專(zhuān)利名稱(chēng):質(zhì)子交換膜燃料電池薄金屬雙極板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池部件，尤其涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池薄金屬雙極板。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells，PEMFC)以氫和氧為原料，直接產(chǎn)生電能，能量轉(zhuǎn)化效率高(40-60％)、綠色環(huán)保，是內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力裝置的理想替代動(dòng)力源，同時(shí)還是理想的可移動(dòng)電源、家庭電源和分散電站。通常，質(zhì)子交換膜燃料電池由若干組單元電池組裝而成。每個(gè)單元電池又由膜電極組件、雙極板和密封元件組成。膜電極組件和密封元件的批量制造技術(shù)已成熟，雙極板的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)尚在發(fā)展和完善中。雙極板作為質(zhì)子交換膜燃料電池的一個(gè)重要組成部分，應(yīng)具有以下三個(gè)方面功能(1)流體分布。將燃料與氧化劑分別輸送到陽(yáng)極和陰極的催化劑層進(jìn)行反應(yīng)，未反應(yīng)的氧化劑將陰極反應(yīng)生成的水通過(guò)流場(chǎng)板帶出，以防止陰極遭水淹；(2)機(jī)械支撐。支撐膜電極以使燃料及氧化劑可在制定壓力下進(jìn)行反應(yīng)；(3)集流。串聯(lián)單電池形成電流通路。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板應(yīng)具有以下性能(1)良好的導(dǎo)電性。雙極板必須具有盡可能小的電阻以確保電池性能；(2)良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性能。雙極板被腐蝕后表面電阻增大，進(jìn)而使電池性能下降，故流場(chǎng)板必須是耐腐蝕材料；(3)良好的導(dǎo)熱性。使各反應(yīng)區(qū)溫度均勻，提高電極效率；(4)良好的氣密性。氣密性好是防止在電池堆中陰、陽(yáng)極氣體透過(guò)流場(chǎng)板直接反應(yīng)，降低電池堆的性能甚至發(fā)生危險(xiǎn)；(5)機(jī)械強(qiáng)度高。質(zhì)輕，體積小，容易加工。流場(chǎng)板質(zhì)輕和體積小可使燃料電池的質(zhì)量比功率和體積比功率變大，而容易加工則可提高生產(chǎn)效率，大大降低電池的成本；(6)均勻分布流體。流體均勻分布可使燃料和氧化劑均勻到達(dá)催化劑層，有利于充分利用催化劑，從而大大提高燃料電池的性能。
現(xiàn)有技術(shù)中，質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的材質(zhì)主要采用石墨板和金屬板。其中，石墨雙極板能滿(mǎn)足燃料電池的性能要求，但石墨雙極板的制造成本高，占電池堆總成本的60％以上，導(dǎo)致質(zhì)子交換膜燃料電池總成本偏高，這已成為阻礙燃料電池商品化的主要原因。金屬雙極板具有強(qiáng)度高、制造成本低的優(yōu)點(diǎn)，是雙極板技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，是制造低成本、高性能質(zhì)子交換膜燃料電池的有效技術(shù)途徑。例如中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)公告號(hào)為CN1787261，
公開(kāi)日為2006年6月14日，公開(kāi)了《一種沖壓金屬雙極板結(jié)構(gòu)及其制備方法》，它由兩塊金屬薄板沖壓加工并組裝而成，流場(chǎng)溝槽和流場(chǎng)凸臺(tái)交錯(cuò)排布，雙極板正反對(duì)稱(chēng)，正面的流場(chǎng)溝槽為背面的流場(chǎng)凸臺(tái)，正面的流場(chǎng)凸臺(tái)為背面的流場(chǎng)溝槽，該金屬雙極板的剛度較差。因此，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池商品化的關(guān)鍵是低成本、高性能、高強(qiáng)度雙極板的批量制造技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中金屬雙極板強(qiáng)度較差的技術(shù)問(wèn)題，提供一種能滿(mǎn)足質(zhì)子交換膜燃料電池功能與性能要求、設(shè)計(jì)合理、成本低廉的適于工業(yè)化大批量制造的質(zhì)子交換膜燃料電池薄金屬雙極板。
