專利名稱：質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池技術(shù)領(lǐng)域的電池電堆制造方法，具體是一種質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的制造方法。
背景技術(shù)：
以氫氣為原料的燃料電池不是傳統(tǒng)意義上的蓄電池，而是目前世界公認(rèn)的有前途的高效、清潔的新型發(fā)電技術(shù)。本世紀(jì)內(nèi)，它有可能大量替代常規(guī)火力發(fā)電，成為水電、火電、核電之后第四種主要發(fā)電方式。但目前居高不下的制造成本以及較低的功率密度阻礙燃料電池的推廣應(yīng)用。
典型的質(zhì)子交換膜燃料電池主要由雙極板、質(zhì)子交換膜、催化劑等組成。目前，燃料電池每千瓦的制造成本在500美元左右，國(guó)內(nèi)石墨基雙極板每片(200×200cm2)約200～300元人民幣，而同樣大小雙極板的材料和加工總成本的目標(biāo)值小于15元人民幣。昂貴的制造成本阻礙著燃料電池大規(guī)模應(yīng)用。據(jù)Direct Technologies公司調(diào)查統(tǒng)計(jì)，電池極板的重量占到燃料電池電堆總重量的80％以上，其制造成本占到總成本的29％。
高昂的燃料電池制造成本主要是由于目前極板與MEA(Membrane Electrode Assembly膜電極組件)的制造方式?jīng)Q定的。通常極板采用石墨材料，通過(guò)銑削或刻蝕方式加工。運(yùn)用銑削方式加工石墨材料極板，因石墨本身的脆性和極板流道特征的復(fù)雜性，難以達(dá)到高生產(chǎn)率要求，而且石墨電極在振動(dòng)環(huán)境下的可靠性受到限制。金屬薄板(如#316不銹鋼等)導(dǎo)電性好、抗振動(dòng)失效能力強(qiáng)，只要配合先進(jìn)涂層技術(shù)就能解決抗腐蝕問(wèn)題，是燃料電池極板的潛在替代材料，也成為目前研究的熱點(diǎn)。然而，由于傳統(tǒng)的燃料電池均采用平面MEA膜，當(dāng)反應(yīng)氣體流經(jīng)平板極板上的溝槽時(shí)，在MEA膜兩側(cè)發(fā)生發(fā)應(yīng)，這要求極板具備一定的厚度才能滿足溝槽足夠大在極板上制造溝槽，然后進(jìn)行裝配。制造工藝要求燃料電池金屬極板必須具有一定的厚度，限制燃料電池輕量化、低成本設(shè)計(jì)要求。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，目前燃料電池高效、輕量化研究主要從以下兩方面著手一是改變膜電極空間構(gòu)架，如在美國(guó)通用公司的一項(xiàng)專利技術(shù)中(中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)為CN 1623244A，
公開(kāi)日期2005年6月1日，發(fā)明人G.W弗利、B.K.布拉迪等)提出了一種具有旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的膜電極，該膜電極組件包括傳送膜，催化陽(yáng)極和催化陰極分別在膜的兩個(gè)面上；陽(yáng)極和陰極層上具有導(dǎo)電分布層，該分布層延伸通過(guò)每個(gè)催化層的氣體流動(dòng)區(qū)域。繞旋結(jié)構(gòu)增加了膜面積與燃料電池平面面積的比率，從而增加了燃料電池的電輸出量。
二方面是改變極板形式，如天津大學(xué)申請(qǐng)的名為“聚合物膜燃料電池的復(fù)合層雙極板及其制造方法”(中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)為CN 1355573A，
