專利名稱：一種流場板及半透膜組件結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及燃料電池、水電解器以及一體式再生燃料電池的流場板及 半透膜組件的組合結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
流場板是質(zhì)子交換膜燃料電池、水電解器以及一體式再生燃料電池結(jié)構(gòu)中 重要組成部分，主要起到集流導電、分散反應介質(zhì)、支撐膜電極等多種功能。
在質(zhì)子交換膜燃料電池中，通常是先將反應氣體預先經(jīng)過增濕后再通入到 膜電極處進行電池反應，增濕水分可維持質(zhì)子交換膜適當?shù)臐駶櫝潭?。如果?經(jīng)增濕的反應氣體直接通入到膜電極處進行電池反應會造成質(zhì)子膜失水、干涸， 導致電池性能下降。
在水電解器中，通常反應水直接注入到電解器膜電極的氧電極或氫電極側(cè) 進行水電解反應。由于電解時生成大量氣體,所以為了使膜電極與水充分接觸， 需要水泵強制過量輸水，同時將產(chǎn)物氣體帶出。因此，導致產(chǎn)物氣體中水含量 達到飽和，需要氣水分離后再進行氣體的存儲。另外，當產(chǎn)氣壓力增加時，注 水壓力也隨之增加，要求水泵的揚程和自身耐壓能力也隨之增加，就相應導致 水泵的功率、體積和重量增加。這給水電解器帶來了諸多不利因素。
而在一體式再生燃料電池中，由于電池本身具有雙效性，即既可以像燃料 電池一樣發(fā)電，又可以像水電解器一樣進行水電解，所以同時存在燃料電池和 水解器的上述問題。
針對解決上述問題，實用新型提出了一種新式流場板結(jié)構(gòu)，配合一種半透 膜組件，改進了燃料電池、水電解器及一體式再生燃料電池的結(jié)構(gòu)。采用實用 新型流場板和半透膜組件后，燃料電池、水電解器及一體式再生燃料電池膜電 極質(zhì)子交換膜的含水量可通過調(diào)節(jié)半透膜組件兩側(cè)水活度差進行控制。所以，
燃料電池可直接使用干反應氣體進行工作；水電解器無需水泵注水，生成氣體 含水量低、純度高。發(fā)明內(nèi)容
本實用新型提出了一種新式流場板結(jié)構(gòu)和一種半透膜組件，可改進燃料電 池、水電解器及一體式再生燃料電池結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)燃料電池、水電解器及一 體式再生燃料電池反應氣體內(nèi)增濕、靜態(tài)注水等的技術(shù)目標。
流場板[S1]包括板框[B1]及其中間安裝的多孔導電板[B2]，通過導電連接 組合而成。板框[B1]設置有突起的極耳，用于集流導電。板框[B1]邊緣具有六 個通孔和用于放置密封圈的槽，這些通孔同電池堆其它部件上對應的通孔密封 堆疊后構(gòu)成氫氣、氧氣和水進出的分配通道。在通孔[P3]和[P6]四周密封槽的 內(nèi)側(cè)各設置有導流缺口[H12]、 [H22]，直接將通孔[P3]、 [P6]與中間多孔導電板 [B2]連通。
上述流場板[S1]的板框[B1]可采用石墨、金屬、陶瓷、高分子復合材料等 經(jīng)沖壓、數(shù)銑加工、激光雕刻、化學腐蝕、等離子刻蝕、線切割或鑄模等方法 進行加工。非導電材料和一般金屬材料還需要表面鍍金處理。也可直接采用鈦 及鈦合金板用上述方法加工。
上述流場板[S1]的多孔板[B2]可采用金屬、陶瓷、高分子復合材料的多孔 板材或網(wǎng)材，經(jīng)壓制、彎制或切割，再經(jīng)表面防腐、導電化鍍金處理加工而成; 也可直接采用多孔燒結(jié)鈦合金板、鍍金鈦網(wǎng)和鍍金不銹鋼網(wǎng)等。
半透膜組件[S2]包括多孔導電板[M31]、上層保護邊框[M21]、半透膜[M1]、 下層護邊框[M22]、多孔導電板[M32]。上、下兩層保護邊框[M21]、 [M22]邊緣有六 個通孔，這些通孔同電池堆其它相鄰堆疊部件上對應的通孔密封連接后構(gòu)成氫 氣、氧氣和水進、出的分配通道；半透膜[M1]邊緣略大于上、下保護邊框[M21]、 [M22]的內(nèi)徑；多孔導電板[M31]和多孔導電板[M32]材料分別疊放上、下層保護 邊框上，其直徑略大于保護邊框內(nèi)徑。
