專利名稱：金屬雙極板燃料電池電堆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種燃料電池，特別是涉及一種金屬雙極板的燃料電池電堆。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種直接利用氫能的發(fā)電裝置，PEMFC把貯存在氫燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，能量轉(zhuǎn)化效率高；燃料電池環(huán)境友好，唯一排放物是水。因此，燃料電池技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)首選的潔凈、高效的發(fā)電技術(shù)。燃料電池單體電池主要由膜電極組件，雙極板和其他輔助部件組成。為了提高燃料電池的輸出功率，通常將若干個(gè)單體電池通過直疊或者平鋪的方式堆疊在一起，在加上集流板、絕緣板和端板，通過螺桿緊固，組成燃料電池堆。燃料電池的單電池通常是用石墨板做成單極板后再粘結(jié)成雙極板。但是石墨單極板多通過雕刻而成，加工速度慢，成品率低，即使在組裝成燃料電池堆之后也易于破損；同時(shí)石墨雙極板體積較大。目前的發(fā)展趨勢(shì)是使用金屬薄板沖壓成型為單極板，再焊接或粘結(jié)成雙極板。如果金屬板電池堆的組裝還是按照石墨板電池堆的組裝方式進(jìn)行，不僅效率低，各單電池或部件對(duì)位困難，同時(shí)因?yàn)榻饘侔宓淖冃危芊馊θ菀着芪?，?dǎo)致電池堆組裝困難，氣密性難以保證。針對(duì)上述問題，一種常用的解決方法是在金屬雙極板上開定位孔，組裝臺(tái)上設(shè)定位桿，組裝電池堆時(shí)讓定位桿通過所有雙極板及有關(guān)部件的定位孔。這種方法的缺點(diǎn)是定位孔和定位桿的尺寸配合好時(shí)，定位比較準(zhǔn)確，但拔出定位桿比較困難，同時(shí)可能使對(duì)位好了的部件發(fā)生偏移；而在定位孔直徑大于定位桿時(shí)拔桿容易，但部件本身就可能在定位桿的周圍移動(dòng)，對(duì)位不準(zhǔn)。此外，這種方法組裝電池堆時(shí)密封圈容易跑位，電池堆氣密性難以保證。專利200820156537. 7報(bào)道了一種鎧裝式金屬板電池堆，組裝電池堆時(shí)所有部件依次壘裝進(jìn)金屬外殼中，該金屬外殼即鎧甲既對(duì)部件定位同時(shí)又成為電池堆的包裝外殼。 缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)部件難以定位。專利CN1479393A報(bào)道的金屬板電池堆，通過在兩個(gè)金屬板通孔部位形成的上升壁的匹配，利用模壓的方式，依靠金屬板上的材料變形，將膜電極組件MEA及密封件夾裝在一起。與CN1479393A專利類似，專利CN1894814A報(bào)道的金屬板電池堆，其金屬板的邊緣外伸出來后，依靠壓彎?rùn)C(jī)將其彎壓轉(zhuǎn)折，將MEA及密封件包壓起來。這種方式靠在組裝電池堆的過程中再一次彎壓金屬板，使其結(jié)構(gòu)變形來夾裝各個(gè)部件，實(shí)際難以實(shí)現(xiàn)；電池堆的裝夾力難以保證MEA的中心部位接觸良好，對(duì)于大面積的 MEA更是如此；同時(shí)，電池堆在拆卸時(shí)變得非常困難。