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明質(zhì)子交換膜燃料電池薄金屬雙極板予以實(shí)施的技術(shù)方案是它由陽(yáng)極流場(chǎng)板、陰極流場(chǎng)板和支撐板組成，所述陽(yáng)極流場(chǎng)板的流場(chǎng)形式為單通道蛇行流場(chǎng)，所述陰極流場(chǎng)板的氧化劑分配管道為開(kāi)放性溝槽，所述陽(yáng)、陰極流場(chǎng)板成形后進(jìn)行良電導(dǎo)耐腐涂層處理；所述陽(yáng)極流場(chǎng)板的通道溝槽的橫截面為半圓形，所述開(kāi)放性溝槽的橫截面為正方形或半圓形；所述兩個(gè)流場(chǎng)板之間設(shè)置有支撐板，所述支撐板的厚度為兩個(gè)流場(chǎng)板上溝槽深度之和，所述兩個(gè)流場(chǎng)板上溝槽的位置為相互正交，所述兩個(gè)流場(chǎng)板的溝槽分別背向支撐板，所述兩個(gè)流場(chǎng)板的背面接觸，所述支撐板與所述陰極流場(chǎng)板接觸的一面設(shè)置溝槽，所述溝槽與所述陰極流場(chǎng)板上的氧化劑分配管道溝槽一致。
本發(fā)明質(zhì)子交換膜燃料電池薄金屬雙極板，所述通道溝槽的半徑為0.75mm。所述正方形開(kāi)放性溝槽的邊長(zhǎng)為1.5mm。所述半圓形開(kāi)放性溝槽的半徑為0.75mm。所述兩個(gè)流場(chǎng)板由不銹鋼薄板沖壓而成，所述支撐板由輕質(zhì)鋁合金切削加工而成。所述兩個(gè)流場(chǎng)板的厚度為0.1-0.2mm。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是由于本發(fā)明在薄金屬雙極板之間設(shè)置了支撐板結(jié)構(gòu)，因此，在金屬雙極板厚度相同的情況下，大大增強(qiáng)了薄金屬雙極板的剛度。
圖1-1是本發(fā)明質(zhì)子交換膜燃料電池薄金屬雙極板中陽(yáng)極流場(chǎng)板結(jié)構(gòu)圖；圖1-2是圖1-1中A-A剖切位置的局部放大剖面圖；圖1-3是圖1-1中B-B剖切位置的局部放大剖面圖；圖2-1是本發(fā)明質(zhì)子交換膜燃料電池薄金屬雙極板中陰極流場(chǎng)板結(jié)構(gòu)圖；圖2-2是圖2-1所示陰極流場(chǎng)板的主視圖；圖3-1是本發(fā)明質(zhì)子交換膜燃料電池薄金屬雙極板中支撐板結(jié)構(gòu)圖；圖3-2是圖3-1所示支撐板的主視圖；圖4-1是本發(fā)明質(zhì)子交換膜燃料電池薄金屬雙極板組裝俯視圖；圖4-2是圖4-1所示雙極板組裝主視圖。
下面是中主要部位附圖標(biāo)記的說(shuō)明10——陽(yáng)極流場(chǎng)板 20——陰極流場(chǎng)板 30——支撐板11、21、31——螺栓孔 12——燃料氣體入口孔 13——密封圈凹槽14、24——?dú)怏w分配管道校準(zhǔn)孔 15——燃料氣體流場(chǎng)凹槽22——燃料氣體管道過(guò)孔 23——空氣流場(chǎng)凹槽 33——溝槽34——校準(zhǔn)孔
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
如附圖所示，本發(fā)明質(zhì)子交換膜燃料電池薄金屬雙極板由陽(yáng)極流場(chǎng)板10、陰極流場(chǎng)板20和支撐板30組成，如圖1-1、圖1-2和圖1-3所示，所述陽(yáng)極流場(chǎng)板10的流場(chǎng)形式為單通道蛇行流場(chǎng)，作為燃料氣體分配管道15的流場(chǎng)通道溝槽的橫截面為半圓形，其半徑為0.75mm，在燃料氣體分配管道15一頭的端部為燃料氣體入口12，位于流場(chǎng)通道溝槽外圍設(shè)置有密封圈凹槽13，所述陽(yáng)極流場(chǎng)板10由不銹鋼薄板沖壓而成，其厚度為0.1-0.2mm，不銹鋼薄板成形后進(jìn)行良電導(dǎo)耐腐涂層處理；如圖2-1和圖2-2所示，針對(duì)燃料電池使用空氣作為氧化劑的情況，將所述陰極流場(chǎng)板20的氧化劑分配管道設(shè)計(jì)成開(kāi)放性溝槽，所述開(kāi)放性溝槽的橫截面為正方形或半圓形，若為正方形，其邊長(zhǎng)最好為1.5mm，若為半圓形，其半徑最好為0.75mm，所述陰極流場(chǎng)板20由不銹鋼薄板沖壓而成，其厚度為0.1-0.2mm，不銹鋼薄板成形后進(jìn)行良電導(dǎo)耐腐涂層處理；由于陽(yáng)極和陰極流場(chǎng)板是沖壓制成的，并且板材比較薄，因此，如圖4-1和圖4-2所示，在金屬雙極板之間設(shè)置支撐板30，并依靠各板上的螺栓孔11、21、31，將陽(yáng)極流場(chǎng)板10和陰極流場(chǎng)板20組裝為一體。如圖3-1和圖3-2所示，所述支撐板30為中空結(jié)構(gòu)，由輕質(zhì)鋁合金切削加工而成，其厚度為陰極和陽(yáng)極流場(chǎng)板上溝槽深度之和，所述支撐板30與所述陰極流場(chǎng)板20接觸的一面設(shè)置溝槽33，所述溝槽33與所述陰極流場(chǎng)板上的氧化劑分配管道溝槽23一致。組裝時(shí)，在陽(yáng)極流場(chǎng)板10的密封圈凹槽13中放置密封圈后，所述支撐板30位于所述陽(yáng)極流場(chǎng)板10和所述陰極流場(chǎng)板20之間，所述陽(yáng)極流場(chǎng)板10與陰極流場(chǎng)板20的溝槽分別背向支撐板30，所述兩個(gè)流場(chǎng)板的背面接觸，所述兩個(gè)流場(chǎng)板上溝槽的位置為相互正交。這樣可以使得雙極板的薄金屬流場(chǎng)板具有足夠的剛度，以適應(yīng)燃料電池組裝載荷。另外，在組裝時(shí)，要根據(jù)雙極板上的氣體分配管道校準(zhǔn)孔14、24將陰極流場(chǎng)板上的燃料氣體入口孔12和陽(yáng)極流場(chǎng)板上的燃料氣體管道過(guò)孔22對(duì)準(zhǔn)。
