專(zhuān)利名稱(chēng)：離子交換膜燃料電池雙極板及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)，具體是離子交換膜燃料電池雙極板及其應(yīng)用于組裝燃料電池電堆的方法。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種將燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接、連續(xù)地變成電能的發(fā)電裝置。燃料電池不需要充電，只要將燃料直接輸入燃料電池系統(tǒng)，燃料電池就會(huì)輸出電能。它具有能量轉(zhuǎn)化效率高、清潔、易啟動(dòng)、噪音低、靈活方便、可實(shí)現(xiàn)熱、電、純水聯(lián)產(chǎn)等一系列優(yōu)點(diǎn)，可用于航天、航空、航海、發(fā)電站、電動(dòng)車(chē)、便攜式設(shè)備電源以及手機(jī)等小型移動(dòng)設(shè)備等，普遍認(rèn)為燃料電池將成為21世紀(jì)的新型動(dòng)力源之一。燃料電池的應(yīng)用對(duì)于節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境和推動(dòng)人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展有重要意義。
燃料電池的歷史可追溯到十九世紀(jì)初。1802年，Humphrey Davy報(bào)道了一個(gè)以HNO3為電解質(zhì)的C(s)/O2(g)電池結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的電流有輕微觸電感覺(jué)。1839年，英國(guó)科學(xué)家William Grove發(fā)表了世界上第一篇有關(guān)燃料電池研究的報(bào)告。他研制的單電池用鉑作電極，以氫為燃料，氧為氧化劑。1889年，Mond和Langer首先采用了“燃料電池”一詞來(lái)命名這類(lèi)電池。
燃料電池的研究和開(kāi)發(fā)在二十世紀(jì)50年代興起熱潮，60年代美國(guó)航空航天局和國(guó)防部用燃料電池為Apolo飛船提供電源，這標(biāo)志著燃料電池實(shí)用化的開(kāi)始。70年代末世界性的能源危機(jī)及環(huán)境污染的加劇使人們重新大力研究燃料電池，熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)得到了很大的發(fā)展。80年代末，質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)取得重要突破，從而帶動(dòng)了燃料電池研究、開(kāi)發(fā)的又一次熱潮。近年來(lái)，燃料電池的研究取得重大突破使燃料電池產(chǎn)業(yè)化成為可能。
離子(包括陽(yáng)離子，如質(zhì)子，和陰離子，如OH-)交換膜燃料電池是一種低溫燃料電池，可用的燃料包括H2、醇、酸等碳?xì)浠衔锘蚱浣?jīng)重整后富含H2的重整氣，氧化劑一般采用純氧或空氣。質(zhì)了交換膜燃料電池(PEMFC)被稱(chēng)為繼堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)后的新一代燃料電池。它的發(fā)展歷史可追溯到60年代初。當(dāng)時(shí)，美國(guó)通用電器公司首先將PEMFC用于探測(cè)雙子星座的飛行。但直到1983年，在加拿大國(guó)防部確認(rèn)了PEMFC可以滿足特殊軍事要求并開(kāi)始贊助Ballard能源公司進(jìn)行PEMFC的研究后，PEMFC技術(shù)才取得了突破性進(jìn)展。
離子交換膜燃料電池主要由含有多孔氣體擴(kuò)散層的膜組裝電極(MEA)和流場(chǎng)板組成。流場(chǎng)板在燃料電池中的作用主要有以下三個(gè)方面1、流體隔離和分布。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)，并將陰極反應(yīng)生成的水通過(guò)流場(chǎng)板帶出。
2、機(jī)械支撐。支撐膜組裝電極以使燃料及氧化劑可在預(yù)定壓力下進(jìn)行反應(yīng)。
3、收集電流。串聯(lián)單電池形成電流通路。
離子交換膜燃料電池對(duì)流場(chǎng)板有以下要求1、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。
2、機(jī)械性能好、質(zhì)量輕、體積小、容易加工。流場(chǎng)板質(zhì)量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。
3、良好的導(dǎo)電性。流場(chǎng)板必須具有盡可能小的電阻以降低損耗，確保電池性能。
4、良好的化學(xué)穩(wěn)定性。流場(chǎng)板在燃料電池中不僅處于一個(gè)化學(xué)環(huán)境，更是在電化學(xué)條件下工作，因此，所用的流場(chǎng)板必須同時(shí)是耐化學(xué)和電化學(xué)腐蝕的材料。
5、良好的導(dǎo)熱性。使各反應(yīng)區(qū)溫度均勻，提高電極效率，并保證電池穩(wěn)定工作。
6、良好的氣密性。陰、陽(yáng)極氣體串氣將引起燃料電池性能降低甚至造成爆炸、燃燒等危險(xiǎn)，因此，流場(chǎng)板必須有良好的氣密性。同時(shí)，流場(chǎng)板的氣密性好，可降低板的厚度，使得電池的能量密度提高，成本降低。
實(shí)際運(yùn)行的燃料電池電源往往是由若干個(gè)單電池組成的燃料電池堆，相臨兩個(gè)單電池共用一個(gè)極板，此時(shí)極板與其兩側(cè)的單電池的電極相接觸，這樣的極板被稱(chēng)為雙極板。
現(xiàn)有的雙極板大都是由相互獨(dú)立的燃料流場(chǎng)板和氧化劑流場(chǎng)板通過(guò)膠黏、焊接或其它方法固接而成(例如中國(guó)專(zhuān)利CN00236169.8；美國(guó)專(zhuān)利US7122273、US6623882)，具有以下缺點(diǎn)1、電堆組件較多，導(dǎo)致總的接觸電阻較高，電性能不穩(wěn)定。
2、電堆組件較多給電池密封增加難度，氣密性較差。
3、流場(chǎng)板機(jī)械強(qiáng)度較差。
4、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工困難。
5、燃料流場(chǎng)板和氧化劑流場(chǎng)板的固接部位因不同材料的熱膨脹系數(shù)不同以及電化學(xué)腐蝕等，成為燃料電池電堆的薄弱部位，降低了電池的壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種適合便攜式電子產(chǎn)品用的離子交換膜燃料電池的雙極板，該雙極板可一次成型，實(shí)現(xiàn)燃料電池的產(chǎn)業(yè)化；特別適合空氣自呼吸式離子交換膜燃料電池的雙極板結(jié)構(gòu)，避免現(xiàn)有雙極板的結(jié)構(gòu)存在的不足之處。
本發(fā)明的目的還在于提供所述雙極板用于組裝燃料電池電堆的方法。
本發(fā)明所述的離子交換膜燃料電池雙極板，包括燃料進(jìn)口、燃料出口、燃料反應(yīng)區(qū)域、氧化劑進(jìn)口、氧化劑出口和氧化劑反應(yīng)區(qū)域；設(shè)置在燃料反應(yīng)區(qū)域的燃料流道的兩端分別連接燃料進(jìn)口與燃料出口；在雙極板的一側(cè)開(kāi)有一排氧化劑進(jìn)口，另一側(cè)開(kāi)有一排氧化劑出口，氧化劑進(jìn)口和出口通過(guò)氧化劑流道相連通，氧化劑流道從側(cè)面貫穿雙極板；燃料反應(yīng)區(qū)域和氧化劑反應(yīng)區(qū)域周?chē)謩e設(shè)有密封凹槽，并分別施加彈性密封件。
燃料流道的寬度為0.1mm～5.0mm，深度為0.05mm～3.0mm；氧化劑流道的寬度為0.1mm～4.0mm，深度為1.0mm～5.0mm；密封凹槽的深度為0.05mm～1.0mm。
優(yōu)選燃料流道的寬度為1.0mm～2.0mm，深度為0.3mm～0.8mm；氧化劑流道的寬度為1.0mm～2.0mm，深度為1.8mm～2.5mm；密封凹槽的深度為0.15mm～0.3mm。