發(fā)明內(nèi)容[0011]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種具有新型結(jié)構(gòu)的金屬雙極板燃料電池電堆，以提高該燃料電池電堆的組裝效率。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案本實(shí)用新型提供的金屬雙極板燃料電池電堆，包括電堆主體，該電堆主體設(shè)有多個(gè)單電池，每個(gè)單電池設(shè)有兩塊金屬板，兩塊金屬板均設(shè)有多個(gè)卡頭和卡口，其中第一塊金屬板的卡頭與第二塊金屬板的卡口配合，使兩塊金屬板和位于其間的膜電極組件連接在一起，形成一個(gè)單電池；該單電池與另外的單電池再通過它們的卡頭和卡口相連，所有的單電池依靠這種連接方式疊加在一起。在每塊金屬板的四周處，設(shè)有多個(gè)卡口和位于該卡口邊沿的卡頭。所述卡頭和卡口結(jié)構(gòu)可以采用單卡頭及卡口、雙卡頭及卡口、按扣式卡頭及卡口中的一種組合結(jié)構(gòu)。所述卡頭和卡口結(jié)構(gòu)還可以采用單卡頭及卡口、雙卡頭及卡口、按扣式卡頭及卡口中的兩種以上的組合結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型提供的卡口和卡頭上均涂覆有絕緣膠或絕緣漆，或者在所述卡口和卡頭上套有絕緣套。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比還具有以下的主要優(yōu)點(diǎn)1.由于采用了卡頭和卡口，因此在組裝時(shí)，能夠克服多層部件定位困難、密封圈易于跑位導(dǎo)致的密封不嚴(yán)等問題，反應(yīng)氣體經(jīng)過密封圈產(chǎn)生的外漏及內(nèi)漏降至零。2.由于采用了卡頭和卡口，因此組裝效率比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的金屬雙極板的燃料電池電堆提高一倍以上。

圖1為金屬板電堆示意圖。圖2為金屬板電堆組裝結(jié)構(gòu)中單電池卡口配合示意圖(單卡)。圖3為卡頭、卡口及MEA匹配示意圖。圖4為雙卡式金屬板電堆組裝結(jié)構(gòu)中卡口配合示意圖。圖5為按扣卡金屬板電堆組裝結(jié)構(gòu)中卡口配合示意圖。圖中1.上端板；2.上絕緣板；3.上集流板；4.螺桿；5.電堆主體；6.下集流板；7.下絕緣板；8.下端板；9.單卡第一金屬板；10.單卡第二金屬板；11.絕緣套；12.膜電極組件；13.密封圈；14.單卡第一金屬板卡口； 15.單卡第二金屬板卡口 ； 16.單卡第一金屬板卡頭；17.單卡第二金屬板卡頭；18.雙卡第一金屬板；19.雙卡第二金屬板；20.雙卡第一金屬板卡口 ； 21.雙卡第一金屬板卡頭；22.雙卡第二金屬板卡口； 23.雙卡第二金屬板卡頭；24.按扣式第一金屬板；25.按扣式第二金屬板； 26.卡簧；27按扣式金屬板卡頭；觀按扣式金屬板卡口。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型提供的金屬雙極板燃料電池電堆，主要由電堆主體、上下端板、上下集流板、上下絕緣板組成，這些部件由螺桿連接在一起。所述電堆主體主要由多個(gè)金屬雙極板，膜電極組件(MEA)，密封圈組成。其中金屬雙極板是一種由兩塊金屬單極板組成，在活性區(qū)域外的金屬雙極板的端部或金屬雙極板的外圍預(yù)定的區(qū)域具有能插拔的卡頭和卡口。金屬雙極板上的活性區(qū)域以及反應(yīng)氣體進(jìn)出口結(jié)構(gòu)相同，但作為定位的卡頭和卡口的方位是交替的，即在金屬雙極板的一個(gè)方位上成型為卡口，另一個(gè)方位上成型為卡頭，以使金屬雙極板之間通過卡頭和卡口能相互配合。