盡管上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式
，上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求
所保護(hù)的范圍情況下，還可以作出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種質(zhì)子交換膜燃料電池薄金屬雙極板，包括陽(yáng)極流場(chǎng)板和陰極流場(chǎng)板，所述陽(yáng)極流場(chǎng)板的流場(chǎng)形式為單通道蛇行流場(chǎng)，所述陰極流場(chǎng)板的氧化劑分配管道為開(kāi)放性溝槽，所述陽(yáng)、陰極流場(chǎng)板成形后進(jìn)行良電導(dǎo)耐腐涂層處理；其特征在于所述陽(yáng)極流場(chǎng)板的通道溝槽的橫截面為半圓形，所述開(kāi)放性溝槽的橫截面為正方形或半圓形；所述兩個(gè)流場(chǎng)板之間設(shè)置有支撐板，所述支撐板的厚度為兩個(gè)流場(chǎng)板上溝槽深度之和，所述兩個(gè)流場(chǎng)板上溝槽的位置為相互正交，所述兩個(gè)流場(chǎng)板的溝槽分別背向支撐板，所述兩個(gè)流場(chǎng)板的背面接觸，所述支撐板與所述陰極流場(chǎng)板接觸的一面設(shè)置溝槽，所述溝槽與所述陰極流場(chǎng)板上的氧化劑分配管道溝槽一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述質(zhì)子交換膜燃料電池薄金屬雙極板，其特征在于所述通道溝槽的半徑為0.75mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述質(zhì)子交換膜燃料電池薄金屬雙極板，其特征在于所述正方形開(kāi)放性溝槽的邊長(zhǎng)為1.5mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述質(zhì)子交換膜燃料電池薄金屬雙極板，其特征在于所述半圓形開(kāi)放性溝槽的半徑為0.75mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述質(zhì)子交換膜燃料電池薄金屬雙極板，其特征在于所述兩個(gè)流場(chǎng)板由不銹鋼薄板沖壓而成，所述支撐板由輕質(zhì)鋁合金切削加工而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5所述質(zhì)子交換膜燃料電池薄金屬雙極板，其特征在于所述兩個(gè)流場(chǎng)板的厚度為0.1-0.2mm。
專(zhuān)利摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種質(zhì)子交換膜燃料電池薄金屬雙極板，由陽(yáng)極流場(chǎng)板、陰極流場(chǎng)板和兩個(gè)流場(chǎng)板之間的支撐板組成，陽(yáng)極流場(chǎng)板的流場(chǎng)形式為單通道蛇型流場(chǎng)，陽(yáng)極流場(chǎng)板的通道溝槽的橫截面為半圓形；陰極流場(chǎng)板的氧化劑分配管道為開(kāi)放性溝槽，開(kāi)放性溝槽的橫截面為正方形或半圓形；所述兩個(gè)流場(chǎng)板由0.1－0.2mm厚的不銹鋼薄板沖壓而成，成形后進(jìn)行良電導(dǎo)耐腐涂層處理；支撐板的厚度為兩個(gè)流場(chǎng)板上溝槽深度之和，支撐板的一面設(shè)置有與陰極流場(chǎng)板上溝槽一致的溝槽，支撐板由輕質(zhì)鋁合金切削加工而成，兩個(gè)流場(chǎng)板上溝槽的位置為相互正交，兩個(gè)流場(chǎng)板的溝槽分別背向支撐板，兩個(gè)流場(chǎng)板的背面接觸。本發(fā)明在金屬雙極板厚度相同的情況下，可以大大增強(qiáng)薄金屬雙極板的剛度。
文檔編號(hào)H01M8/02GK1996647SQ200710056414
公開(kāi)日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2007年1月5日
發(fā)明者張連洪, 王樹(shù)新, 李茂春 申請(qǐng)人:天津大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan