專利名稱：質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板及其構(gòu)成的單池和電堆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池的雙極板、以 及由該雙極板分別組成的燃料電池單池和電堆。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池因其具有功率密度高、結(jié)構(gòu)簡單、啟動速度快、無腐蝕等優(yōu) 點，適用范圍廣，從而成為研究熱點之一。雙極板是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心部件，占據(jù) 電池組重量和成本的絕大部分，起到分隔反應(yīng)氣體并通過流場將反應(yīng)氣體導(dǎo)入燃料電池、 收集并傳導(dǎo)電流和支撐膜電極的作用，同時還承擔整個燃料電池系統(tǒng)的散熱和排水功能， 其性能優(yōu)劣直接影響電池的輸出功率和使用壽命。雙極板的功能決定了它應(yīng)達到以下要 求較低的面電阻、體電阻及與膜電極擴散層的接觸電阻，低透氣性，較好的耐腐蝕性，一定 的機械強度，易于加工，較低的成本。由于金屬材料具有導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、機械強度高、容易薄片化、易加工等優(yōu)點，而成 為燃料電池雙極板的主要材料。雖然，金屬材料雙極板由于良好的導(dǎo)電性、機械強度和低成 本而成為研究熱點，但是以往對金屬雙極板的研究普遍集中在材料的簡單替代，如“竺斌， 梅炳初，沈春暉所著《PEMFC復(fù)合雙極板的研究進展》”中介紹了碳/碳復(fù)合雙極板、聚合物 /填料復(fù)合雙極板及金屬基復(fù)合雙極飯的制備方法及其性能的研究進展，并對這些雙極板 材料的優(yōu)缺點進行了比較；“施祥蘭，倪紅軍，黃明宇所著《質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板材 料的研究進展》”中介紹了雙極板材料的種類主要有石墨材料、金屬或合金材料以及各種復(fù) 合材料，并針對這些雙極板材料的優(yōu)缺點進行了比較；“譚俊，石恭臣，毛愛清，陳林所著《PEMFC金屬雙極板表面改性技術(shù)》”中重點對金 屬雙極板表面改性技術(shù)的國內(nèi)外研究進展進行了較為詳細的評述；“黃乃寶，衣寶廉，侯明， 明平文所著《PEMFC薄層金屬雙極板研究進展》”中對鐵基合金、鎳基合金和鋁、鈦等輕金屬 三大類薄層金屬板及其表面改性方法進行了詳細評述，在此基礎(chǔ)上提出了導(dǎo)電化合物和電 化學(xué)方法對薄層不銹鋼改性是今后薄層金屬雙極板的發(fā)展方向?qū)＠鸆N101572318A《一種質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板》中所述的點狀流道以使流 體分配好，雙極板有效使用面積高，加工簡單，成本低；專利CN1889294A《用于質(zhì)子交換膜燃 料電池的組合式整體雙極板》中所述的組合式整體雙極板，重量輕，生產(chǎn)工藝簡單，成本低 廉；但是由于雙極板必須滿足實現(xiàn)單池之間電的聯(lián)結(jié)功能，所以雙極板必須是電的良導(dǎo)體， 因此就要實現(xiàn)雙極板流場區(qū)的凸臺部分與膜電極擴散層的緊密接觸以減小接觸電阻。至 今，絕大多數(shù)質(zhì)子交換膜燃料電池的單池是按壓濾機方式組裝成為電池組，流場區(qū)的凸臺 部分靠電池組裝力與膜電極擴散層接觸。但是普通平面金屬雙極板由于在成形時的應(yīng)力變 化等因素的影響易發(fā)生翹曲變形而降低其平面度，最終導(dǎo)致流場區(qū)凸臺部分與膜電極擴散 層的接觸不完全而減小接觸面積，增大了接觸電阻。因而對改良雙極板本身的結(jié)構(gòu)以提高其機械性能和剛度并減小內(nèi)阻和使其更易 裝配，從而使燃料電池的性能更加穩(wěn)定和完善的研究就顯得非常必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)不足而提供一種機械性能和剛 度好、不易發(fā)生變形、安裝后不易錯動、穩(wěn)定性高、內(nèi)阻較低、能耗少、燃料利用率高的質(zhì)子 交換膜燃料電池金屬雙極板、以及由該雙極板分別組成的燃料電池單池和電堆。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板，由金屬薄板制成的陰極單極板和陽極單極板相 對結(jié)合構(gòu)成；陰極單極板和陽極單極板的分別包括陰、陽極腔、冷卻介質(zhì)腔和各自的流場區(qū) 溝槽和凸臺；兩板的陰、陽極腔、冷卻介質(zhì)腔和流場區(qū)溝槽和凸臺相互對應(yīng)，分別組成燃料 氣體通道、氧化劑氣體通道、冷卻介質(zhì)通道；其特征在于所述的金屬雙極板為帶有一定曲 率的非平面弧形板。按上述方案，所述的燃料氣體通道、氧化劑氣體通道、冷卻介質(zhì)通道均在所述金屬 雙極板的非平面弧形結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上建立。按上述方案，所述金屬雙極板的非平面弧形結(jié)構(gòu)包括柱面、球面、橢球面結(jié)構(gòu)在內(nèi) 的所有非平面弧形結(jié)構(gòu)。按上述方案，兩塊板均為在金屬薄板上成形出上述的陰、陽極腔、冷卻介質(zhì)腔和流 場區(qū)溝槽和凸臺。按上述方案，兩塊板按照預(yù)先設(shè)定的結(jié)合軌跡相對結(jié)合而成所述金屬雙極板。按上述方案，金屬雙極板的流場區(qū)為蛇形流道、平行流道或交叉梳狀流道。按上述方案，所述金屬雙極板的非平面弧形曲率半徑為5000-8000mm。利用上述金屬雙極板組成的燃料電池單池，主要包括金屬雙極板、催化劑層和質(zhì) 子交換膜；其中，金屬雙極板從外至內(nèi)依次夾合催化劑層和質(zhì)子交換膜，金屬雙極板的陰、 陽極單極板和催化劑層之間還分別設(shè)置有氣體擴散層；陰極單極板的流場凸臺與該側(cè)氣體 擴散層之間形成陰極氣體通道，陽極單極板的流場凸臺與該側(cè)氣體擴散層之間形成陽極氣 體流道；其特征在于所述的金屬雙極板為由陰、陽極單極板相對結(jié)合而成的帶有一定曲 率的非平面弧形金屬雙極板。利用上述金屬雙極板組成的燃料電池電堆，由多個燃料電池單池疊加而成；其中， 每個燃料電池單池由單個的包含陰、陽極單極板的金屬雙極板從外至內(nèi)依次夾合催化劑層 和質(zhì)子交換膜形成；每個單池的陰極板和與其相鄰的另一個單池的陽極板之間通過流場 溝槽夾合形成冷卻介質(zhì)通道；各陰、陽極單極板和其所在單池的催化劑層之間還分別設(shè)置 有氣體擴散層，各單池陰極單極板的流場凸臺與該側(cè)氣體擴散層之間形成陰極氣體通道， 各單池陽極單極板的流場凸臺與該側(cè)氣體擴散層之間形成陽極氣體流道；其特征在于所 述的金屬雙極板為由陰、陽極單極板相對結(jié)合而成的帶有一定曲率的非平面弧形金屬雙極 板。金屬雙極板的板面特征包括上述的氣體通道和流場區(qū)等，另外還設(shè)置有密封槽。雙極板的非平面結(jié)構(gòu)包括例如柱面、球面和橢球面結(jié)構(gòu)等在內(nèi)的所有非平面結(jié) 構(gòu)，其彎曲程度由曲率半徑來衡量。把已設(shè)計或選擇好的膜電極、單個雙極板、端板和墊圈組合起來就可組成燃料電 池單池，將多個單池疊加連接起來即可組成燃料電池電堆。
相對于現(xiàn)有的普通金屬雙極板，本發(fā)明的有益效果是非平面金屬雙極板例如柱面金屬雙極板或球面金屬雙極板等相對普通金屬雙極 板不易發(fā)生翹曲變形，故流場凸臺與膜電極擴散層之間的接觸良好，不會因雙極板翹曲變 形而減小接觸面積增大接觸電阻。此外，非平面金屬雙極板由于有一定的曲率，故不會像普 通平面金屬雙極板一樣易發(fā)生錯動使燃料氣體和氧化劑氣體反應(yīng)效率降低。同時，非平面 金屬雙極板也不會影響到燃料電池的散熱和排水功能。由此，非平面金屬雙極板相對普通金屬雙極板有更好的機械性能，剛度好，不易發(fā) 生變形，安裝后不易錯動，穩(wěn)定性高，可靠性好，有利于延長燃料電池的壽命；且非平面金屬 雙極板與膜電極擴散層之間接觸良好從而內(nèi)阻較低，能耗少，燃料利用率高，故以此非平面 金屬雙極板為核心部件組成的電堆，可以提供更高的輸出電壓和更大的輸出功率。