在組裝電堆主體時(shí)，各金屬雙極板能通過卡頭和卡口準(zhǔn)確定位從而通過螺桿進(jìn)一步鎖緊；在拆卸時(shí)，所述卡頭能方便的從所述卡口中退出，不致成為倒鉤影響拆卸電堆；所述卡口和卡頭上涂覆絕緣膠或絕緣漆，或者在所述卡口和卡頭上套上絕緣套。下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本實(shí)用新型提供的金屬雙極板燃料電池電堆作進(jìn)一步說明。實(shí)例1 單卡式金屬雙極板燃料電池電堆單卡式金屬雙極板燃料電池電堆的結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。該燃料電池電堆包括裝夾上端板1，上絕緣板2，上集流板3，螺桿4，電堆主體5，下集流板6，下絕緣板7，下端板 8。所述電堆主體5主要由單卡第一金屬板9、單卡第二金屬板10 (圖2)，絕緣套11， 膜電極組件12 (MEA)，以及密封圈13構(gòu)成的結(jié)構(gòu)組件。在組裝電堆主體5時(shí)，所述單卡第一金屬板9、單卡第二金屬板10，它們通過多個(gè)卡頭和配套的卡口連接在一起，形成單卡式金屬雙極板電堆中的一個(gè)單電池。如圖2所示， 其中單卡第一金屬板9設(shè)有多個(gè)單卡第一金屬板卡頭16和多個(gè)貫通的方形或長(zhǎng)方形的單卡第一金屬板卡口 14，第二單卡金屬雙極板10設(shè)有多個(gè)單卡第二金屬板卡頭17和多個(gè)貫通的方形或長(zhǎng)方形的單卡第二金屬板卡口 15。組裝時(shí)，單卡第一金屬雙極板卡頭16與單卡第二金屬雙極板卡口 15配合，膜電極組件(MEA) 12被夾在中間，使單卡第一金屬板9、膜電極組件MEA12、單卡第二金屬板10連接在一起，形成一個(gè)單卡式金屬雙極板的單電池。同理，該單電池再通過其上的卡頭或卡口與另外的單電池相連，直至按照工藝要求將所有的單電池疊加在一起，然后用螺桿4這些單電池固定在一起。如圖1圓圈部分的局部放大所示，所述多個(gè)單卡式金屬雙極板的單電池以及上集流板3、下集流板6在組裝電堆時(shí)，一個(gè)板上的卡頭能與其相鄰的板上的卡口相互配合定位，從而使組裝電堆主體時(shí)各單電池能準(zhǔn)確定位和鎖緊；在拆卸時(shí)，所述卡頭能方便的從所述卡口中退出，不致成為倒鉤影響拆卸電堆；所述卡口和卡頭上涂覆絕緣膠或絕緣漆，或者在所述卡口和卡頭上套有絕緣套11。單卡式金屬雙極板燃料電池電堆的部件尺寸匹配如圖3所示。其中tl為焊接成型后的雙極板的厚度，t2為MEA的厚度，t3為單極板的厚度，t4為單極板卡頭+絕緣套(或絕緣漆或絕緣膠)的厚度，t5為1個(gè)雙極板厚度+1個(gè)單極板厚度+2個(gè)MEA的厚度，也即是卡頭可以活動(dòng)的空間，t6為集流板的厚度。為保證電堆組裝后能利用螺桿或拉條所緊，在電堆壓緊狀態(tài)時(shí)，t5 ^ t4，t6 ^ t4。無論雙極板一還是雙極板二，其中的1個(gè)單極板在卡口區(qū)域形成空缺，以讓出空間實(shí)現(xiàn)這樣的結(jié)構(gòu)。所述金屬雙極板是指由兩個(gè)金屬單極板構(gòu)成的部件。在電堆組裝臺(tái)上依次組裝下端板8、下絕緣板7、與雙極板匹配的下集流板6裝好； 之后將帶有卡頭和卡口的單卡第二金屬板10裝上，卡頭上有絕緣套，或覆蓋有絕緣漆，或絕緣膠，以防止單電池之間的短路；在密封槽中裝入密封圈13，再裝配MEA，密封圈13，以及單卡第一金屬板9，裝密封圈13，裝入MEA，裝入另外一個(gè)單卡第二金屬板10，依次堆壘。以此方式，裝配所有的單電池和上集流板、上絕緣板、上端板。最后用螺桿或拉條鎖緊電堆。