基于金屬雙極板的氫電源的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型提供了一種基于金屬雙極板的氫電源，包括：金屬雙極板燃料電池，金屬雙極板燃料電池的電源輸出端與一風(fēng)機(jī)相連，該風(fēng)機(jī)設(shè)于所述金屬雙極板燃料電池的陰極流道一側(cè)，用于使空氣強(qiáng)制對(duì)流通過(guò)燃料電池陰極，并供應(yīng)燃料電池發(fā)電所需反應(yīng)空氣和冷卻空氣，故而簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了金屬雙極板燃料電池的整體總量，進(jìn)而提高了能量密度。電源系統(tǒng)能量密度和比能量高，分別可達(dá)到650W.h/L和700W.h/kg以上；電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、高效可靠；電源系統(tǒng)壽命長(zhǎng)，可達(dá)到3000小時(shí)以上。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于金屬雙極板的氫電源

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于質(zhì)子交換膜燃料電池【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種基于金屬雙極板的氫電源。

【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)方式直接將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，具有高效環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。PEMFC的工作原理是:燃料氣體和氧氣通過(guò)雙極板上的氣體通道分別到達(dá)電池的陽(yáng)極和陰極，通過(guò)膜電極組件(MEA)上的擴(kuò)散層到達(dá)催化層。在膜的陽(yáng)極側(cè)，氫氣在陽(yáng)極催化劑表面上解離為水合質(zhì)子和電子，水合質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜上的磺酸基(-SO3H)傳遞到達(dá)陰極，而電子則通過(guò)外電路流過(guò)負(fù)載到達(dá)陰極。在陰極的催化劑表面，氧分子結(jié)合從陽(yáng)極傳遞過(guò)來(lái)的水合質(zhì)子和電子，生成水分子。在這個(gè)過(guò)程中，質(zhì)子要攜帶水分子從陽(yáng)極傳遞到陰極，陰極也生成水，水從陰極排除。由于質(zhì)子的傳導(dǎo)要依靠水，質(zhì)子膜的潤(rùn)濕程度對(duì)其導(dǎo)電性有著很大的影響，所以需要對(duì)反應(yīng)氣體進(jìn)行加濕。燃料電池的單節(jié)工作電壓一般為0.6^0.7V，要獲得有用的電壓和高功率，必須將多節(jié)單電池串聯(lián)形成電堆，滿(mǎn)足大功率使用需求。質(zhì)子交換膜燃料電池電堆必須在一定的條件下才能發(fā)揮好的效率以實(shí)現(xiàn)可靠的工作，這些條件包括:控制溫度在80°C以下(冷卻系統(tǒng))、保持質(zhì)子交換膜始終處于潤(rùn)濕狀態(tài)(加濕系統(tǒng))、供給充足的空氣(或氧氣)和氫氣(空氣供給系統(tǒng)和氫氣供給系統(tǒng))。由于PEMFC工作使用的燃料是易燃易爆氣體(氫氣)，為防止意外事故，還必須配備報(bào)警系統(tǒng)和滅火系統(tǒng)。同時(shí)，為控制PEMFC的輸入和輸出，以及各系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，還必須建立完善的控制系統(tǒng)。因此，所有這些支持系統(tǒng)是PEMFC高效、穩(wěn)定工作的必要條件。