公開(kāi)日期2002～6～26，發(fā)明人王宇新等)中提出一種采用石墨蠕蟲(chóng)與金屬薄板以及聚吡咯或聚苯胺類(lèi)導(dǎo)電聚合物構(gòu)成的雙極板。該專利的特征自述為雙極板的整體結(jié)構(gòu)由石墨蠕蟲(chóng)構(gòu)成，在其外表面是聚吡咯或聚苯胺膜層，在板壁石墨蠕蟲(chóng)層中間摻和聚吡咯或聚苯胺網(wǎng)絡(luò)層，或者是在板壁石墨蠕蟲(chóng)層中間夾附著金屬薄板。
然而，上述兩方面都未能從根本上改變傳統(tǒng)燃料電池的膜和極板的形式，第一種方法雖然參與了繞旋結(jié)構(gòu)的MEA，但是仍然采用平面極板，體積比功率并未能提高，同時(shí)帶來(lái)MEA支撐難題；第二種方法雖然解決了腐蝕問(wèn)題，但是燃料氣體與MEA的接觸面積并未增加，反應(yīng)效率未能得到提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的制造方法。本發(fā)明反應(yīng)效率高、能量密度高、輕量化以及耐腐蝕。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括如下步驟(1)常溫下，市售的“五合一”MEA較脆，延展性較差，但加熱溫度，可以進(jìn)行熱壓成形而不影響其整體化學(xué)物理性能。本發(fā)明采用熱壓法將平面MEA加工成波狀，以利于提高反應(yīng)氣體與MEA的接觸面積，從而提高反應(yīng)效率。
(2)采用微細(xì)沖壓工藝將平面超薄金屬極板沖孔，致密的網(wǎng)孔有利于氣體通過(guò)極板進(jìn)入擴(kuò)散層進(jìn)而在PEM兩側(cè)發(fā)生反應(yīng)。再將帶孔的極板沖壓成與波狀MEA相匹配的波浪型，得到單極板。
(3)采用激光焊接技術(shù)將一對(duì)單極板焊接成雙極板。本發(fā)明采用光纖激光器能顯著提高激光焊接效率。
(4)采用循環(huán)伏安法在金屬表面電鍍一層導(dǎo)電聚合物聚苯胺，即起到保護(hù)金屬極板的作用，又能起到導(dǎo)電作用，較小程度上影響接觸電阻。解決了質(zhì)子交換膜燃料電池工作在酸性環(huán)境，金屬極板極易腐蝕的問(wèn)題。
步驟(1)中，所述的“五合一”MEA是由陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層、氫陽(yáng)極、PEM(Proton Exchange Membrane質(zhì)子交換膜)、氧陰極和陰極氣體擴(kuò)散層熱壓而成，是保證電化學(xué)反應(yīng)能高效進(jìn)行的核心。
步驟(1)中，所述的加熱溫度，其優(yōu)選的溫度范圍為130℃～140℃。
步驟(2)中，所述平面超薄金屬極板沖孔，其孔徑為0.4mm-1mm。
步驟(2)中，所述的微細(xì)沖壓工藝，具體方法步驟為①落料，②沖孔，③首次彎曲成形，④二次彎曲成形所述的微細(xì)沖壓工藝，其參數(shù)要求落料過(guò)程中落料力為35KN，推件力為12KN；沖孔直徑為0.8mm，精度為IT12，沖孔力為109KN，孔距為0.5倍孔徑；首次彎曲成形中，取安全系數(shù)為0.3，自由彎曲力為12KN；二次彎曲成形中校正彎曲力為250KN。
步驟(2)中，所述的平面超薄金屬極板，其厚度為0.2mm～1.0mm。
步驟(3)中，所述的激光焊接技術(shù)，其光斑寬度要求為0.4mm～0.8mm。
所述的激光焊接技術(shù)，其所需預(yù)留的激光焊接區(qū)域?qū)挾葹?.6mm-1.2mm。
步驟(4)中，所述的循環(huán)伏安法是最重要的電化學(xué)分析方法，通常由工作電極、參比電極和輔助電極構(gòu)成，外加電壓加在工作電極和輔助電極之間，反應(yīng)電流通過(guò)工作電極和輔助電極。本發(fā)明以金屬雙極板為工作電極，甘汞電極作為參比電極，Pt電極作為輔助電極。
所述的循環(huán)伏安法，具體參數(shù)要求為采用型號(hào)為800的砂紙對(duì)雙極板進(jìn)行表面拋光處理；電解液采用0.1mol/L苯胺與0.1mol/L的硫酸配比而成；電壓范圍為0.1伏～1.4伏，循環(huán)2次-8次；掃描速率為20mV/s。