上述半透膜組件[S2]的保護邊框[M21]、 [M22]可采用高分子薄膜材料，例 如聚酰亞胺、聚酯等。多孔導電板[M31]、 [M32]可采用多孔耐蝕金屬、多孔 陶瓷、多孔高分子的板材或網(wǎng)材。非導電材料和一般金屬材料還需要表面鍍金 處理。例如多孔鈦合金燒結(jié)板、鍍金鈦網(wǎng)、鍍金不銹鋼網(wǎng)等。半透膜[M1]為 對水選擇性透過膜或微孔膜，例如NafionTM型質(zhì)子交換膜。采用本實用新型流場板[S1]擴散至膜電極組件[S3]催化劑層，進行水電解反 應。水的擴散速率得到有效提高，可使其與水電解消耗水量平衡。由于電解器 膜電極無過多水份，所以反應生成氣體中含水量少，可以極大地簡化后續(xù)氣水 分離流程。
圖1為本實用新型流場板結(jié)構(gòu)示意圖2為本實用新型半透膜組件結(jié)構(gòu)示意圖3為本實用新型流場板與半透膜組件結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖說明本實用新型的'優(yōu)選實施例。
圖l為本實用新型優(yōu)選實施例， 一種新型流場板[S1]結(jié)構(gòu)示意圖；其中，圖 1 (a)為立體圖；圖1 (b)為正面視圖，圖1 (c)為背面視圖。
如圖1所示，流場板[S1]由板框[B1]及其中間安裝的多孔導電板[B2]，通 過導電連接組合而成。板框[B1]邊緣設置有6個通孔P1、 P2、 P3、 P4、 P5和P6; 這些通孔同電池堆其它相鄰部件上對應的通孔密封連接后構(gòu)成氫氣、氧氣和水 進出分配的通道。流場板[S1]的最外周及六個通孔四周設置有密封槽，用于放 置密封圈；邊緣兩個突起部分為極耳，用于導線連接和工作時的散熱，極耳數(shù) 量可根椐需要設置。
上述流場板[S1]的板框[B1]可采用鈦合金板通過沖壓、數(shù)銑加工、激光雕 刻、化學腐蝕、等離子刻蝕、線切割或鑄模等方法進行加工。多孔導電板[B2] 可采用鈦合金網(wǎng)或多孔燒結(jié)鈦合金切割而成。根據(jù)需要，也可將多孔導電板[B2] 上沖壓出一定的波紋形狀。
圖2為本實用新型優(yōu)選實施例， 一種半透膜組件[S2]結(jié)構(gòu)示意圖；其中， 圖2 (a)為構(gòu)成圖；圖2 (b)為正面視圖，圖2 (c)為側(cè)面視圖。
如圖2所示，半透膜組件[S2]包括多孔導電板[M31]、上層保護邊框[M21]、 半透膜[Ml]、下層護邊框[M22]、多孔板[M32]。上、下兩層保護邊框[M21] 、 [M22] 邊緣有六個通孔，這些通孔同電池堆其它相鄰堆疊部件上對應的通孔密封連接 后構(gòu)成氫氣、氧氣和水進、出的分配通道；半透膜[M1]邊緣略大于上、下保護
5邊框[M21]、 [M22]的內(nèi)徑；多孔導電板[M31]和多孔導電板[M32]材料分別疊放 上、下層保護邊框上，其直徑略大于保護邊框內(nèi)徑。
保護邊框[M21]、 [M22]采用高分子薄膜材料，例如聚酰亞胺、聚酯等。 多孔導電板[M31]、 [M32]采用多孔鈦合金板或鍍金鈦網(wǎng)切割而成。半透膜[M1] 為對水選擇性透過膜或微孔膜，優(yōu)選NafiorT型質(zhì)子交換膜。
本實用新型工作原理-
如圖3所示，流場板[S1]的一側(cè)通過密封圈[S4]與半透膜組件[S2]堆疊， 另一側(cè)則通過密封圈[S5]與膜電極組件[S3]堆疊。
燃料電池中，半透膜組件[S2]背側(cè)(不與流場板接觸的一側(cè))的水可透過半 透膜組件[S2]擴散至與流場板[S1]接觸的一側(cè)，在該側(cè)與由流場板[S1]上[H12] 孔流入的干反應氣體(氫氣或氧氣)混合，再透過多孔導電板擴散至膜電極組件 [S3]—側(cè)；反應氣體擴散至膜電極組件催化劑層被催化，同時產(chǎn)生電流，由與
極耳連接的導線引出； 一部分水則被質(zhì)子膜吸收，維持其含水量，另一部份水 則隨未反應完全的反應氣體作為尾氣由流場板[S1]上的[H12]孔流出電池堆。通 過控制半透膜組件[S2]背側(cè)水的壓力、溫度以及半透膜組件[S2]中半透膜[M1] 的厚度、微孔徑的大小可以控制水的擴散速率，進而可以調(diào)節(jié)膜電極組件[S3] 中質(zhì)子膜的含水量。