[0003]中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利CN200610121862.5公布了一種能夠根據(jù)負(fù)載工作的燃料電池，其需要對(duì)空氣進(jìn)行加濕，同時(shí)使用空氣泵，燃料電池系統(tǒng)的重量和成本大大增加。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利CN86100407公布了一種燃料電池電源系統(tǒng)，包括把碳?xì)淙剂限D(zhuǎn)化為富氫燃?xì)獾娜剂险{(diào)整裝置和把燃?xì)廪D(zhuǎn)化為電能的燃料電池組。該電源系統(tǒng)配有重整制氫裝置、熱交換器、鼓風(fēng)機(jī)、冷卻劑循環(huán)管路等大型輔機(jī)，系統(tǒng)十分復(fù)雜。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利CN200810204755.8公布了一種燃料電池與儲(chǔ)能電池組成的備用電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括燃料電池和大型儲(chǔ)能電池，造成電源控制復(fù)雜、系統(tǒng)成本較高，不易移動(dòng)應(yīng)用。
[0004]總之，目前燃料電池系統(tǒng)體積和重量都較大(能量密度不到250W.h/L、比能量不到300W.h/kg)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難便攜式應(yīng)用。
[0005]連接兩相鄰單電池隔板稱(chēng)為雙極板，雙極板不但需要向電堆內(nèi)電極提供反應(yīng)物和在相鄰兩電極之間傳導(dǎo)電流，而且還擔(dān)負(fù)著排出電池生成水和反應(yīng)熱的作用。
[0006]高成本是目前PEMFC難以大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的主要因素，而且較低的重量比功率和體積比功率也是其在移動(dòng)電源應(yīng)用方面的一大障礙。雙極板約占整個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池總重量的70%?80%，成本約占總成本的40?50%。要降低質(zhì)子交換膜燃料電池成本和提高輸出功率，除了改進(jìn)三合一膜電極組件、降低鉬含量或選用鉬的替代金屬外，主要是設(shè)法選擇合適的極板材料、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、合理的制備工藝，以降低電池的內(nèi)阻，提高電池輸出效率，改善電池性能。因此，尋求和設(shè)計(jì)價(jià)廉、質(zhì)輕、板薄、具有良好的力學(xué)性能、高的表面和體積電導(dǎo)率、低透氣性、耐腐蝕材料以及成本較低的制備技術(shù)是雙極板發(fā)展的目標(biāo)。
[0007]目前，雙極板主要有碳/石墨雙極板、復(fù)合雙極板和金屬雙極板三種類(lèi)型。金屬雙極板因具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱特性、柔韌性和易加工性，已經(jīng)受到重視和關(guān)注。與石墨和復(fù)合材料相比，金屬不存在氣密性問(wèn)題，而且金屬板即使制作很薄也可以保證良好的機(jī)械強(qiáng)度，因而可以極大降低電堆體積和重量，同時(shí)由于金屬具有較高的熱導(dǎo)率，電堆內(nèi)部溫度梯度小，也有利于提高電堆內(nèi)部溫度的均勻性。因此利用金屬薄板例如不銹鋼板沖壓成型制備雙極板，是近年研究熱點(diǎn)。
[0008]例如中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)201110236288.9公開(kāi)燃料電池用金屬雙極板，在陰、陽(yáng)極單極板兩側(cè)設(shè)有三腔公用管道，中部設(shè)直流場(chǎng)流道、分配流道和進(jìn)出口流道，直流場(chǎng)流道由平行的凸起和溝槽組成，分配流道部分由按規(guī)律排布的導(dǎo)流島和反向凸起的支撐點(diǎn)構(gòu)成。