本發(fā)明的構(gòu)思為“一板多用”，金屬雙極板起到了支撐MEA、導(dǎo)電、導(dǎo)氣的作用。與現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)的燃料電池電堆相比，本發(fā)明采用波浪型的MEA和超薄極板，使得反應(yīng)效率大大提高(反應(yīng)面積增大，空間利用率增加)，體積比功率能提高3倍以上，而質(zhì)量比功率能提高10倍以上，從而真正實(shí)現(xiàn)燃料電池輕量化和低成本制造。


圖1為本發(fā)明質(zhì)子交換膜燃料電池堆原理2為本發(fā)明采用精密沖孔工藝沖得帶有致密氣孔的平面單極板3為本發(fā)明采用微細(xì)沖壓工藝得到波浪型金屬單極板4為本發(fā)明采用光纖激光焊接技術(shù)得到金屬雙極板5為本發(fā)明雙極板與單片熱壓成形得到的波狀MEA裝配示意6為本發(fā)明電堆三維裝配示意圖其中氫氣流道-1，熱壓成形后的波狀MEA-2，氧氣通道-3，精密沖孔得到的致密氣孔-4，波浪型單極板-5，激光焊接焊縫-6，雙極板-7，平面金屬單極板-8，預(yù)留焊縫-9。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例1本實(shí)施例是在以下實(shí)施條件和技術(shù)要求條件下實(shí)施的波狀MEA 2采用熱壓工藝成形，上下壓模采用金屬鋁加工而成，控制熱壓過(guò)程溫度130℃時(shí)，可以使得MEA在彎曲成形中不影響其整體化學(xué)物理性能。單極板8采用0.2mm超薄不銹鋼，經(jīng)過(guò)精密沖孔工藝得到致密氣孔，孔徑為0.4mm，同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求預(yù)留出激光焊接區(qū)域9，區(qū)域?qū)挾?.6mm。運(yùn)用能量集中、熱影響區(qū)小的激光焊接技術(shù)，光斑寬度為0.4mm，將一對(duì)單極板精密焊接成雙極板，本實(shí)施例采用光纖激光器。
針對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的酸性工作環(huán)境，金屬極板腐蝕問(wèn)題非常嚴(yán)峻。本實(shí)施例采用循環(huán)伏安法在雙極板表面電鍍導(dǎo)電聚合物聚苯胺，取得了較好的防腐效果。在0.1mol/L苯胺/吡咯，0.1mol/L的硫酸環(huán)境下進(jìn)行電鍍，工藝過(guò)程為不銹鋼表面拋光——丙酮清洗——酒精去油脫脂——N2干燥——電鍍——蒸餾水清洗。本實(shí)施例中采用20mV/s，循環(huán)電壓范圍為0.1V，共循環(huán)2次。
最后，將經(jīng)過(guò)防腐蝕處理的雙極板與波狀MEA裝配即得到新型電堆。
如圖1至圖6所示，本實(shí)施例的燃料氣體氫氣通過(guò)流道1，空氣或純氧氣通過(guò)流道3。兩種氣體流經(jīng)致密氣孔4到達(dá)波狀MEA 2兩側(cè)發(fā)生反應(yīng)。0.2mm超薄不銹鋼單極板5起到“一板多用”的作用，大大降低電堆質(zhì)量，質(zhì)量比功率提高10倍以上，實(shí)現(xiàn)輕量化。同時(shí)在相同體積下，反應(yīng)氣體孔徑為0.4mm的致密網(wǎng)孔與MEA接觸面積大大增加，這就是本發(fā)明效率提高的根本原因。
實(shí)施例2本實(shí)施例是在以下實(shí)施條件和技術(shù)要求條件下實(shí)施的波狀MEA 2采用熱壓工藝成形，上下壓模采用金屬鋁加工而成，控制熱壓過(guò)程溫度135℃時(shí)，可以使得MEA在彎曲成形中不影響其整體化學(xué)物理性能。單極板8采用0.5mm超薄不銹鋼，經(jīng)過(guò)精密沖孔工藝得到致密氣孔，孔徑為0.8mm，同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求預(yù)留出激光焊接區(qū)域9，區(qū)域?qū)挾?mm。運(yùn)用能量集中、熱影響區(qū)小的激光焊接技術(shù)，光斑寬度為0.6mm，將一對(duì)單極板精密焊接成雙極板，本實(shí)施例采用光纖激光器。