實(shí)例2 雙卡式金屬雙極板燃料電池電堆雙卡式金屬雙極板燃料電池電堆的結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。該燃料電池電堆包括裝夾上端板1，上絕緣板2，上集流板3，螺桿4，電堆主體5，下集流板6，下絕緣板7，下端板 8。所述電堆主體5的的結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由雙卡第一金屬板18、雙卡第二金屬板 19 (圖4)，絕緣套11，膜電極組件12 (MEA)，以及密封圈13構(gòu)成的結(jié)構(gòu)組件。雙卡式金屬板設(shè)有若干個(gè)卡頭，為方形或長(zhǎng)方形，每個(gè)方形卡口的兩個(gè)對(duì)邊被沖壓成卡頭，另外兩個(gè)對(duì)邊為卡口。如圖4所示，雙卡第一金屬板18，19為雙卡第二金屬板。所述雙卡第一金屬板18、雙卡第二金屬板19，它們通過多個(gè)卡頭和配套的卡口連接在一起，形成雙卡式金屬雙極板電堆中的一個(gè)單電池。如圖4所示，其中雙卡第一金屬板18設(shè)有多個(gè)雙卡第一金屬板卡頭21和多個(gè)貫通的方形或長(zhǎng)方形的雙卡第一金屬板卡口 20，雙卡第二金屬雙極板19設(shè)有多個(gè)雙卡第二金屬板卡頭23和多個(gè)貫通的方形或長(zhǎng)方形的雙卡第二金屬板卡口 22。雙卡第一金屬板卡頭21和雙卡第二金屬板卡口 22匹配，使兩塊金屬板組裝時(shí)配合。在組裝電堆主體5時(shí)，雙卡第一金屬雙極板卡頭21與雙卡第二金屬雙極板卡口 22 配合，膜電極組件12被夾在中間，使雙卡第一金屬板18、膜電極組件12、雙卡第二金屬板19 連接在一起，形成一個(gè)雙卡式金屬雙極板的單電池。同理，該單電池再通過其上的卡頭或卡口與另外的單電池相連，直至按照工藝要求將所有的單電池疊加在一起，然后用螺桿4將這些單電池固定在一起。在電堆組裝臺(tái)上依次組裝下端板8、下絕緣板7、與雙極板匹配的下集流板6裝好； 之后將帶有卡頭和卡口的雙卡第二金屬板19裝上，卡頭上有絕緣套11，或覆蓋有絕緣漆， 或絕緣膠，以防止單電池之間的短路；在密封槽中裝入密封圈13，再裝配MEA，密封圈13，以及雙卡第一金屬板18，裝密封圈13，裝入MEA，裝入另外一個(gè)雙卡第二金屬板19，依次堆壘。 以此方式，裝配所有的單電池和上集流板、上絕緣板、上端板。最后用螺桿或拉條鎖緊電堆。實(shí)例3按扣卡式金屬雙極板燃料電池電堆按扣卡式金屬雙極板燃料電池電堆的結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，其包括裝夾上端板 1，上絕緣板2，上集流板3，螺桿4，電堆主體5，下集流板6，下絕緣板7，下端板8。所述電堆主體5的的結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由按扣式第一金屬板對(duì)、按扣式第二金屬板25，絕緣套11，膜電極組件12 (MEA)，以及密封圈13構(gòu)成的結(jié)構(gòu)組件。在所述金屬板的卡口部位設(shè)有若干個(gè)卡頭，如圖5所示?？^和卡口之間配有開口的卡簧26，便于在組裝或拆卸時(shí)卡頭和卡口能方便的組合或分離。金屬板的不同部位成型為卡頭和卡口，卡頭和卡口配合處裝卡簧，其上覆蓋絕緣漆或絕緣膠，如圖5。兩塊金屬板分的區(qū)別在于成型卡頭和卡口的部位不同。由于卡簧沈的彈性，卡頭能方便地插入卡口或從中拔出。在組裝電堆主體5時(shí)，所述按扣式第一金屬板24、按扣式第二金屬板25，它們通過多個(gè)卡頭和配套的卡口連接在一起，形成按扣卡式金屬雙極板電堆中的一個(gè)單電池。