述金屬雙極板燃料電池的陰極流道一側，用於使空氣強制對流通過燃料電池陰極，並供應燃料電池發電所需反應空氣和冷卻空氣，故而簡化了結構，降低了金屬雙極板燃料電池的整體總量，進而提高了能量密度。電源系統能量密度和比能量高，分別可達到650W.h/L和700W.h/kg以上；電源系統結構緊湊、高效可靠；電源系統壽命長，可達到3000小時以上。
【專利說明】基於金屬雙極板的氫電源
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於質子交換膜燃料電池【技術領域】，具體是一種基於金屬雙極板的氫電源。
【背景技術】
[0002]質子交換膜燃料電池(PEMFC)通過電化學反應方式直接將燃料中的化學能轉化為電能，具有高效環保的優勢。PEMFC的工作原理是:燃料氣體和氧氣通過雙極板上的氣體通道分別到達電池的陽極和陰極，通過膜電極組件(MEA)上的擴散層到達催化層。在膜的陽極側，氫氣在陽極催化劑表面上解離為水合質子和電子，水合質子通過質子交換膜上的磺酸基(-SO3H)傳遞到達陰極，而電子則通過外電路流過負載到達陰極。在陰極的催化劑表面，氧分子結合從陽極傳遞過來的水合質子和電子，生成水分子。在這個過程中，質子要攜帶水分子從陽極傳遞到陰極，陰極也生成水，水從陰極排除。由於質子的傳導要依靠水，質子膜的潤溼程度對其導電性有著很大的影響，所以需要對反應氣體進行加溼。燃料電池的單節工作電壓一般為0.6^0.7V，要獲得有用的電壓和高功率，必須將多節單電池串聯形成電堆，滿足大功率使用需求。質子交換膜燃料電池電堆必須在一定的條件下才能發揮好的效率以實現可靠的工作，這些條件包括:控制溫度在80°C以下(冷卻系統)、保持質子交換膜始終處於潤溼狀態(加溼系統)、供給充足的空氣(或氧氣)和氫氣(空氣供給系統和氫氣供給系統)。由於PEMFC工作使用的燃料是易燃易爆氣體(氫氣)，為防止意外事故，還必須配備報警系統和滅火系統。同時，為控制PEMFC的輸入和輸出，以及各系統的協調工作，還必須建立完善的控制系統。因此，所有這些支持系統是PEMFC高效、穩定工作的必要條件。
[0003]中國發明專利CN200610121862.5公布了一種能夠根據負載工作的燃料電池，其需要對空氣進行加溼，同時使用空氣泵，燃料電池系統的重量和成本大大增加。中國發明專利CN86100407公布了一種燃料電池電源系統，包括把碳氫燃料轉化為富氫燃氣的燃料調整裝置和把燃氣轉化為電能的燃料電池組。該電源系統配有重整制氫裝置、熱交換器、鼓風機、冷卻劑循環管路等大型輔機，系統十分複雜。中國發明專利CN200810204755.8公布了一種燃料電池與儲能電池組成的備用電源系統，該系統包括燃料電池和大型儲能電池，造成電源控制複雜、系統成本較高，不易移動應用。
[0004]總之，目前燃料電池系統體積和重量都較大(能量密度不到250W.h/L、比能量不到300W.h/kg)，系統結構複雜，很難可攜式應用。
[0005]連接兩相鄰單電池隔板稱為雙極板，雙極板不但需要向電堆內電極提供反應物和在相鄰兩電極之間傳導電流，而且還擔負著排出電池生成水和反應熱的作用。
[0006]高成本是目前PEMFC難以大規模商業化應用的主要因素，而且較低的重量比功率和體積比功率也是其在移動電源應用方面的一大障礙。雙極板約佔整個質子交換膜燃料電池總重量的70%?80%，成本約佔總成本的40?50%。要降低質子交換膜燃料電池成本和提高輸出功率，除了改進三合一膜電極組件、降低鉬含量或選用鉬的替代金屬外，主要是設法選擇合適的極板材料、流場結構、合理的製備工藝，以降低電池的內阻，提高電池輸出效率，改善電池性能。因此，尋求和設計價廉、質輕、板薄、具有良好的力學性能、高的表面和體積電導率、低透氣性、耐腐蝕材料以及成本較低的製備技術是雙極板發展的目標。