[0009]中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)200710140168.2公開(kāi)了一種燃料電池用金屬雙極板，在板狀金屬基片上制備有鈍化金屬層和貴金屬層，金屬雙極板具有至少在面向隔膜電極組件的電極的區(qū)域中形成的凹凸部分，金屬雙極板的兩個(gè)表面分別具有與所述電極接觸的接觸表面和不與所述電極接觸的非接觸表面。
[0010]中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)201010288870.5公開(kāi)了一種沖壓成型的燃料電池金屬雙極板，包括第一金屬板和第二金屬板，兩板反面通過(guò)激光焊接。第一金屬板正面設(shè)置密封平臺(tái)區(qū)，兩板在流場(chǎng)流道與各氣體進(jìn)出口之間設(shè)置斷續(xù)轉(zhuǎn)角導(dǎo)流槽，兩板冷卻水進(jìn)出口周邊區(qū)域設(shè)長(zhǎng)條形凹槽。
[0011]中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)CN1996647公開(kāi)的質(zhì)子交換膜燃料電池薄金屬雙極板，在陰、陽(yáng)極板間省略冷卻流場(chǎng)，降低了組裝厚度，陰、陽(yáng)極流場(chǎng)只利用了一側(cè)流道，陰極流場(chǎng)既作為反應(yīng)氣流道也作為冷卻氣流道。
[0012]同時(shí)，由于質(zhì)子交換膜燃料電池處于潮濕、酸性和較高溫度的內(nèi)部環(huán)境，因此金屬雙極板必須通過(guò)表面改性技術(shù)來(lái)提高其表面導(dǎo)電性和耐蝕性。目前常采用的方法包括PVD、CVD、電鍍以及涂層處理。總之，到目前為止還沒(méi)有一種金屬雙極板得以大規(guī)模應(yīng)用，金屬雙極板燃料電池電堆的性能、壽命和成本還沒(méi)有達(dá)到商業(yè)化指標(biāo)。為此，急需開(kāi)發(fā)良好導(dǎo)電性、高耐蝕性和低成本的燃料電池金屬雙極板。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0013]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高能量密度的氫電源。
[0014]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種氫電源，包括:金屬雙極板燃料電池，金屬雙極板燃料電池的電源輸出端與一風(fēng)機(jī)相連，該風(fēng)機(jī)設(shè)于所述金屬雙極板燃料電池的陰極流道一側(cè)，用于使空氣強(qiáng)制對(duì)流通過(guò)燃料電池陰極，并供應(yīng)燃料電池發(fā)電所需反應(yīng)空氣和冷卻空氣，故而簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了金屬雙極板燃料電池的整體總量，進(jìn)而提高了能量密度。
[0015]優(yōu)選的方案是:所述風(fēng)機(jī)經(jīng)DC/DC電路與所述金屬雙極板燃料電池的電源輸出端相連，風(fēng)機(jī)為軸流風(fēng)扇。
[0016]進(jìn)一步優(yōu)選的方案是:所述金屬雙極板燃料電池的進(jìn)氣口依次經(jīng)一常閉型電控閥、減壓閥與氫源相連，金屬雙極板燃料電池的排氣口上設(shè)有常開(kāi)型電控閥；氫源釋放的氫氣經(jīng)過(guò)常閉型電控閥后進(jìn)入金屬雙極板燃料電池，最后通過(guò)常開(kāi)型電控閥排出；風(fēng)機(jī)、常閉型電控閥和常開(kāi)型電控閥與一控制器相連；控制器還與一用于測(cè)量金屬雙極板燃料電池溫度的溫度傳感器相連；控制器根據(jù)測(cè)得的溫度控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
