一種高效燃料電池導流雙極板的製作方法
2023-04-27 15:24:56 3
專利名稱：一種高效燃料電池導流雙極板的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及燃料電池，尤其涉及一種高效燃料電池導流雙極板。
背景技術：
電化學燃料電池是一種能夠將氫及氧化劑轉化成電能及反應產物的裝置。該裝置的內部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細小分散的引發電化學反應的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導電物體將發生電化學發應過程中生成的電子，通過外電路引出，構成電流迴路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，並在催化劑表面上發生電化學反應，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質子交換膜，到達膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，並在催化劑表面上發生電化學反應得到電子，形成負離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發生反應，形成反應產物。
在採用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區的催化電化學反應就產生了氫正離子(或叫質子)。質子交換膜幫助氫正離子從陽極區遷移到陰極區。除此之外，質子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產生爆發式反應。
在陰極區，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負離子，並與陽極區遷移過來的氫正離子反應，生成反應產物水。在採用氫氣、空氣(氧氣)的質子交換膜燃料電池中，陽極反應與陰極反應可以用以下方程式表達陽極反應
陰極反應在典型的質子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導電的極板中間，每塊導膜電極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、衝壓或機械銑刻，形成至少一條以上的導流槽。這些導膜電極板可以上金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導膜電極板上的導流孔道與導流槽分別將燃料和氧化劑導入膜電極兩邊的陽極區與陰極區。在一個質子交換膜燃料電池單電池的構造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導流板與陰極氧化劑的導流板。這些導流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導流板上的導流槽又作為燃料與氧化劑進入陽極、陰極表面的通道，並作為帶走燃料電池運行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通常可通過直疊的方式串聯成電池組或通過平鋪的方式聯成電池組。在直疊、串聯式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過前端板、後端板及拉杆緊固在一起成為一體。
一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導流進口和導流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經重整後得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內冷卻通道中，將燃料電池內氫、氧電化學放熱反應生成的熱吸收並帶出電池組進行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應的導流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
