專利名稱：金屬雙極板、密封件一體化燃料電池的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池的制造，尤其是金屬雙極板、密封件一體化燃料電池組件的
制備方法。
背景技術(shù)：
燃料電池(Fuel Cell, FC)是一種將燃料化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的新型清潔發(fā)電裝置，發(fā)電效率高達(dá)40 % 65 % ，同時噪音和振動小，不擾民，從而被稱作面向21世紀(jì)的綠色能源技術(shù)。作為新一代的發(fā)電技術(shù)，燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換率高、無污染、原料來源豐富等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于便攜式移動電源、電動汽車、潔凈電站、航空航天和軍用艦船等各個方面。 燃料電池由膜電極組件(MEA)、雙極板、密封件以及相應(yīng)的緊固件組成。其中，雙極板是燃料電池的關(guān)鍵功能部件，在電池堆重量、體積、成本以及可靠性等方面的影響占有很大權(quán)重。雙極板表面加工有適當(dāng)形式的流場，可均勻地向膜電極組件提供氫氣和氧氣，并與膜電極組件串聯(lián)地電連接。 雙極板通常由石墨加工而成，然而，加工石墨雙極板費(fèi)用高、時間長，并且易碎、易裂，可靠性不高。 近年來，開始用金屬代替石墨制作雙極板。金屬相對于石墨材料具有可靠性高，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，透氣率低等優(yōu)勢。如果采用較薄的金屬箔帶(厚度0. 05 0. 10mm)通過滾壓或沖壓方式直接進(jìn)行流場加工成形，不但可彌補(bǔ)金屬極板密度大的不足，使電池堆的重量和體積減小，而且還可適于批量生產(chǎn)，降低加工成本。 金屬雙極板包括用來供應(yīng)氫氣、氧氣和冷卻劑的流道，并支撐膜電極組件。如果不能保持氣密性，則冷卻劑可能會滲漏而污染膜電極組件，使受到污染的電池性能下降或失去作用。此外，如果氫氣滲漏還可能引發(fā)危險事故。 為了保持氣密性，在上、下板的端部之間插入橡膠密封件，利用緊固裝置的緊固力將其壓緊，從而利用壓緊力和橡膠密封件的粘附力保持金屬雙極板的氣密性，并將上、下板
彼此連接起來。 保持電池堆密封性通常的做法是，將密封件直接放在雙極板上下表面上，靠壓緊力來保持氣密性。這種方式需要設(shè)置定位器，盡管如此，在沒有定位器的位置兩塊金屬板以及金屬板和密封件之間很容易發(fā)生偏移，當(dāng)氫氣和氧化劑氣體的流道部分之間有偏移時，燃料電池的發(fā)電效率降低。因此，兩個極板組件之間的偏移量要求被嚴(yán)格限定在不超過預(yù)定量的范圍內(nèi)。同時，密封件的偏移會導(dǎo)致氣密性的下降，使氣體的利用率降低，并且增加危險性。改進(jìn)的辦法是在雙極板之間以及雙極板與密封件之間涂粘合劑，這種方法會花幾個小時來固化粘結(jié)劑，導(dǎo)致生產(chǎn)能力差。而且，需要選擇一種能容忍惡劣溫度條件的粘合劑，因?yàn)槿剂想姵毓ぷ鲿r處在高溫下，并且因?yàn)槿剂想姵氐臏囟茸兓陔p極板與密封件的接合部分同樣會發(fā)生分離、偏移、變形等。 目前沒有發(fā)現(xiàn)同本發(fā)明類似技術(shù)的說明或報道，也尚未收集到國內(nèi)外類似的資料。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述燃料電池兩塊金屬極板之間的滑動、偏移和錯位，以及密封件與金