[0007]目前，雙極板主要有碳/石墨雙極板、複合雙極板和金屬雙極板三種類型。金屬雙極板因具有良好的導電、導熱特性、柔韌性和易加工性，已經受到重視和關注。與石墨和複合材料相比，金屬不存在氣密性問題，而且金屬板即使製作很薄也可以保證良好的機械強度，因而可以極大降低電堆體積和重量，同時由於金屬具有較高的熱導率，電堆內部溫度梯度小，也有利於提高電堆內部溫度的均勻性。因此利用金屬薄板例如不鏽鋼板衝壓成型製備雙極板，是近年研究熱點。
[0008]例如中國專利申請201110236288.9公開燃料電池用金屬雙極板，在陰、陽極單極板兩側設有三腔公用管道，中部設直流場流道、分配流道和進出口流道，直流場流道由平行的凸起和溝槽組成，分配流道部分由按規律排布的導流島和反向凸起的支撐點構成。
[0009]中國專利申請200710140168.2公開了一種燃料電池用金屬雙極板，在板狀金屬基片上製備有鈍化金屬層和貴金屬層，金屬雙極板具有至少在面向隔膜電極組件的電極的區域中形成的凹凸部分，金屬雙極板的兩個表面分別具有與所述電極接觸的接觸表面和不與所述電極接觸的非接觸表面。
[0010]中國專利申請201010288870.5公開了一種衝壓成型的燃料電池金屬雙極板，包括第一金屬板和第二金屬板，兩板反面通過雷射焊接。第一金屬板正面設置密封平臺區，兩板在流場流道與各氣體進出口之間設置斷續轉角導流槽，兩板冷卻水進出口周邊區域設長條形凹槽。
[0011]中國專利文獻CN1996647公開的質子交換膜燃料電池薄金屬雙極板，在陰、陽極板間省略冷卻流場，降低了組裝厚度，陰、陽極流場只利用了一側流道，陰極流場既作為反應氣流道也作為冷卻氣流道。
[0012]同時，由於質子交換膜燃料電池處於潮溼、酸性和較高溫度的內部環境，因此金屬雙極板必須通過表面改性技術來提高其表面導電性和耐蝕性。目前常採用的方法包括PVD、CVD、電鍍以及塗層處理。總之，到目前為止還沒有一種金屬雙極板得以大規模應用，金屬雙極板燃料電池電堆的性能、壽命和成本還沒有達到商業化指標。為此，急需開發良好導電性、高耐蝕性和低成本的燃料電池金屬雙極板。
實用新型內容
[0013]本實用新型要解決的技術問題是提供結構簡單、高能量密度的氫電源。
[0014]為解決上述技術問題，本實用新型提供了一種氫電源，包括:金屬雙極板燃料電池，金屬雙極板燃料電池的電源輸出端與一風機相連，該風機設於所述金屬雙極板燃料電池的陰極流道一側，用於使空氣強制對流通過燃料電池陰極，並供應燃料電池發電所需反應空氣和冷卻空氣，故而簡化了結構，降低了金屬雙極板燃料電池的整體總量，進而提高了能量密度。
[0015]優選的方案是:所述風機經DC/DC電路與所述金屬雙極板燃料電池的電源輸出端相連，風機為軸流風扇。
[0016]進一步優選的方案是:所述金屬雙極板燃料電池的進氣口依次經一常閉型電控閥、減壓閥與氫源相連，金屬雙極板燃料電池的排氣口上設有常開型電控閥；氫源釋放的氫氣經過常閉型電控閥後進入金屬雙極板燃料電池，最後通過常開型電控閥排出；風機、常閉型電控閥和常開型電控閥與一控制器相連；控制器還與一用於測量金屬雙極板燃料電池溫度的溫度傳感器相連；控制器根據測得的溫度控制風機的轉速。
[0017]進一步優選的方案是:所述金屬雙極板燃料電池的電源輸出端經充電電路與一電池相連，該電池與所述風機、常閉型電控閥、常開型電控閥和控制器相連。
[0018]本實用新型的氫電源的生產方法包括金屬雙極板的製備工藝，其包括:
[0019]I)、採用鈦基金屬製成雙極板；