[0017]進(jìn)一步優(yōu)選的方案是:所述金屬雙極板燃料電池的電源輸出端經(jīng)充電電路與一電池相連，該電池與所述風(fēng)機(jī)、常閉型電控閥、常開(kāi)型電控閥和控制器相連。
[0018]本實(shí)用新型的氫電源的生產(chǎn)方法包括金屬雙極板的制備工藝，其包括:
[0019]I)、采用鈦基金屬制成雙極板；
[0020]2)、將上述雙極板(優(yōu)選在純氧環(huán)境下)加熱至200°C飛00°C，以在雙極板表面上制備一層Ti02 ；
[0021]3)、將上述雙極板在惰性氣體(例如N2、氬氣等)氣氛中加熱到50(Tll00°C時(shí)，通入氫氣和碳?xì)淙剂系幕旌蠚怏w，使Ti02層轉(zhuǎn)變?yōu)門(mén)iC層。其中，保溫至少0.5h。
[0022]所述鈦基金屬為鈦材或鈦合金金屬皮(進(jìn)一步優(yōu)選，該金屬皮厚度為0.03、.1mm,其制成的雙極板的整體厚度為lmnT4mm)。采用鈦基金屬制成所述雙極板的制備工藝包括:I)將鈦材或鈦合金金屬皮通過(guò)壓印方法制備供反應(yīng)氣體分布的平行流道，形成單極板。平行流道從極板的一端到另一端貫通，極板上無(wú)密封槽；2)將一片鈦材或鈦合金皮與上述帶有流場(chǎng)的單極板通過(guò)點(diǎn)焊方法制備成雙極板，或上述兩片單極板通過(guò)點(diǎn)焊方法制備成雙極板。
[0023]所述雙極板表面上的高導(dǎo)電性和耐蝕性的碳化鈦(TiC)層的厚度為1?50μπι，腐蝕電流低于I U A/cm2,面比電阻低于10 Ω.cm2,氫氣滲透系數(shù)小于2 X 106cm3/ (sec.cm2.Pa)。
[0024]本實(shí)用新型具有以下顯著的特點(diǎn)和突出的優(yōu)勢(shì):(1)本實(shí)用新型中，電源系統(tǒng)能量密度和比能量高，分別可達(dá)到650W.h/L和700W.h/kg以上；電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、高效可靠；電源系統(tǒng)壽命長(zhǎng)，可達(dá)到3000小時(shí)以上。金屬雙極板燃料電池利用氫氣和陰極流道內(nèi)的自然空氣產(chǎn)生電能，經(jīng)過(guò)DC/DC穩(wěn)壓后供給軸流風(fēng)扇、尾氣電控閥(常開(kāi)型)和鋰離子電池，軸流風(fēng)扇在燃料電池供電下使空氣強(qiáng)制對(duì)流通過(guò)燃料電池陰極，供應(yīng)燃料電池發(fā)電所需反應(yīng)空氣和冷卻空氣。在燃料電池工作中，控制器對(duì)軸流風(fēng)扇、電控閥等進(jìn)行有效控制，使燃料電池穩(wěn)定可靠發(fā)電。軸流風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速與電堆運(yùn)行溫度存在控制邏輯關(guān)系，尾氣電控閥(常開(kāi)型)按一定周期脈沖排放尾氣，在遇到緊急情況下，進(jìn)氣電控閥關(guān)閉。在本實(shí)用新型氫電源中，設(shè)有一塊微型鋰離子電池，其作用是為控制器和進(jìn)氣電控閥提供電能，由燃料電池進(jìn)行充電。負(fù)載所需電能僅由燃料電池提供。(2) TiC層采用低成本的表面原位氧化還原改性直接制備而成。首先在鈦基體表面上直接獲得TiQ層，在燃料氣體碳化過(guò)程中，碳原子與T12的反應(yīng)形成較致密的TiC層，該層與鈦基體形成化學(xué)鍵，屬一體化結(jié)構(gòu)，結(jié)合力強(qiáng)(其結(jié)合力強(qiáng)于如專(zhuān)利文獻(xiàn)CN101604756A中公開(kāi)的TiC層)。