專利名稱：一種燃料電池陰極專用的雙極板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，具體涉及ー種燃料電池陰極專用的雙極板。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)是將氫氣和氧氣或空氣在發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時所產(chǎn)生的電能予以利用的一種清潔能源技木。由于其功率密度大、工作溫度低、電池結(jié)構(gòu)簡單、對壓カ變化不敏感等特點(diǎn)，已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到了普遍的關(guān)注，其產(chǎn)品也逐漸進(jìn)入市場。質(zhì)子交換膜燃料電池的電解質(zhì)為質(zhì)子交換膜(電解質(zhì)膜)，目前廣泛使用的是杜邦公司生產(chǎn)的Nafion系列全氟磺酸膜。膜的作用是雙重的，一方面為電解質(zhì)提供氫離子通道，另ー方面為隔膜隔離兩極反應(yīng)氣體。對膜進(jìn)行離子和水傳輸性能的優(yōu)化及適當(dāng)?shù)乃芾?，是保證電池性能的關(guān)鍵。在隔膜的兩側(cè)，各有ー層催化層。催化劑主要是由碳載鉬(Pt/C)組成，在催化層中再加入Nafion溶液，以增加質(zhì)子傳導(dǎo)性能以及催化層與電解質(zhì)的接觸性能。催化層是燃料電池氣體區(qū)域。在催化層的兩側(cè)，各有一層氣體擴(kuò)散層，主要作用是作為催化層的支撐體、電池內(nèi)部的導(dǎo)電、氣體在電極表面的分布、反應(yīng)產(chǎn)物的排出等。目前，擴(kuò)散層的材料主要是碳紙、碳布或者金屬網(wǎng)。擴(kuò)散層的孔隙率、疏水特性、厚度以及組分對燃料電池性能有很大的影響。擴(kuò)散層的這幾個變量都是互相關(guān)聯(lián)地影響燃料電池的性能?？紫堵蚀笥欣跉怏w的擴(kuò)散，可是過大則氣體分布不均、容易發(fā)生堵水現(xiàn)象。一般來說疏水性高較好，可是過高就會使孔分布不均、加工成本過高。電解質(zhì)膜、催化層和氣體擴(kuò)散層共同組成膜電極(膜電極，MEA)。在膜電極的兩側(cè)，各有一塊雙極板，其作用是電流收集和傳送、氣體分布以及熱管理。目前主要用石墨為材料，由于石墨的脆性，不能做得很薄，増加了電堆的重量和體積，其價格高、密度大。所以各研究者也在尋求石墨的替代品，比如導(dǎo)電塑料、不銹鋼等。在雙極板貼緊膜電極的一側(cè)刻有氣體流道，目的是使反應(yīng)氣體能夠均勻分布于整個電極表面。氣體流道的形狀很多，比較常見的是蛇行流道(見美國專利號6099984)。在雙極板上還必須有氣體輸入通道，燃料電池外部反應(yīng)氣體通過氣體輸入通道，均勻分流到每個單電池的雙極板；電池反應(yīng)結(jié)束后，剰余的尾氣要從各自的單電池進(jìn)入氣體排出通道，最終排到燃料電池外部，或者再次通過氣體輸入通道進(jìn)入雙極板的流道進(jìn)行循環(huán)利用而參與反應(yīng)。一般的燃料電池，必須有一個壓縮機(jī)(或空氣泵、軸流風(fēng)扇、離心風(fēng)機(jī))對燃料電池的陰極提供反應(yīng)所需要的氧氣(或空氣)。針對液體冷卻系統(tǒng)，需要ー個水泵為燃料電池的冷卻提供必須的冷卻液體；而針對空氣冷卻系統(tǒng)，需要一個空氣壓縮機(jī)(或空氣泵、軸流風(fēng)扇、離心風(fēng)機(jī))為燃料電池的冷卻提供必須的冷卻空氣。由于流體系統(tǒng)復(fù)雜，機(jī)械部件多而故障率高，造成電池的體積和重量都較大
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決使用現(xiàn)有的雙極板時，燃料電池需要同時裝備提供反應(yīng)氣體的壓縮機(jī)和冷卻介質(zhì)的水泵或氣泵，提供ー種即可實(shí)現(xiàn)傳輸反應(yīng)氣體，同時又可散熱的燃料電池陰極專用雙極板。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案如下