[0020]2)、將上述雙極板(優選在純氧環境下)加熱至200°C飛00°C，以在雙極板表面上製備一層Ti02 ；
[0021]3)、將上述雙極板在惰性氣體(例如N2、氬氣等)氣氛中加熱到50(Tll00°C時，通入氫氣和碳氫燃料的混合氣體，使Ti02層轉變為TiC層。其中，保溫至少0.5h。
[0022]所述鈦基金屬為鈦材或鈦合金金屬皮(進一步優選，該金屬皮厚度為0.03、.1mm,其製成的雙極板的整體厚度為lmnT4mm)。採用鈦基金屬製成所述雙極板的製備工藝包括:I)將鈦材或鈦合金金屬皮通過壓印方法製備供反應氣體分布的平行流道，形成單極板。平行流道從極板的一端到另一端貫通，極板上無密封槽；2)將一片鈦材或鈦合金皮與上述帶有流場的單極板通過點焊方法製備成雙極板，或上述兩片單極板通過點焊方法製備成雙極板。
[0023]所述雙極板表面上的高導電性和耐蝕性的碳化鈦(TiC)層的厚度為1?50μπι，腐蝕電流低於I U A/cm2,面比電阻低於10 Ω.cm2,氫氣滲透係數小於2 X 106cm3/ (sec.cm2.Pa)。
[0024]本實用新型具有以下顯著的特點和突出的優勢:(1)本實用新型中，電源系統能量密度和比能量高，分別可達到650W.h/L和700W.h/kg以上；電源系統結構緊湊、高效可靠；電源系統壽命長，可達到3000小時以上。金屬雙極板燃料電池利用氫氣和陰極流道內的自然空氣產生電能，經過DC/DC穩壓後供給軸流風扇、尾氣電控閥(常開型)和鋰離子電池，軸流風扇在燃料電池供電下使空氣強制對流通過燃料電池陰極，供應燃料電池發電所需反應空氣和冷卻空氣。在燃料電池工作中，控制器對軸流風扇、電控閥等進行有效控制，使燃料電池穩定可靠發電。軸流風扇的轉速與電堆運行溫度存在控制邏輯關係，尾氣電控閥(常開型)按一定周期脈衝排放尾氣，在遇到緊急情況下，進氣電控閥關閉。在本實用新型氫電源中，設有一塊微型鋰離子電池，其作用是為控制器和進氣電控閥提供電能，由燃料電池進行充電。負載所需電能僅由燃料電池提供。(2) TiC層採用低成本的表面原位氧化還原改性直接製備而成。首先在鈦基體表面上直接獲得TiQ層，在燃料氣體碳化過程中，碳原子與T12的反應形成較緻密的TiC層，該層與鈦基體形成化學鍵，屬一體化結構，結合力強(其結合力強於如專利文獻CN101604756A中公開的TiC層)。本實用新型的TiC層生成方案，成本較低，環保(無排放、無廢渣)，使用壽命較長(可達至少5000小時，傳統金屬雙極板的使用壽命為短於2000小時)，鈦基體表面先後生成的T12層、TiC層採用〃 一鍋法」實現，工藝簡單、成本低廉，可批量生產。本實用新型的表面改性技術在保證金屬雙極板機械性能的情況下，可以顯著地提高金屬雙極板的耐蝕性。本實用新型有利於促進質子交換膜燃料電池金屬雙極板的廣泛應用。本實用新型金屬雙極板組成的電堆採用低壓空氣作為氧化劑和冷卻劑，可使用軸流風扇供給低壓空氣，無需空氣壓縮機供給高壓氣體，也無需水冷系統，使得燃料電池發電系統大大簡化，並降低了發電系統成本。而且金屬雙極板採用超薄鈦材或鈦合金材料，雙極板採用貫通的平行通道、無密封槽的新結構，這使得燃料電池電堆發電系統的體積功率密度和比功率大大提高，可高於傳統金屬雙極板一倍之多。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1為本實用新型的氫電源的結構示意圖，其中的附圖標記:1、金屬雙極板燃料電池，2、氫源，3、減壓閥，4、控制器，5、鋰離子電池，6、軸流風扇，7、進氣電磁閥(常閉型)，8、尾氣電磁閥(常開型)，9、DC/DC電路，10、溫度傳感器；