本實(shí)用新型的TiC層生成方案，成本較低，環(huán)保(無(wú)排放、無(wú)廢渣)，使用壽命較長(zhǎng)(可達(dá)至少5000小時(shí)，傳統(tǒng)金屬雙極板的使用壽命為短于2000小時(shí))，鈦基體表面先后生成的T12層、TiC層采用〃 一鍋法”實(shí)現(xiàn)，工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，可批量生產(chǎn)。本實(shí)用新型的表面改性技術(shù)在保證金屬雙極板機(jī)械性能的情況下，可以顯著地提高金屬雙極板的耐蝕性。本實(shí)用新型有利于促進(jìn)質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板的廣泛應(yīng)用。本實(shí)用新型金屬雙極板組成的電堆采用低壓空氣作為氧化劑和冷卻劑，可使用軸流風(fēng)扇供給低壓空氣，無(wú)需空氣壓縮機(jī)供給高壓氣體，也無(wú)需水冷系統(tǒng)，使得燃料電池發(fā)電系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化，并降低了發(fā)電系統(tǒng)成本。而且金屬雙極板采用超薄鈦材或鈦合金材料，雙極板采用貫通的平行通道、無(wú)密封槽的新結(jié)構(gòu)，這使得燃料電池電堆發(fā)電系統(tǒng)的體積功率密度和比功率大大提高，可高于傳統(tǒng)金屬雙極板一倍之多。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1為本實(shí)用新型的氫電源的結(jié)構(gòu)示意圖，其中的附圖標(biāo)記:1、金屬雙極板燃料電池，2、氫源，3、減壓閥，4、控制器，5、鋰離子電池，6、軸流風(fēng)扇，7、進(jìn)氣電磁閥(常閉型)，8、尾氣電磁閥(常開(kāi)型)，9、DC/DC電路，10、溫度傳感器；
[0026]圖2為燃料電池雙極板性能比較。

【具體實(shí)施方式】
[0027]實(shí)施例1
[0028]如圖1，一種氫電源包括:金屬雙極板燃料電池1、氫源2、減壓閥3、控制器4、鋰離子電池5、軸流風(fēng)扇6、進(jìn)氣電磁閥(常閉型)7、尾氣電磁閥(常開(kāi)型)8、DC/DC電路9、溫度傳感器10。
[0029]氫源2釋放的氫氣經(jīng)過(guò)減壓閥3減壓、并經(jīng)過(guò)進(jìn)氣電磁閥(常閉型)7后進(jìn)入金屬雙極板燃料電池1，最后通過(guò)尾氣電磁閥(常開(kāi)型)8排出。金屬雙極板燃料電池I利用氫氣和陰極流道內(nèi)的自然空氣產(chǎn)生電能，經(jīng)過(guò)DC/DC電路9穩(wěn)壓后供給軸流風(fēng)扇6、尾氣電磁閥(常開(kāi)型)8和鋰離子電池5，軸流風(fēng)扇6在燃料電池I供電下使空氣強(qiáng)制對(duì)流通過(guò)燃料電池陰極，供應(yīng)燃料電池I發(fā)電所需反應(yīng)空氣和冷卻空氣。
[0030]在燃料電池工作中，控制器4對(duì)軸流風(fēng)扇6、所述的電磁閥等進(jìn)行有效控制，使燃料電池穩(wěn)定可靠發(fā)電。軸流風(fēng)扇6的轉(zhuǎn)速與燃料電池I運(yùn)行溫度存在控制邏輯關(guān)系，尾氣電磁閥(常開(kāi)型)8按一定周期脈沖排放尾氣，在遇到緊急情況下，進(jìn)氣電磁閥7關(guān)閉。在本實(shí)用新型氫電源中，設(shè)有一塊微型鋰離子電池5，其作用是為控制器4和進(jìn)氣電磁閥7提供電能，由燃料電池I進(jìn)行充電。負(fù)載所需電能僅由燃料電池I提供。