ー種燃料電池陰極專用的雙極板，在該雙極板的一面設(shè)有氣體流道，在其背面設(shè)有散熱流道，散熱流道的開口和氣體流道的開ロ均設(shè)在與該面垂直的ー個端面，在散熱流道的開ロ處和氣體流道的開ロ處均設(shè)有截流器，使散熱流道的開ロ總面積與氣體流道的開ロ總面積之比為(100 ~ 200) lo進(jìn)一歩，所述散熱流道為直通型、蛇型或波浪型。進(jìn)一歩，所述氣體流道為直通型、蛇型或波浪型。進(jìn)ー步，所述截流器為ー擋板。 另ー種燃料電池陰極專用的雙極板，在該雙極板的一面設(shè)有散熱流道，所述散熱流道通過雙極板上的通孔與雙極板的背面相通，使進(jìn)入散熱流道的氣體一部分經(jīng)通孔輸送至雙極板的背面，另一部分順著散熱流道排出。進(jìn)ー步，所述背面為平面。進(jìn)ー步，所述背面刻有氣體流道，氣體流道通過雙極板上的通孔與散熱流道相通。進(jìn)ー步，在散熱流道的開ロ處設(shè)有截流器。有益效果
本發(fā)明采用散熱流道入口與氣體流道入口處于同一端面，或者采用由散熱流道進(jìn)氣再由雙極板上的通孔向反應(yīng)面供氣，從而只需要使用一臺壓縮機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)向雙極板散熱面和反應(yīng)面提供氣體。簡化燃料電池系統(tǒng)，減小電池體積和重量，増大燃料電池的體積比功率和重量比功率，并降低機(jī)械部件的故障率，降低燃料電池成本。尤其是適用于便攜質(zhì)子交換膜燃料電池的雙極板流道。


圖I是本發(fā)明燃料電池雙極板的橫截面圖。圖2是圖I雙極板的散熱面。圖3Α、圖3Β是圖I雙極板的兩種反應(yīng)面。圖4是另ー種雙極板的橫截面圖。圖5Α、圖5Β分別是圖4雙極板的散熱面和反應(yīng)面。圖6是另ー種雙極板的橫截面圖。圖7是圖6雙極板的散熱面。圖8是圖6雙極板的反應(yīng)面。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明以質(zhì)子交換膜燃料電池為例，質(zhì)子交換膜燃料電池具有夾心層的結(jié)構(gòu)，由內(nèi)往外分別緊貼有電解質(zhì)膜、催化層、氣體擴(kuò)散層、雙極板和取電板，雙極板緊貼著氣體擴(kuò)散層的一面為反應(yīng)面，其相反面為散熱面，電解質(zhì)膜的兩邊分別稱為陰極和陽極。實(shí)施例I
圖I是質(zhì)子交換膜燃料電池陰極側(cè)的雙極板的橫截面，在雙極板31的散熱面11和反應(yīng)面21分別刻有散熱流道和氣體流道，使用一臺壓縮機(jī)就可將氣體從該橫截面上散熱流道的入口和氣體流道的入口分別送入散熱面和反應(yīng)面。氣體可以是空氣或氧氣。如圖2所示，散熱流道采用直通型，由均勻分布的條形溝槽51構(gòu)成，每條溝槽的寬度一般為O. 2 2. 5mm,深度為O. 3 2. Omm,溝槽與溝槽之間所形成的脊41的寬度一般為O. 5 2. 5_，溝槽51的截面形狀可以是矩形或橢圓形，在每個溝槽的入口 Al和出ロ BI處設(shè)有截流器61，空氣或氧氣在截流器61的作用下產(chǎn)生湍流，以增大傳熱系數(shù)，截流器61為ー擋板，擋板的大小根據(jù)需要調(diào)整。
圖3A是反應(yīng)面上氣體流道的ー種直通型分布，該氣體流道也是由均勻分布的條形溝槽52組成，每條溝槽的寬度一般為O. 2 2. 5mm,深度為O. 3 I. 5mm,溝槽與溝槽之間所形成的脊42的寬度一般為O. 5 2. 5_，其截面形狀可以是梯形、矩形或橢圓形，在每條溝槽的入口 A2和出口 B2處設(shè)有截流器62，同樣，該截流器也是ー擋板，擋板的大小可調(diào)， 通過調(diào)節(jié)截流器61和截流器62的大小，從而控制散熱流道的開ロ總面積與氣體流道的開ロ總面積之比為(100 ~ 200) =I0圖3Β是反應(yīng)面上氣體流道的另ー種波浪型分布，其特點(diǎn)是在反應(yīng)面上矩陣分布著凸起的脊43，脊的形狀一般為菱柱形，也可以是長方形或橢圓柱形，在脊與脊之間的空隙形成供空氣或氧氣流通的槽53。當(dāng)氣體通過入口 A3進(jìn)入槽53的時候，在脊43的作用下，產(chǎn)生湍流或渦流，增大氣體的擴(kuò)散系數(shù)，降低電池的濃差極化。同時，反應(yīng)產(chǎn)生的水很容易隨著氣流通過Β3排出，避免了電池的堵水現(xiàn)象。氣體在入口 A3和出口 Β3之間的壓降很小，只有50-400Pa，這樣對壓縮機(jī)(也可用空氣泵、軸流風(fēng)扇或離心風(fēng)機(jī)等替換)的要求就很低，從而降低了電池成本，減小了電池體積和重量。實(shí)施例2