本實(shí)施例同樣采用循環(huán)伏安法，電解液采用0.1mol/L苯胺/吡咯，0.1mol/L的硫酸的混合液，工藝過(guò)程為不銹鋼表面拋光——丙酮清洗——酒精去油脫脂——N2干燥——電鍍——蒸餾水清洗。本實(shí)施例中采用20mV/s，循環(huán)電壓范圍為1V，共循環(huán)3次。
最后，將經(jīng)過(guò)防腐蝕處理的雙極板與波狀MEA裝配即得到新型電堆。
如圖1至圖6所示，本實(shí)施例的燃料氣體氫氣通過(guò)流道1，空氣或純氧氣通過(guò)流道3。兩種氣體流經(jīng)致密氣孔4到達(dá)波狀MEA 2兩側(cè)發(fā)生反應(yīng)。0.5mm的金屬雙極板起到足夠支撐作用，使得電堆能承受足夠的壓力，質(zhì)量比功率較傳統(tǒng)提高5倍以上，體積比功率提高2倍以上。同時(shí)，循環(huán)次數(shù)為3次時(shí)，防腐蝕性能和接觸電阻有較好的平衡該工況下腐蝕電流達(dá)到10-7A/cm，250Nt/cm2，而接觸電阻僅為0.08歐/cm2，相當(dāng)于石墨水平，是優(yōu)選實(shí)施例。
實(shí)施例3本實(shí)施例是在以下實(shí)施條件和技術(shù)要求條件下實(shí)施的波狀MEA 2采用熱壓工藝成形，上下壓模采用金屬鋁加工而成，控制熱壓過(guò)程溫度140℃時(shí)，可以使得MEA在彎曲成形中不影響其整體化學(xué)物理性能。單極板8采用1.0mm超薄不銹鋼，經(jīng)過(guò)精密沖孔工藝得到致密氣孔，孔徑為1mm，同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求預(yù)留出激光焊接區(qū)域9，區(qū)域?qū)挾?.2mm。運(yùn)用能量集中、熱影響區(qū)小的激光焊接技術(shù)，光斑寬度為0.8mm，將一對(duì)單極板精密焊接成雙極板，本實(shí)例采用光纖激光器。
本實(shí)施例同樣采用循環(huán)伏安法，電解液采用0.1mol/L苯胺/吡咯，0.1mol/L的硫酸的混合液，工藝過(guò)程為不銹鋼表面拋光——丙酮清洗——酒精去油脫脂——N2干燥——電鍍——蒸餾水清洗。本實(shí)例中采用20mV/s，循環(huán)電壓范圍為1.4V，共循環(huán)8次。
最后，將經(jīng)過(guò)防腐蝕處理的雙極板與波狀MEA裝配即得到新型電堆。
如圖1至圖6所示，本實(shí)施例的燃料氣體氫氣通過(guò)流道1，空氣或純氧氣通過(guò)流道3。兩種氣體流經(jīng)致密氣孔4到達(dá)波狀MEA 2兩側(cè)發(fā)生反應(yīng)。1mm的金屬雙極板使得電堆能承受足夠的壓力，質(zhì)量比功率較傳統(tǒng)提高3倍以上，體積比功率提高1.5倍以上。本實(shí)施例采用1mm的單極板，使得電堆的整體機(jī)械性能增強(qiáng)，適合于車(chē)用等工況復(fù)雜的場(chǎng)合。本實(shí)施例比較實(shí)施例2功率有所下降，接觸電阻由于聚合物膜厚度增加而增加。
權(quán)利要求
1.一種質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的制造方法，其特征在于，包括如下步驟(1)常溫下，加熱溫度，將平面MEA熱壓成波狀；(2)采用微細(xì)沖壓工藝將平面超薄金屬極板沖孔，再將帶孔的極板沖壓成與波狀MEA相匹配的波浪型，得到單極板；(3)采用激光焊接技術(shù)將一對(duì)單極板焊接成雙極板；(4)采用循環(huán)伏安法在金屬表面電鍍一層導(dǎo)電聚合物聚苯胺。
2.如權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的制造方法，其特征是，步驟(1)中，所述的MEA是由陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層、氫陽(yáng)極、質(zhì)子交換膜、氧陰極和陰極氣體擴(kuò)散層熱壓而成。