[0031]其控制方法為:采用溫度傳感器10對(duì)金屬雙極板燃料電池I的溫度信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和并對(duì)軸流風(fēng)扇6風(fēng)葉轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制。當(dāng)金屬雙極板燃料電池I工作溫度< 30°C時(shí)，軸流風(fēng)扇6關(guān)閉；當(dāng)金屬雙極板燃料電池I工作溫度彡30°C時(shí)，軸流風(fēng)扇6怠速運(yùn)行；當(dāng)金屬雙極板燃料電池I工作溫度> 45°C度時(shí)，軸流風(fēng)扇6轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值；當(dāng)金屬雙極板燃料電池I工作溫度超過(guò)60°C度時(shí)，控制器4開(kāi)始報(bào)警；當(dāng)金屬雙極板燃料電池I工作溫度>65°C度時(shí)，控制器4通過(guò)進(jìn)氣電磁閥7中斷氫氣供應(yīng)，使金屬雙極板燃料電池I停止工作。
[0032]本實(shí)用新型所述高能量密度的氫電源采用金屬雙極板燃料電池，比功率在700W/kg以上，而不是石墨雙極板燃料電池。傳統(tǒng)石墨雙極板燃料電池具有較低的重量比功率和體積比功率，是其在移動(dòng)電源應(yīng)用方面的一大障礙。而金屬雙極板具有價(jià)廉、質(zhì)輕、板薄、具有良好的力學(xué)性能、高的表面和體積電導(dǎo)率優(yōu)勢(shì)，使燃料電池重量比功率和估積比功率大大提升，特別適合于便攜式應(yīng)用。本實(shí)用新型所述氫源指液氫、碳纖維增強(qiáng)型高壓儲(chǔ)氫或現(xiàn)場(chǎng)制氫如硼氫化鈉、氫化I丐、氫化鎂的水解制氫，儲(chǔ)氫質(zhì)量比為5%以上。
[0033]實(shí)施例2
[0034]—種實(shí)施例1所述的氫電源，其中，所述金屬雙極板燃料電池的金屬雙極板的制備工藝，包括:1)將鈦皮(純鈦皮)通過(guò)壓印方法制備供反應(yīng)氣體分布的平行流道，形成單極板。平行流道從極板的一端到另一端貫通，極板上無(wú)密封槽；2)將一片鈦材或鈦合金皮與上述帶有流場(chǎng)的單極板通過(guò)點(diǎn)焊方法制備成雙極板。3)在雙極板表面上制備一層高導(dǎo)電性和耐蝕性的碳化鈦層,其厚度為I μ m,腐蝕電流為0.9 μ A/cm2，面比電阻為9 Ω.cm2，氫氣滲透系數(shù)為1.8 X 16Cm3/ (sec.cm2.Pa)。鈦皮厚度根據(jù)需要任意選擇，優(yōu)選0.03?0.1mm,這樣可使雙極板的整體厚度減小至Imm;進(jìn)而可以降低燃料電池的整體重量，進(jìn)而提高其比功率，較薄的鈦皮也利于散熱。
[0035]碳化鈦層采用表面原位氧化還原新工藝制備而成，具體制備工藝為:1)將鈦皮在純氧環(huán)境下加熱至3003伙TC (優(yōu)選400°C )，在雙極板表面上制備一層T12,厚度為I^ym ；2)將上述帶有T12層的鈦基金屬雙極板置N2氣氛中加熱到75(T7ft5?°C (優(yōu)選850°C )，并緩慢通入氫氣和天然氣的混合氣體，進(jìn)氣摩爾比為H2:天然氣=0.5:99.b?3:97(優(yōu)選1:100)，保源^ 1.5，使T12層轉(zhuǎn)變?yōu)門(mén)iC層。冷卻后即完成制備金屬雙極板成品。
[0036]為比較不同雙極板的性能，分別采用51片本實(shí)用新型的方法制成的金屬雙極板、與51片未經(jīng)處理的鈦金屬雙極板和51片石墨雙極板組裝成燃料電池電堆，進(jìn)行發(fā)電實(shí)驗(yàn)，性能對(duì)比如圖2所示。從圖中可看出，未經(jīng)處理的鈦雙極板燃料電池在0.5A/cm2的電壓為0.56V，而經(jīng)過(guò)本實(shí)用新型TiC處理的鈦雙極板燃料電池在0.5A/cm2的電壓為0.66V，與石墨板的性能相似。經(jīng)過(guò)300小時(shí)長(zhǎng)期放電后，未經(jīng)處理的鈦雙極板燃料電池性能衰減了52mV,而經(jīng)過(guò)本實(shí)用新型TiC處理的鈦雙極板燃料電池的電壓衰減為25mV，也與石墨板的性能相似。
[0037]實(shí)施例3