圖4是另ー種質(zhì)子交換膜燃料電池陰極側(cè)的雙極板的橫截面，雙極板32的反應(yīng)面為平面，沒有氣體流道。圖5A是該雙極板散熱面的正視圖，該散熱面刻有的散熱流道與實(shí)施例I相同，不同的地方在于，在每條溝槽54中，都設(shè)置有許多通孔7，通孔的形狀沒有特別限止，可以是圓形、矩形、橢圓形或其它形狀，保持各通孔形狀大小一致且均勻分布即可。氣體從入口 A4進(jìn)入溝槽54中，在由擋板做成的截流器64的作用下產(chǎn)生湍流，一部分流經(jīng)通孔7而到達(dá)雙極板32的背面，并進(jìn)ー步擴(kuò)散到與該面相接觸的氣體擴(kuò)散層表面，當(dāng)然，氣體及生成的水也可以經(jīng)通孔7返回溝槽54，并從出ロ B4排出，另一部分順道溝槽54帶著熱量從出ロ B4排出。圖5B為雙極板的反應(yīng)面,采用平面,可以簡化加工和組裝エ藝,極板厚度減小,從而降低電池成本。通孔7可以達(dá)到提高氣體擴(kuò)散系數(shù)的目的，不僅有利于電化學(xué)反應(yīng)，而且有利于反應(yīng)產(chǎn)物水的排出。實(shí)施例3
圖6是另ー種質(zhì)子交換膜燃料電池陰極側(cè)的雙極板的橫截面。如圖7所示，與實(shí)施例
2不同的是在散熱流道中，只在其中ー個溝槽中設(shè)有等距分布的通孔8，如圖8所示，在雙極板的反應(yīng)面，對應(yīng)每個通孔8處都刻有與散熱流道溝槽55方向相垂直的溝槽24，作為氣體流道，在氣體流道的出ロ處有節(jié)氣門9。氣體進(jìn)入溝槽后，一部分氣體通過通孔8透過雙極板進(jìn)入反應(yīng)面的氣體流道，再從氣體流道出口處排出，如果空氣濕度比較大，電極有“水淹”的可能，就可以通過減小節(jié)氣門9開ロ，降低反應(yīng)流道的阻力，從而増大反應(yīng)氣體的流量，如果空氣濕度比較低，則增大節(jié)氣門9開ロ，從而減小反應(yīng)氣體的流量，以避免電極的不會因過度干燥而性能降低。另一部分順著散熱流道排出雙極板，同時帶走熱量，起到冷卻作 用。
權(quán)利要求
1.ー種燃料電池陰極專用的雙極板，在該雙極板的一面設(shè)有氣體流道，其特征在于在其背面設(shè)有散熱流道，散熱流道的開口和氣體流道的開ロ均設(shè)在與該面垂直的ー個端面，在散熱流道的開ロ處和氣體流道的開ロ處均設(shè)有截流器，使散熱流道的開ロ總面積與氣體流道的開ロ總面積之比為(100 200) :1。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述燃料電池陰極專用的雙極板，其特征在于所述散熱流道為直通型、蛇型或波浪型。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述燃料電池陰極專用的雙極板，其特征在于所述氣體流道為直通型、蛇型或波浪型。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述燃料電池陰極專用的雙極板，其特征在于所述截流器為ー擋板。
5.ー種燃料電池陰極專用的雙極板，其特征在于在所述雙極板的一面設(shè)有散熱流道，所述散熱流道通過雙極板上的通孔與雙極板的背面相通，使進(jìn)入散熱流道的氣體一部分經(jīng)通孔輸送至雙極板的背面，另一部分順著散熱流道排出。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述燃料電池陰極專用的雙極板，其特征在于所述背面為平面。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述燃料電池陰極專用的雙極板，其特征在于所述背面刻有氣體流道，氣體流道通過雙極板上的通孔與散熱流道相通。
8.根據(jù)權(quán)利要示5所述燃料電池陰極專用的雙極板，其特征在于在散熱流道的開ロ處設(shè)有截流器。
全文摘要
本發(fā)明公開一種燃料電池陰極專用的雙極板，該雙極板采用散熱流道入口與氣體流道入口處于同一端面，或者采用由散熱流道進(jìn)氣再由雙極板上的通孔向反應(yīng)面供氣，從而只需要使用一臺壓縮機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)向雙極板散熱面和反應(yīng)面提供氣體。簡化燃料電池系統(tǒng)，減小電池體積和重量，增大燃料電池的體積比功率和重量比功率，并降低機(jī)械部件的故障率，降低燃料電池成本。尤其是適用于便攜質(zhì)子交換膜燃料電池的雙極板流道。
文檔編號H01M4/86GK102683719SQ20121014685
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月14日
發(fā)明者李彤, 雷一杰, 顧軍 申請人:南京大學(xué)(蘇州)高新技術(shù)研究院