圖1為本發(fā)明的陽極板(空氣板)的板面示意圖；圖2為本發(fā)明的陰極板(氫氣板)的板面示意圖；圖3為本發(fā)明的金屬雙極板及其組成的燃料電池單池流場區(qū)部分剖面分解示意 圖；圖4為本發(fā)明的金屬雙極板及其組成的燃料電池電堆的流場區(qū)部分剖面分解示 意圖；附圖中，各附圖標記對應(yīng)如下1-陰極氣體(氫氣)腔、2-陽極氣體(空氣)腔、3-冷卻介質(zhì)(水)腔、4-雙極 板流場區(qū)、5-陰極板流場凸臺、6-陰極板流場溝槽、A-陽極板流場凸臺、B-陽極板流場溝 槽、7-密封槽、8-結(jié)合軌跡、9-陰極板(氫氣板)、10-陽極板(空氣板)、11_氣體擴散層、 12-質(zhì)子交換膜、13-催化劑、14-氫氣流道、15-空氣流道、16-水流道(腔)、17-柱面金屬 雙極板
具體實施例方式下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明。金屬雙極板中的氫氣板和空氣板的板面特征分別如圖1和圖2所示，分別包含氫 氣腔1、空氣腔2、冷卻介質(zhì)腔3、密封槽7和結(jié)合軌跡8 ；兩者的流場區(qū)4采用交叉梳狀流 道，包括流場凸臺5、A和流場溝槽6、B ；兩者的氫氣腔1、空氣腔2、冷卻介質(zhì)腔3和流場區(qū) 溝槽和凸臺相互對應(yīng)，分別組成燃料氣體通道、氧化劑氣體通道、冷卻介質(zhì)通道；氫氣板和 空氣板按照預(yù)先設(shè)定的結(jié)合軌跡8以焊接或粘結(jié)等其它方式結(jié)合后其斜交叉的流道可將 氫氣與空氣分流到各個平行的流道中參與反應(yīng)，從而完成燃料電池的工作功能。圖3為本發(fā)明的雙極板及其構(gòu)成的燃料電池單池的剖面分解示意圖，從外至內(nèi)依 次為空氣板10和氫氣板9、催化劑13和質(zhì)子交換膜12，氫氣板9的流場凸臺與該側(cè)氣體擴 散層11之間形成氫氣流道14，空氣板10的流場凸臺與該側(cè)氣體擴散層之間形成空氣流道 15 ；空氣板10、氫氣板9和整個單池都有一定曲率，并采用柱面結(jié)構(gòu)。金屬雙極板由兩塊大 小為190 X 90mm、厚度為0. Imm的薄板成形所述板面特征和整體結(jié)構(gòu)，曲率半徑為6000mm， 也可以在5000-8000mm的范圍內(nèi)確定其它半徑。
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圖4為本發(fā)明的雙極板及其組成的燃料電池電堆的剖面分解示意圖，其中，燃料 電池單池由帶有一定曲率的非平面柱面金屬雙極板17從外至內(nèi)依次夾合催化劑13和質(zhì)子 交換膜12形成，每個單池的氫氣板和其相鄰的另一個單池的空氣板之間通過流場溝槽6、B 夾合形成用于冷卻的水流道16 ；各氫氣板、空氣板和其所在單池的催化劑13之間還分別設(shè) 置有氣體擴散層11，氫氣板的流場凸臺5與該側(cè)氣體擴散層11之間形成氫氣流道14，空氣 板10的流場凸臺A與該側(cè)氣體擴散層之間形成空氣流道15。雙極板的非平面結(jié)構(gòu)使得極 板之間和雙極板17與質(zhì)子交換膜12之間接觸良好不易錯動從而內(nèi)阻低，反應(yīng)效率高。
權(quán)利要求