氧化劑進(jìn)口、氧化劑出口的形狀為圓形、三角形或多邊形通孔，單孔截面積為0.1mm2～10mm2。氧化劑進(jìn)口和氧化劑出口的形狀、尺寸和數(shù)量可以相同或不同。
燃料流道、氧化劑流道為蛇形、平行形、棋盤(pán)形、交錯(cuò)形或螺旋形。
氧化劑流道之間的埂上設(shè)有保濕凹槽，所述凹槽的寬度為0.1mm～2.0mm，深度為0.1mm～1.0mm。
雙極板材料采用導(dǎo)電材料或鍍有導(dǎo)電層的絕緣材料，所述導(dǎo)電材料是金屬和/或石墨，通過(guò)雕刻、鑄造、壓模、沖壓或注塑方法成型。
所述雙極板用于組裝燃料電池電堆的方法，是依次放置燃料端絕緣板、燃料端集電板、燃料端板、膜電極、雙極板、膜電極(可重復(fù)雙極板和膜電極)、氧化劑端板、氧化劑端集電板、氧化劑端絕緣板，然后進(jìn)行層與層之間的密封、連接，最后緊固形成燃料電池電堆。其中雙極板和膜電極的數(shù)量根據(jù)實(shí)際要求而定。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的離子交換膜燃料電池雙極板，其特點(diǎn)在于空氣或氧氣通過(guò)雙極板時(shí)經(jīng)橫向通道與膜組裝電極接觸。這樣的結(jié)構(gòu)可以達(dá)到(1)使氧化劑在電池內(nèi)部停留而充分反應(yīng)；(2)電極反應(yīng)生成的水不易被氣體流動(dòng)直接帶走，起到保濕的功能；(3)基于這樣的結(jié)構(gòu)空氣進(jìn)入的流量可以提高而維持電池工作所需的氧氣量和工作溫度，并使膜電極不失水。
由本發(fā)明的雙極板組成的燃料電池堆只需一個(gè)風(fēng)扇就可實(shí)現(xiàn)水、熱、氣的管理，使燃料電池的集成系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化。


圖1是本發(fā)明的雙極板燃料端示意圖；圖2是本發(fā)明的雙極板氧化劑端示意圖；圖3是圖1、2中的A-A截面圖；圖4是圖1、2中的B-B截面圖；圖5是圖1、2中的C-C截面圖；圖中，1--燃料進(jìn)口；2--燃料出口；3--燃料反應(yīng)區(qū)域；4--氧化劑進(jìn)口；5--氧化劑出口；6--氧化劑反應(yīng)區(qū)域；7--雙極板燃料端密封凹槽；8--雙極板氧化劑端；9--燃料流道；10--氧化劑流道；11--氧化劑流道之間的?。?2--保濕凹槽。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1采用石墨板，以雕刻的方式成型上述雙極板，有效面積為54mm×18mm。燃料流道9為蛇形。氧化劑進(jìn)口4和氧化劑出口5的形狀均為方形，且數(shù)量相等。
實(shí)施例2采用石墨板，以機(jī)床加工的方式成型上述雙極板，有效面積為80mm×30mm。燃料流道9為蛇形，寬度為1.5mm，深度為0.5mm。氧化劑流道10的寬度為1.5mm，深度為1.5mm。氧化劑進(jìn)口4和氧化劑出口5的單孔面積為2mm2，形狀均為方形，且數(shù)量相等。密封凹槽7的深度為0.2mm。保濕凹槽12的寬度為0.5mm，深0.2mm。
實(shí)施例3采用膨脹石墨板，以機(jī)床加工的方式成型雙極板，有效面積為50mm×20mm。燃料流道9為棋盤(pán)形，寬度為2mm，深度為0.5mm。氧化劑流道10的寬度為2mm，深度為1.5mm。氧化劑進(jìn)口4和氧化劑出口5的單孔面積為2.5mm2，形狀均為圓形，且數(shù)量相等。密封凹槽7的深度為0.3mm。保濕凹槽12的寬度為0.8mm，深0.2mm。
實(shí)施例4采用1mm厚度不銹鋼板，以沖壓法成型上述雙極板，退火后在不銹鋼板上電鍍1μm厚度的金。燃料流道9為平行形。雙極板有效面積為50mm×10mm。以此雙極板組裝10W燃料電池。燃料采用氫氣。氧化劑采用空氣，用小風(fēng)扇使空氣通過(guò)雙極板氧化劑端。8片單電池串聯(lián)起來(lái)，電池輸出電壓在4.5V時(shí)，電流約為2.5A，電池工作溫度約為50℃。
實(shí)施例5采用可膨脹石墨/聚苯硫醚(PPS)納米導(dǎo)電復(fù)合材料，以注塑法成型上述雙極板，有效面積為100mm×50mm。燃料流道9為蛇形，寬度為2mm，深度為1mm。氧化劑流道10的寬度為2.5mm，深度為1.5mm。氧化劑進(jìn)口4和氧化劑出口5的單孔面積為3.5mm2，形狀均為方形，且數(shù)量相等。密封凹槽7的深度為0.3mm。保濕凹槽12的寬度為1mm，深0.5mm。