水電解器中，半透膜組件[S2]背側(cè)(不與流場板接觸的一側(cè))的水可依次透 過半透膜組件[S2]、流場板[S1]擴散至膜電極組件[S3]催化劑層，進行水電解 反應。反應生成氣體可通過流場板[S1]上的孔[H12]和[H22]流出電池堆。通過 控制半透膜組件[S2]背側(cè)水的壓力、溫度以及半透膜組件[S2]中半透膜[Ml]的
厚度、微孔徑的大小可以控制水的擴散速率，可使其與水電解消耗水量平衡。 由于電解器膜電極無過多水份，所以反應生成氣體中含水量少，可以極大地簡
化后續(xù)氣水分離流程。
由于一體式再生燃料電池既可以像燃料電池一樣發(fā)電，又可以像水電解器 工作，所以也可適用本實用新型且得到相同的使用效果。
權(quán)利要求1、一種流場板結(jié)構(gòu)，可適用于燃料電池、水電解器及一體式再生燃料電池，其特征在于，包括流場板[S1]包括板框[B1]及其中間安裝的多孔導電板[B2]，通過導電連接組合而成；板框[B1]設置有突起的極耳，用于集流導電；板框[B1]邊緣具有六個通孔和用于放置密封圈的槽，這些通孔同電池堆其它部件上對應的通孔密封堆疊后構(gòu)成氫氣、氧氣和水進出的分配通道；流場板[S1]的一側(cè)通過密封圈[S4]與半透膜組件[S2]堆疊；另一側(cè)則通過密封圈[S5]與膜電極組件[S3]堆疊；在通孔[P3]和[P6]四周密封槽的內(nèi)側(cè)各設置有導流缺口[H12]、[H22]，直接將通孔[P3]、[P6]與中間多孔導電板[B2]連通。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種流場板結(jié)構(gòu)，其特征在于，流場板[S1]的板 框[B1]采用石墨、金屬、陶瓷、高分子復合材料經(jīng)沖壓、數(shù)銑加工、激光雕刻、化學腐蝕、等離子刻蝕、線切割或鑄模。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種流場板結(jié)構(gòu)，其特征在于，半透膜組件[S2], 包括多孔導電板[M31]、上層保護邊框[M21]、半透膜[Ml]、下層護邊框[M22]、 多孔導電板[M32];上、下兩層保護邊框[M21] 、 [M22]邊緣有六個通孔，這些通孔同電 池堆其它相鄰堆疊部件上對應的通孔密封連接后構(gòu)成氫氣、氧氣和水進、出的 分配通道；半透膜[M1]邊緣略大于上、下保護邊框[M21]、 [M22]的內(nèi)徑；多孔 導電板[M31]和多孔導電板[M32]材料分別疊放上、下層保護邊框上，其直徑略 大于保護邊框內(nèi)徑。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種流場板結(jié)構(gòu)，其特征在于，半透膜組件 其[S2]的保護邊框[M21]、 [M22]采用高分子薄膜材料；多孔導電板[M31]、 [M3幻 采用多孔耐蝕金屬、多孔陶瓷、多孔高分子的板材或網(wǎng)材；非導電材料和一般 金屬材料還需要表面鍍金處理；半透膜[M1]為對水選擇性透過膜或微孔膜。
專利摘要本實用新型公開了一種流場板結(jié)構(gòu)及半透膜組件，可適用于燃料電池、水電解器及一體式再生燃料電池。流場板由板框和中間多孔導電板組合而成，一側(cè)與燃料電池或水電解器的膜電極接觸，一側(cè)與半透膜組件接觸。水透過半透膜組件遷移至膜電極一側(cè)參與電池反應。半透膜組件由半透膜、保護邊框、多孔支撐板壓合而成。使用本實用新型結(jié)構(gòu)，燃料電池可實現(xiàn)反應氣體內(nèi)增濕；而水電解器可無需水泵即可實現(xiàn)注水。
文檔編號H01M8/02GK201256165SQ20072007500
公開日2009年6月10日 申請日期2007年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月25日
發(fā)明者向 劉, 偉 張, 張新榮, 樂 王, 濤 王, 郭振波 申請人:上?？臻g電源研究所