[0026]圖2為燃料電池雙極板性能比較。
【具體實施方式】
[0027]實施例1
[0028]如圖1，一種氫電源包括:金屬雙極板燃料電池1、氫源2、減壓閥3、控制器4、鋰離子電池5、軸流風扇6、進氣電磁閥(常閉型)7、尾氣電磁閥(常開型)8、DC/DC電路9、溫度傳感器10。
[0029]氫源2釋放的氫氣經過減壓閥3減壓、並經過進氣電磁閥(常閉型)7後進入金屬雙極板燃料電池1，最後通過尾氣電磁閥(常開型)8排出。金屬雙極板燃料電池I利用氫氣和陰極流道內的自然空氣產生電能，經過DC/DC電路9穩壓後供給軸流風扇6、尾氣電磁閥(常開型)8和鋰離子電池5，軸流風扇6在燃料電池I供電下使空氣強制對流通過燃料電池陰極，供應燃料電池I發電所需反應空氣和冷卻空氣。
[0030]在燃料電池工作中，控制器4對軸流風扇6、所述的電磁閥等進行有效控制，使燃料電池穩定可靠發電。軸流風扇6的轉速與燃料電池I運行溫度存在控制邏輯關係，尾氣電磁閥(常開型)8按一定周期脈衝排放尾氣，在遇到緊急情況下，進氣電磁閥7關閉。在本實用新型氫電源中，設有一塊微型鋰離子電池5，其作用是為控制器4和進氣電磁閥7提供電能，由燃料電池I進行充電。負載所需電能僅由燃料電池I提供。
[0031]其控制方法為:採用溫度傳感器10對金屬雙極板燃料電池I的溫度信號進行檢測和並對軸流風扇6風葉轉速自動控制。當金屬雙極板燃料電池I工作溫度 45°C度時，軸流風扇6轉速達到最大值；當金屬雙極板燃料電池I工作溫度超過60°C度時，控制器4開始報警；當金屬雙極板燃料電池I工作溫度>65°C度時，控制器4通過進氣電磁閥7中斷氫氣供應，使金屬雙極板燃料電池I停止工作。
[0032]本實用新型所述高能量密度的氫電源採用金屬雙極板燃料電池，比功率在700W/kg以上，而不是石墨雙極板燃料電池。傳統石墨雙極板燃料電池具有較低的重量比功率和體積比功率，是其在移動電源應用方面的一大障礙。而金屬雙極板具有價廉、質輕、板薄、具有良好的力學性能、高的表面和體積電導率優勢，使燃料電池重量比功率和估積比功率大大提升，特別適合於可攜式應用。本實用新型所述氫源指液氫、碳纖維增強型高壓儲氫或現場制氫如硼氫化鈉、氫化I丐、氫化鎂的水解制氫，儲氫質量比為5%以上。
[0033]實施例2
[0034]—種實施例1所述的氫電源，其中，所述金屬雙極板燃料電池的金屬雙極板的製備工藝，包括:1)將鈦皮(純鈦皮)通過壓印方法製備供反應氣體分布的平行流道，形成單極板。平行流道從極板的一端到另一端貫通，極板上無密封槽；2)將一片鈦材或鈦合金皮與上述帶有流場的單極板通過點焊方法製備成雙極板。3)在雙極板表面上製備一層高導電性和耐蝕性的碳化鈦層,其厚度為I μ m,腐蝕電流為0.9 μ A/cm2，面比電阻為9 Ω.cm2，氫氣滲透係數為1.8 X 16Cm3/ (sec.cm2.Pa)。鈦皮厚度根據需要任意選擇，優選0.03?0.1mm,這樣可使雙極板的整體厚度減小至Imm;進而可以降低燃料電池的整體重量，進而提高其比功率，較薄的鈦皮也利於散熱。
[0035]碳化鈦層採用表面原位氧化還原新工藝製備而成，具體製備工藝為:1)將鈦皮在純氧環境下加熱至3003夥TC (優選400°C )，在雙極板表面上製備一層T12,厚度為I^ym ；2)將上述帶有T12層的鈦基金屬雙極板置N2氣氛中加熱到75(T7ft5?°C (優選850°C )，並緩慢通入氫氣和天然氣的混合氣體，進氣摩爾比為H2:天然氣=0.5:99.b?3:97(優選1:100)，保源^ 1.5，使T12層轉變為TiC層。冷卻後即完成製備金屬雙極板成品。