權(quán)利要求
1.一種離子交換膜燃料電池雙極板，其特征在于包括燃料進(jìn)口、燃料出口、燃料反應(yīng)區(qū)域、氧化劑進(jìn)口、氧化劑出口和氧化劑反應(yīng)區(qū)域；設(shè)置在燃料反應(yīng)區(qū)域的燃料流道的兩端分別連接燃料進(jìn)口與燃料出口；在雙極板的一側(cè)開(kāi)有一排氧化劑進(jìn)口，另一側(cè)開(kāi)有一排氧化劑出口，氧化劑進(jìn)口和出口通過(guò)氧化劑流道相連通，氧化劑流道從側(cè)面貫穿雙極板；燃料反應(yīng)區(qū)域和氧化劑反應(yīng)區(qū)域周?chē)謩e設(shè)有密封凹槽，并分別施加彈性密封件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極板，其特征在于燃料流道的寬度為0.1mm～5.0mm，深度為0.05mm～3.0mm；氧化劑流道的寬度為0.1mm～4.0mm，深度為1.0mm～5.0mm；密封凹槽的深度為0.05mm～1.0mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙極板，其特征在于燃料流道的寬度為1.0mm～2.0mm，深度為0.3mm～0.8mm；氧化劑流道的寬度為1.0mm～2.0mm，深度為1.8mm～2.5mm；密封凹槽的深度為0.15mm～0.3mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙極板，其特征在于燃料流道、氧化劑流道為蛇形、平行形、棋盤(pán)形、交錯(cuò)形或螺旋形。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙極板，其特征在于氧化劑進(jìn)口、氧化劑出口的形狀為圓形、三角形或多邊形通孔，單孔截面積為0.1mm2～10mm2。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙極板，其特征在于在氧化劑流道之間的埂上設(shè)有保濕凹槽，所述凹槽的寬度為0.1mm～2.0mm，深度為0.1mm～1.0mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙極板，其特征在于其材料采用導(dǎo)電材料或鍍有導(dǎo)電層的絕緣材料，所述導(dǎo)電材料是金屬和/或石墨，通過(guò)雕刻、鑄造、壓模、沖壓或注塑方法成型。
8.權(quán)利要求1-7之一所述雙極板用于組裝燃料電池電堆的方法，其特征在于依次放置燃料端絕緣板、燃料端集電板、燃料端板、膜電極、雙極板、膜電極、氧化劑端板、氧化劑端集電板、氧化劑端絕緣板，然后進(jìn)行層與層之間的密封、連接，最后緊固形成燃料電池電堆。
全文摘要
本發(fā)明提供一種離子交換膜燃料電池雙極板及其應(yīng)用，其設(shè)置在燃料反應(yīng)區(qū)域的燃料流道的兩端分別連接燃料進(jìn)口與燃料出口；在雙極板的一側(cè)開(kāi)有一排氧化劑進(jìn)口，另一側(cè)開(kāi)有一排氧化劑出口，氧化劑進(jìn)口和出口通過(guò)氧化劑流道相連通，氧化劑流道從側(cè)面貫穿雙極板；燃料反應(yīng)區(qū)域和氧化劑反應(yīng)區(qū)域周?chē)謩e設(shè)有密封凹槽，并分別施加彈性密封件。該雙極板可一次成型，依次放置燃料端絕緣板、燃料端集電板、燃料端板、膜電極、雙極板、膜電極(可重復(fù)雙極板和膜電極)、氧化劑端板、氧化劑端集電板、氧化劑端絕緣板，然后進(jìn)行層與層之間的密封、連接，最后緊固形成燃料電池電堆。適合便攜式電子產(chǎn)品用的離子交換膜燃料電池的雙極板。
文檔編號(hào)H01M4/86GK101022171SQ20071002721
公開(kāi)日2007年8月22日 申請(qǐng)日期2007年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月20日
發(fā)明者沈培康, 黃岳強(qiáng), 李永亮, 梁劍瑩 申請(qǐng)人:中山大學(xué)