質子交換膜燃料電池的用途十分廣泛，可以用作一切車、船等運載工具的動力系統，也可以作為發電系統用作地面固定式的發電站、可移動電源等。
質子交換膜燃料電池中的導流板是構成燃料電池堆的最關鍵的部件之一。燃料電池導流雙極板一般由二塊板組合而成，這二塊板功能分別是導空氣槽面、導氫氣槽面，並且組合後二塊板之間構成導冷卻流體。例如冷卻流體的夾套光板面與導冷卻流體的槽面，以及六隻導流孔(空氣進、空氣出；氫氣進、氫氣出；冷卻流體進、冷卻流體出)組成。例如US Patent 5,521,018所述的圖1、圖2、圖3，在圖1中，包括氫氣槽1′、導氫氣孔2′、密封槽3′、導流板4′、導空氣流孔5′、導冷卻流孔6′，圖2為導空氣槽面或導氫氣槽面的反面光板與導流孔圖，圖3為導空氣槽面或導氫氣槽面的反面導冷卻流體的流場與導流孔圖；這樣由一塊正面導空氣槽面，反面為光板面；及由一塊正面導氫氣槽面，反面為導冷卻流體槽面；或者由一塊正面為導氫氣槽面，反面為光板面；及由一塊正面導空氣槽面，反面為導冷卻流體槽面二塊板組成一塊雙極板。這種雙極板的特點(1)由二塊板組合而成；(2)二塊板中間為導冷卻流體。這樣的組合雙極板有以下技術缺陷1.二塊板中一塊是光板面，但與光板面對應的一塊必須有密封槽，並且放置密封圈，組合後可以將冷卻流體流動限制在冷卻夾板槽內，使冷卻流體不竄流到空氣、氫氣孔道內，也不向燃料電池堆外面洩露。這種密封難度較大，增加了燃料電池工程的設計與製造的難度。
2.二塊板組合成雙極板的技術，必須保證每塊板的機械強度，也就是說必須保證每塊板的厚度，這樣嚴重的增加了整塊雙極板的厚度減薄的難度，使燃料電池堆的重量與體積比功率嚴重的受到限制。
目前有歐洲專利EP1009051技術，將這二塊板進行膠粘，這樣可以基本克服上述技術缺陷。但該專利必須採用導電膠，將組合的二塊板整個表面均勻塗上導電膠，並在一定的溫度與壓力下進行膠接，使之成為一塊雙極板，這種技術的缺陷是高導電率的導電膠往往粘接效果不佳，而低導電率的導膠在二塊組合的對應面上塗上後，會嚴重影響雙極板的導電功能，導致燃料電池堆內阻很大；另外，導電膠的均勻塗布技術也有一定的難度。
實用新型內容本實用新型的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種導電效率高、機械強度大、成本低的高效燃料電池導流雙極板。
本實用新型的目的可以通過以下技術方案來實現一種高效燃料電池導流雙極板，該雙極板由導空氣流板與導氫氣流板組合而成，所述的導空氣流板包括正面設置導空氣流槽，反面設置導冷卻流體槽或為光面，所述的導氫氣流板包括正面設置導氫氣流槽，反面也設置導冷卻流體槽或為光面，所述的導空氣流板及導氫氣流板均設有導空氣孔、導氫氣孔以及導冷卻流體孔；其特徵在於，所述的導空氣流板反面的導冷卻流體槽或光面四周設有淺寬型密封槽，所述的導氫氣流板反面的導冷卻流體槽或光面四周設有與上述導空氣流板反面對應的淺寬型密封槽，所述的淺寬型密封槽內設有膠粘劑，所述的導空氣流板與導氫氣流板壓合後，膠粘劑恰好充滿密封槽，二塊板之間為零間隙貼合。
所述的膠粘劑可以選自環氧膠、矽密封膠、固體帶狀膠中的一種。
所述的導空氣流板或導氫氣流板可以選自薄型石墨板或金屬板。
本實用新型由於採用了以上技術方案，即是在二塊待組合板對應面的一面或二面都加工上一條較淺、較寬的密封槽，然後在密封槽上用機械手均勻塗上一條厚度大於密封槽深度，但寬度比密封槽榨的膠粘劑，如環氧膠、矽密封膠、固體帶狀膠等，當二塊板組合後，在一定的溫度、壓力下壓合，使二塊板上的膠粘劑在一塊或二塊板上的密封槽上恰好鋪開，並將二塊板粘接在一起，二塊板之間的接觸是零間隙；因此具有以下特點(1)二塊板組合膠接的膠粘劑不需要導電膠，而是用便宜的而且膠接效果非常好的膠粘劑，如環氧膠、矽密封膠、固體帶狀膠等。
(2)二塊板組合膠接後的膠粘劑充滿整條密封槽，但不會鋪到板面上，二塊組合板之間的間隙為零，不影響雙極板的良好導電率。
(3)二塊待組合的板都可以用很薄的一次成型的石墨材質的模壓板或金屬板，膠接後的雙極板機械強度大大增加，可以大大提高燃料電池堆的體積與重量比功率密度。
圖1為導空氣槽面或導氫氣槽面以及導流孔的結構示意圖；圖2為導空氣槽面或導氫氣槽面的反面光板以及導流孔的結構示意圖；圖3為導空氣槽面或導氫氣槽面的反面導冷卻流體的流場以及導流孔的結構示意圖；圖4為本實用新型雙極板導氫氣槽面的結構示意圖；
圖5為本實用新型雙極板導氫氣槽面的反面結構示意圖；圖6為本實用新型雙極板導空氣槽面的結構示意圖；圖7為本實用新型雙極板導空氣槽面的反面結構示意圖。
具體實施方式
下面將結合附圖及具體實施例，對本實用新型作進一步說明。
本實施例是一種高效燃料電池導流雙極板，如圖4、圖5所示，它是由二塊待組合的石墨材質板構成，石墨板尺寸是100×200×1mm。
如圖4，該圖為待組合的導氫氣流板11正面氫氣槽面的結構示意圖，圖中所示的1a、1b為進、出導氫氣孔，2a、2b為導冷卻流體孔，3a、3b為進、出導空氣孔，在進、出導氫氣孔1a、1b之間設有導氫氣流槽4，在上述槽孔周邊設有密封槽5；如圖5，該圖為待組合的導氫氣流板反面光面的結構示意圖，圖中所示的6為鋪放膠粘劑的密封槽，該密封槽寬度為15mm，深度為0.5mm，分別用機械手塗上膠粘劑，該膠粘劑使用環氧膠，該環氧膠寬度為10mm，高度為0.75mm，該面還設有與其正面相應的導氫氣流孔、導冷卻流體孔、導空氣流孔。
如圖6，該圖為待組合的導空氣流板12正面空氣槽面的結構示意圖，圖中所示的1a、1b為進、出導氫氣孔，2a、2b為導冷卻流體孔，3a、3b為進、出導空氣孔，在進、出導空氣孔3a、3b之間設有導空氣流槽7，在上述槽孔周邊設有密封槽8；如圖7，該圖為待組合的導空氣流板反面導冷卻流體槽的結構示意圖，圖中所示的9為鋪放膠粘劑的密封槽，該密封槽寬度為15mm，深度為0.5mm，分別用機械手塗上膠粘劑，該膠粘劑使用環氧膠，該環氧膠寬度為10mm，高度為0.75mm，圖中所示的10為設在導冷卻流體孔2a、2b之間的導冷卻流體槽，該面還設有與其正面相應的導氫氣流孔、導冷卻流體孔、導空氣流孔。
將上述導氫氣流板11的反面與導空氣流板12的反面在120℃，0.1MPa下壓合，其膠粘劑恰好鋪滿密封槽異固化膠合在一起，二塊板之間為零間隙貼合，形成一塊導流雙極板。
權利要求1.一種高效燃料電池導流雙極板，該雙極板由導空氣流板與導氫氣流板組合而成，所述的導空氣流板包括正面設置導空氣流槽，反面設置導冷卻流體槽或為光面，所述的導氫氣流板包括正面設置導氫氣流槽，反面也設置導冷卻流體槽或為光面，所述的導空氣流板及導氫氣流板均設有導空氣孔、導氫氣孔以及導冷卻流體孔；其特徵在於，所述的導空氣流板反面的導冷卻流體槽或光面四周設有淺寬型密封槽，所述的導氫氣流板反面的導冷卻流體槽或光面四周設有與上述導空氣流板反面對應的淺寬型密封槽，所述的淺寬型密封槽內設有膠粘劑，所述的導空氣流板與導氫氣流板壓合後，膠粘劑恰好充滿密封槽，二塊板之間為零間隙貼合。
2.根據權利要求1所述的高效燃料電池導流雙極板，其特徵在於，所述的膠粘劑可以選自環氧膠、矽密封膠、固體帶狀膠中的一種。
3.根據權利要求1所述的高效燃料電池導流雙極板，其特徵在於，所述的導空氣流板或導氫氣流板可以選自薄型石墨板或金屬板。
專利摘要本實用新型涉及一種高效燃料電池導流雙極板，該雙極板由導空氣流板與導氫氣流板組合而成，所述的導空氣流板反面的導冷卻流體槽或光面四周設有淺寬型密封槽，所述的導氫氣流板反面的導冷卻流體槽或光面四周設有與上述導空氣流板反面對應的淺寬型密封槽，所述的淺寬型密封槽內設有膠粘劑，所述的導空氣流板與導氫氣流板壓合後，膠粘劑恰好充滿密封槽，二塊板之間為零間隙貼合。與現有技術相比，本實用新型具有導電效率高、機械強度大、成本低等優點。
文檔編號H01M4/86GK2624412SQ0323186
公開日2004年7月7日 申請日期2003年6月4日 優先權日2003年6月4日
發明者胡裡清, 李拯, 夏建偉 申請人:上海神力科技有限公司