[0036]為比較不同雙極板的性能，分別採用51片本實用新型的方法製成的金屬雙極板、與51片未經處理的鈦金屬雙極板和51片石墨雙極板組裝成燃料電池電堆，進行發電實驗，性能對比如圖2所示。從圖中可看出，未經處理的鈦雙極板燃料電池在0.5A/cm2的電壓為0.56V，而經過本實用新型TiC處理的鈦雙極板燃料電池在0.5A/cm2的電壓為0.66V，與石墨板的性能相似。經過300小時長期放電後，未經處理的鈦雙極板燃料電池性能衰減了52mV,而經過本實用新型TiC處理的鈦雙極板燃料電池的電壓衰減為25mV，也與石墨板的性能相似。
[0037]實施例3
[0038]實施例2的基礎上,採用鈦合金皮(鈦合金可分為結構鈦合金和耐熱鈦合金，或α型鈦合金、β型鈦合金和α + β型鈦合金,這些鈦合金中的任意一種都可使用。)作為金屬雙極板基材，其製備工藝為:1)將鈦合金皮通過壓印方法製備供反應氣體分布的平行流道，形成單極板。平行流道從極板的一端到另一端貫通，極板上無密封槽；2)將一片鈦合金皮與上述帶有流場的單極板通過點焊方法製備成雙極板。或上述兩片單極板通過點焊方法製備成雙極板。3)在雙極板表面上製備一層高導電性和耐蝕性的碳化鈦層，其厚度為50 μ m，腐蝕電流為0.5 μ A/cm2,面比電阻為6 Ω.cm2,氫氣滲透係數為I X 106cm3/ (sec.cm2.Pa)。
[0039]作為進一步優選的實施方式，所述鈦合金皮的厚度為0.1mm,相應的雙極板的整體厚度為4_;進而可以降低燃料電池的整體重量，進而提高其比功率，較薄的鈦皮也利於散熱。
[0040]本實用新型上，碳化鈦層採用表面原位氧化還原新工藝製備而成，具體製備工藝為:1)將鈦合金雙極板在純氧環境下加熱至500°C，在雙極板表面上製備一層T12，厚度為30-50 μ m ;2)將上述帶有T12層的鈦合金雙極板置N2氣氛中加熱到800_1050°C，並緩慢通入氫氣和甲烷的混合氣體，進氣摩爾比為H2:甲烷=3:97，保溫2h，冷卻後使T12層轉變為TiC層。即製得本實用新型金屬雙極板。
[0041]採用上述燃料電池構成的電堆發電系統比功率可達500W/kg以上,功率密度可達550W/L 以上。
【權利要求】
1.一種基於金屬雙極板的氫電源，包括:金屬雙極板燃料電池，其特徵在於:金屬雙極板燃料電池的電源輸出端與一風機相連，該風機設於所述金屬雙極板燃料電池的陰極流道一側，用於使空氣強制對流通過燃料電池陰極，並供應燃料電池發電所需反應空氣和冷卻空氣。
2.根據權利要求1所述的基於金屬雙極板的氫電源，其特徵在於:風機經DC/DC電路與所述金屬雙極板燃料電池的電源輸出端相連，風機為軸流風扇。
3.根據權利要求2所述的基於金屬雙極板的氫電源，其特徵在於:該金屬雙極板燃料電池的進氣口依次經一常閉型電控閥、減壓閥與氫源相連，金屬雙極板燃料電池的排氣口上設有常開型電控閥；氫源釋放的氫氣經過常閉型電控閥後進入金屬雙極板燃料電池，最後通過常開型電控閥排出； 風機、常閉型電控閥和常開型電控閥與一控制器相連；控制器還與一用於測量金屬雙極板燃料電池溫度的溫度傳感器相連。
4.根據權利要求3所述的基於金屬雙極板的氫電源，其特徵在於:所述金屬雙極板燃料電池的電源輸出端經充電電路與一電池相連，該電池與所述風機、常閉型電控閥、常開型電控閥和控制器相連。
【文檔編號】H01M8/02GK204011562SQ201420388910
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月14日 優先權日:2014年7月14日
【發明者】朱浩, 朱艾成, 王誠, 劉發喜, 董文超 申請人:江蘇冰城電材股份有限公司