具體如圖5所示，其中按扣卡第一金屬板M設(shè)有多個(gè)卡頭27，第二按扣式金屬板25設(shè)有多個(gè)卡口觀。組裝時(shí)，按扣式第一金屬板卡頭與按扣式第二金屬板卡口加上卡簧配合，膜電極組件12被夾在中間，使按扣式第一金屬板M、膜電極組件12、按扣式第二金屬板25連接在一起，形成一個(gè)按扣卡式金屬雙極板電堆中的一個(gè)單電池。同理，該單電池再通過其上的卡頭或卡口與另外的單電池相連，直至按照工藝要求將所有的單電池疊加在一起，然后用螺桿4 將這些單電池固定在一起。以上實(shí)例說明是本設(shè)計(jì)的特例，而非唯一可用實(shí)例，依據(jù)本實(shí)用新型所列技術(shù)實(shí)施方式所做的其它特定形式實(shí)例，仍然屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。本實(shí)用新型采用以下方法制備上述的金屬雙極板燃料電池電堆，該方法包括以下步驟(1)金屬雙極板的制造金屬雙極板在成型時(shí)，除了形成氣體流場(chǎng)、冷卻劑流場(chǎng)以及反應(yīng)氣體的進(jìn)出口、冷卻劑進(jìn)出口結(jié)構(gòu)外，同時(shí)在雙極板的端部或外圍預(yù)定的區(qū)域形成了卡口和卡頭。作為定位的卡頭和卡口的方位是交替的，即在金屬雙極板的一個(gè)方位上成型為卡口，另一個(gè)方位上成型為卡頭，以使金屬雙極板之間通過卡頭和卡口能相互配合，從而使組裝電堆主體時(shí)各單電池能準(zhǔn)確定位和初步鎖緊；然后在所述卡口和卡頭上涂覆絕緣膠或絕緣漆，或者在所述卡口和卡頭上套上絕緣套；(2) MEA的制造；所述MEA的制造方法可以通過本領(lǐng)域常用的任意方法制造而獲得。(3)電堆的組裝在電堆組裝臺(tái)上依次組裝下端板、下絕緣板、帶有卡口的下集流板；然后將帶有卡頭和卡口的第一個(gè)金屬雙極板板裝上，使所述金屬雙極板一的卡頭能輕易的通過按壓裝入或插入所述下集流板的卡口上；隨后在雙極板的密封槽中裝入密封圈， 再裝配MEA，密封圈，以及第二個(gè)金屬雙極板二，其上的卡頭能輕易的通過按壓裝入第一個(gè)金屬板的卡口上；以此方式，依次裝配所有其他的雙極板，上集流板、上絕緣板、上端板；最后用螺桿或拉條鎖緊電堆；在用螺桿鎖緊電堆時(shí)，卡口和卡頭不妨礙電堆的進(jìn)一步壓緊。通過金屬雙極板的成型性能，本實(shí)用新型可以使所述雙極板在具有定位特性的同時(shí)，而并沒有增加其制造工序或難度。金屬板上的卡口和卡頭的結(jié)構(gòu)及類似結(jié)構(gòu)，可以是單卡頭及卡口結(jié)構(gòu)(圖2);雙卡頭及卡口結(jié)構(gòu)(圖4 )；按扣式卡頭及卡口結(jié)構(gòu)(圖5)；任何上述2種或2種以上的組合結(jié)構(gòu)。一個(gè)部件上的卡口分成兩個(gè)部位，在一個(gè)部位上成型為卡口，以便前面一個(gè)部件的卡頭插入時(shí)能配合定位；另一個(gè)部位上成型為卡頭，以便插入下一個(gè)部件的卡口時(shí)能與其卡口配合定位。以單卡結(jié)構(gòu)為例，金屬雙極板9和金屬雙極板10 (圖2)的活性區(qū)域以及反應(yīng)氣體及冷卻流體進(jìn)出口區(qū)域是相同的，但卡口上的卡頭和卡口交替，形成配合。金屬板上的卡口和卡頭的結(jié)構(gòu)尺寸以及MEA的尺寸有精密的匹配。各板上的卡口和卡頭在組裝電堆時(shí)使各部件定位，并初步鎖緊密封圈。在用螺桿或拉條鎖緊電堆時(shí)，卡口和卡頭不妨礙電堆的進(jìn)一步壓緊。拆卸時(shí)卡頭能方便的從卡口中退出。