一種質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板，由金屬薄板制成的陰極單極板和陽極單極板相對結(jié)合構(gòu)成；陰極單極板和陽極單極板分別包括陰、陽極腔、冷卻介質(zhì)腔和各自的流場區(qū)溝槽和凸臺；兩板的陰、陽極腔、冷卻介質(zhì)腔和流場區(qū)溝槽和凸臺凹凸形狀相互對應(yīng)，分別組成燃料氣體通道、氧化劑氣體通道、冷卻介質(zhì)通道；其特征在于所述的金屬雙極板為帶有一定曲率的非平面弧形板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板，其特征在于所述的燃料氣 體通道、氧化劑氣體通道、冷卻介質(zhì)通道均在所述金屬雙極板的非平面弧形結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上建 立。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板，其特征在于所述金屬雙極 板的非平面弧形結(jié)構(gòu)包括柱面、球面、橢球面結(jié)構(gòu)在內(nèi)的所有非平面弧形結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板，其特征在于陰極單極板和 陽極單極板均為在金屬薄板上成形出上述的陰、陽極腔、冷卻介質(zhì)腔和流場區(qū)溝槽和凸臺。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板，其特征在于陰極單極板和 陽極單極板按照預(yù)先設(shè)定的結(jié)合軌跡相對結(jié)合而成所述金屬雙極板。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板，其特征在于金屬雙極板的 流場區(qū)為蛇形流道、平行流道或交叉梳狀流道。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板，其特征在于所述金屬雙極 板的非平面弧形曲率半徑為5000-8000mm。
8.一種利用權(quán)利要求1-7之一所述金屬雙極板組成的燃料電池單池，主要包括金屬 雙極板、催化劑層和質(zhì)子交換膜；其中，金屬雙極板從外至內(nèi)依次夾合催化劑層和質(zhì)子交換 膜，金屬雙極板的陰、陽極單極板和催化劑層之間還分別設(shè)置有氣體擴散層；陰極單極板的 流場凸臺與該側(cè)氣體擴散層之間形成陰極氣體通道，陽極單極板的流場凸臺與該側(cè)氣體擴 散層之間形成陽極氣體流道；其特征在于所述的金屬雙極板為由陰、陽極單極板相對結(jié) 合而成的帶有一定曲率的非平面弧形金屬雙極板。
9.一種利用權(quán)利要求1-7之一所述金屬雙極板組成的燃料電池電堆，由多個燃料電 池單池疊加而成；其中，每個燃料電池單池由單個的包含陰、陽極單極板的金屬雙極板從外 至內(nèi)依次夾合催化劑層和質(zhì)子交換膜形成；每個單池的陰極板和與其相鄰的另一個單池的 陽極板之間通過流場溝槽夾合形成冷卻介質(zhì)通道；各陰、陽極單極板和其所在單池的催化 劑層之間還分別設(shè)置有氣體擴散層，各單池陰極單極板的流場凸臺與該側(cè)氣體擴散層之間 形成陰極氣體通道，各單池陽極單極板的流場凸臺與該側(cè)氣體擴散層之間形成陽極氣體流 道；其特征在于所述的金屬雙極板為由陰、陽極單極板相對結(jié)合而成的帶有一定曲率的 非平面弧形金屬雙極板。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板及其構(gòu)成的單池和電堆，所述的金屬雙極板為帶有一定曲率的非平面弧形板，由金屬薄板制成的陰極單極板和陽極單極板相對結(jié)合構(gòu)成；兩板的陰、陽極腔、冷卻介質(zhì)腔和流場區(qū)溝槽和凸臺凸凹形狀相互對應(yīng)，分別組成燃料氣體通道、氧化劑氣體通道、冷卻介質(zhì)通道；將膜電極、單個雙極板組合起來就可組成燃料電池單池，將多個單池疊加連接起來即可組成電堆。該雙極板相對普通金屬雙極板有更好的機械性能，不易發(fā)生變形，安裝后不易錯動，穩(wěn)定性高；且由于該雙極板與膜電極擴散層之間接觸良好從而內(nèi)阻較低，能耗少，以此組成的電堆可以提供更高的輸出電壓和更大的輸出功率。
文檔編號H01M8/10GK101937997SQ20101028886
公開日2011年1月5日 申請日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月21日
發(fā)明者倪晨, 蘭箭, 華林, 毛華杰, 趙玉民, 魏曦 申請人:武漢理工大學(xué)