3.如權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的制造方法，其特征是，步驟(1)中，所述的加熱溫度，其溫度范圍為130℃～140℃。
4.如權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的制造方法，其特征是，步驟(2)中，所述的微細(xì)沖壓工藝，具體方法步驟為①落料，②沖孔，③首次彎曲成形，④二次彎曲成形；其參數(shù)要求落料過(guò)程中落料力為35KN，推件力為12KN；沖孔直徑為0.8mm，精度為IT12，沖孔力為109KN，孔距為0.5倍孔徑；首次彎曲成形中，取安全系數(shù)為0.3，自由彎曲力為12KN；二次彎曲成形中校正彎曲力為250KN。
5.如權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的制造方法，其特征是，步驟(2)中，所述的平面超薄金屬極板，其厚度為0.2mm～1.0mm。
6.如權(quán)利要求1或5所述的質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的制造方法，其特征是，步驟(2)中，所述平面超薄金屬極板，其孔徑為0.4mm-1mm。
7.如權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的制造方法，其特征是，步驟(3)中，所述的激光焊接技術(shù)，其光斑寬度要求為0.4mm～0.8mm。
8.如權(quán)利要求1或7所述的質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的制造方法，其特征是，所述的激光焊接技術(shù)，其所需預(yù)留的激光焊接區(qū)域?qū)挾葹?.6mm-1.2mm。
9.如權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的制造方法，其特征是，步驟(4)中，所述的循環(huán)伏安法，是指本方法由工作電極、參比電極和輔助電極構(gòu)成，外加電壓加在工作電極和輔助電極之間，反應(yīng)電流通過(guò)工作電極和輔助電極。
10.如權(quán)利要求1或9所述的質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的制造方法，其特征是，所述的工作電極、參比電極和輔助電極，分別指金屬雙極板、甘汞電極、Pt電極。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃料電池技術(shù)領(lǐng)域的質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的制造方法。本發(fā)明包括如下步驟(1)常溫下，加熱溫度，將平面MEA熱壓成波狀；(2)采用微細(xì)沖壓工藝將平面超薄金屬極板沖孔，再將帶孔的極板沖壓成與波狀MEA相匹配的波浪型，得到單極板；(3)采用激光焊接技術(shù)將一對(duì)單極板焊接成雙極板；(4)采用循環(huán)伏安法在金屬表面電鍍一層導(dǎo)電聚合物聚苯胺。本發(fā)明反應(yīng)效率高、能量密度高、輕量化以及耐腐蝕。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101079494SQ20071004343
公開(kāi)日2007年11月28日 申請(qǐng)日期2007年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月5日
發(fā)明者來(lái)新民, 易培云, 倪軍, 林忠欽, 彭林法, 劉東安, 藍(lán)樹(shù)槐, 胡鵬 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)