以單卡式結(jié)構(gòu)為例加以說明電堆主體配合尺寸關(guān)系。參見圖3，其中tl為焊接成型后的雙極板的厚度，t2為MEA的厚度，t3為單極板的厚度，t4為單極板卡頭+絕緣套(或絕緣漆或絕緣膠)的厚度，t5為1個(gè)雙極板厚度+1個(gè)單極板厚度+2個(gè)MEA的厚度，也即是卡頭可以活動(dòng)的空間，t6為集流板的厚度。為保證電堆組裝后能利用螺桿或拉條所緊，在電堆壓緊狀態(tài)時(shí)，t5 ^ t4，t6 ^ t4。無論雙極板一還是雙極板二，其中的1個(gè)單極板在卡口區(qū)域形成空缺，以讓出空間實(shí)現(xiàn)這樣的結(jié)構(gòu)。其他卡口形式的結(jié)構(gòu)尺寸匹配具有相同特征。所述金屬板上的卡口和(或)卡頭具有絕緣套，或絕緣漆，或絕緣膠，以防止各單電池間短路。
權(quán)利要求1.一種金屬雙極板燃料電池電堆，包括電堆主體，其特征是電堆主體設(shè)有多個(gè)單電池， 每個(gè)單電池設(shè)有兩塊金屬板，兩塊金屬板均設(shè)有多個(gè)卡頭和卡口，其中第一塊金屬板的卡頭與第二塊金屬板的卡口配合，使兩塊金屬板和位于其間的膜電極組件組裝在一起，形成一個(gè)單電池；該單電池與另外的單電池再通過它們的卡頭和卡口相連，所有的單電池依靠這種連接方式疊加在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬雙極板燃料電池電堆，其特征是在每塊金屬板的四周處，設(shè)有多個(gè)卡口和位于該卡口邊沿的卡頭。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬雙極板燃料電池電堆，其特征是所述卡頭和卡口結(jié)構(gòu)為單卡頭及卡口、雙卡頭及卡口、按扣式卡頭及卡口中的一種組合結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬雙極板燃料電池電堆，其特征是所述卡頭和卡口結(jié)構(gòu)為單卡頭及卡口、雙卡頭及卡口、按扣式卡頭及卡口中的兩種以上的組合結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一所述的金屬雙極板燃料電池電堆，其特征是所述的卡頭和卡口上均涂覆有絕緣膠或絕緣漆，或者在所述卡頭和卡口上套有絕緣套。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種金屬雙極板燃料電池電堆，包括電堆主體，該電堆主體設(shè)有多個(gè)單電池，每個(gè)單電池設(shè)有兩塊金屬板，兩塊金屬板均設(shè)有若干個(gè)卡頭和卡口，其中第一塊金屬板的卡頭與第二塊金屬板的卡口配合，使兩塊金屬板和位于其間的膜電極組件組裝在一起，形成一個(gè)單電池；該單電池與另外的單電池再通過它們的卡頭和卡口相連，所有的單電池依靠這種連接方式疊加在一起。本實(shí)用新型解決了電堆組裝時(shí)多層部件定位困難、密封圈易于跑位導(dǎo)致的密封不嚴(yán)等問題，同時(shí)提高了燃料電池堆組裝效率。
文檔編號(hào)H01M2/10GK202013919SQ201120045750
公開日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2011年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月23日
發(fā)明者呂志勇, 潘牧, 王諶, 羅志平, 裴后昌, 詹志剛 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)