[0038]實(shí)施例2的基礎(chǔ)上,采用鈦合金皮(鈦合金可分為結(jié)構(gòu)鈦合金和耐熱鈦合金，或α型鈦合金、β型鈦合金和α + β型鈦合金,這些鈦合金中的任意一種都可使用。)作為金屬雙極板基材，其制備工藝為:1)將鈦合金皮通過(guò)壓印方法制備供反應(yīng)氣體分布的平行流道，形成單極板。平行流道從極板的一端到另一端貫通，極板上無(wú)密封槽；2)將一片鈦合金皮與上述帶有流場(chǎng)的單極板通過(guò)點(diǎn)焊方法制備成雙極板?；蛏鲜鰞善瑔螛O板通過(guò)點(diǎn)焊方法制備成雙極板。3)在雙極板表面上制備一層高導(dǎo)電性和耐蝕性的碳化鈦層，其厚度為50 μ m，腐蝕電流為0.5 μ A/cm2,面比電阻為6 Ω.cm2,氫氣滲透系數(shù)為I X 106cm3/ (sec.cm2.Pa)。
[0039]作為進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式，所述鈦合金皮的厚度為0.1mm,相應(yīng)的雙極板的整體厚度為4_;進(jìn)而可以降低燃料電池的整體重量，進(jìn)而提高其比功率，較薄的鈦皮也利于散熱。
[0040]本實(shí)用新型上，碳化鈦層采用表面原位氧化還原新工藝制備而成，具體制備工藝為:1)將鈦合金雙極板在純氧環(huán)境下加熱至500°C，在雙極板表面上制備一層T12，厚度為30-50 μ m ;2)將上述帶有T12層的鈦合金雙極板置N2氣氛中加熱到800_1050°C，并緩慢通入氫氣和甲烷的混合氣體，進(jìn)氣摩爾比為H2:甲烷=3:97，保溫2h，冷卻后使T12層轉(zhuǎn)變?yōu)門(mén)iC層。即制得本實(shí)用新型金屬雙極板。
[0041]采用上述燃料電池構(gòu)成的電堆發(fā)電系統(tǒng)比功率可達(dá)500W/kg以上,功率密度可達(dá)550W/L 以上。
【權(quán)利要求】
1.一種基于金屬雙極板的氫電源，包括:金屬雙極板燃料電池，其特征在于:金屬雙極板燃料電池的電源輸出端與一風(fēng)機(jī)相連，該風(fēng)機(jī)設(shè)于所述金屬雙極板燃料電池的陰極流道一側(cè)，用于使空氣強(qiáng)制對(duì)流通過(guò)燃料電池陰極，并供應(yīng)燃料電池發(fā)電所需反應(yīng)空氣和冷卻空氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于金屬雙極板的氫電源，其特征在于:風(fēng)機(jī)經(jīng)DC/DC電路與所述金屬雙極板燃料電池的電源輸出端相連，風(fēng)機(jī)為軸流風(fēng)扇。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于金屬雙極板的氫電源，其特征在于:該金屬雙極板燃料電池的進(jìn)氣口依次經(jīng)一常閉型電控閥、減壓閥與氫源相連，金屬雙極板燃料電池的排氣口上設(shè)有常開(kāi)型電控閥；氫源釋放的氫氣經(jīng)過(guò)常閉型電控閥后進(jìn)入金屬雙極板燃料電池，最后通過(guò)常開(kāi)型電控閥排出； 風(fēng)機(jī)、常閉型電控閥和常開(kāi)型電控閥與一控制器相連；控制器還與一用于測(cè)量金屬雙極板燃料電池溫度的溫度傳感器相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于金屬雙極板的氫電源，其特征在于:所述金屬雙極板燃料電池的電源輸出端經(jīng)充電電路與一電池相連，該電池與所述風(fēng)機(jī)、常閉型電控閥、常開(kāi)型電控閥和控制器相連。
【文檔編號(hào)】H01M8/02GK204011562SQ201420388910
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年7月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月14日
【發(fā)明者】朱浩, 朱艾成, 王誠(chéng), 劉發(fā)喜, 董文超 申請(qǐng)人:江蘇冰城電材股份有限公司