屬極板之間的滑動、偏移和錯位，同時減少燃料電池堆零部件，簡化裝配流程等問題，本發(fā)明的目的在于提供一種金屬雙極板、密封件一體化燃料電池的制備方法，利用本發(fā)明的一體化組件，可有效避免氫氣泄漏、提高燃料電池的發(fā)電效率。 為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種金屬雙極板、密封件一體化燃料電池的制備方法，該方法包括如下的步驟
步驟一、制備陽極金屬板和陰極金屬板； 在一塊金屬平板上用模壓成型方法壓出凹凸相間的導(dǎo)流槽，形成陽極金屬板，在
另一塊金屬平板上用同樣的方法壓出凹凸相間的導(dǎo)流槽，形成陰極金屬板； 步驟二、組裝金屬雙極板； 將陽極金屬板的凹部與陰極金屬板的凹部相對，陽極金屬板的凸部與陰極金屬板的凸部相對，在凹部形成燃料氣體流道、在凸部形成冷卻劑流道；在兩塊金屬極板端部平面相對的面上涂一層粘結(jié)劑；在端部平面上間隔一定距離用電焊、激光焊、超聲波焊或其他焊接方式將陽極極板和陰極極板的四周端部平面焊接在一起，形成金屬雙極板組件；在金屬雙極板組件的端部平面上間隔一定距離開出圓形孔或其他形狀的通孔；
步驟三、金屬雙極板組件和密封件的澆注； 將金屬雙極板組件放置在澆鑄模具的下模上，上模向下移動至下模上，上下模夾
緊金屬雙極板組件；液態(tài)硅橡膠裝入液壓缸中，在活塞的推動下，液態(tài)硅橡膠沿著上模中的
通道進(jìn)入上下模形成的腔體中，并充滿整個腔體，控制模具的溫度使液態(tài)硅橡膠固化，形成
硅橡膠密封件； 步驟四、脫模； 通過上述步驟，在模具內(nèi)已形成了金屬雙極板-密封件一體化組件；上模向上
開啟，從下模上取下金屬雙極板密封件一體化組件，便制備成用于燃料電池的金屬雙極
板-密封件一體化組件。 步驟五、組裝燃料電池堆； 將膜電極組置于步驟四完成的兩個金屬雙極板_密封件一體化組件的中間，兩邊施加壓力使密封件與膜電極組件的邊框緊密接合在一起，構(gòu)成一個單體電池，多個這種單體組合依次排列，則構(gòu)成任意燃料電池的電池堆。 上述步驟五、組裝燃料電池堆完成的燃料電池包括陽極金屬板、陰極金屬板和端部密封件構(gòu)成金屬雙極板_密封件一體化組件；膜電極組件置于上述兩個金屬雙極板密封件一體化組件的中間，密封件與膜電極組件的邊框緊密接合在一起，構(gòu)成一個單體電池；多個這種單體組合依次排列，構(gòu)成任意電池堆；密封件中有氣體通道，用于將反應(yīng)氣體引入到陽極金屬板上的燃料氣體流道中和陰極金屬板上的氧化劑流道中；陽極金屬板和陰極金屬板接合形成的中間區(qū)域構(gòu)成冷卻劑流道，用來引導(dǎo)冷卻劑。
步驟五、組裝燃料電池堆； 將膜電極組置于步驟四制作的兩個金屬雙極板_密封件一體化組件的中間，兩邊施加壓力使密封件與膜電極組件的邊框緊密接合在一起，構(gòu)成一個單體電池，多個這種單體組合依次排列，構(gòu)成任意電池堆。
上述步驟五、組裝燃料電池堆完成的燃料電池包括 陽極金屬板、陰極金屬板和端部密封件構(gòu)成金屬雙極板-密封件一體化組件；膜電極組件置于上述兩個金屬雙極板-密封件一體化組件的中間，密封件與膜電極組件的邊框緊密接合在一起，構(gòu)成一個單體電池；多個這種單體組合依次排列，構(gòu)成任意電池堆；密封件中有氣體通道，用于將反應(yīng)氣體引入到陽極金屬板上的燃料氣體流道中和陰極金屬板上的氧化劑流道中；陽極金屬板和陰極金屬板接合形成的中間區(qū)域構(gòu)成冷卻劑流道，用來引導(dǎo)冷卻劑。 本發(fā)明金屬雙極板、密封件一體化燃料電池的制備方法，由于采取上述的技術(shù)方案，可以有效避免兩塊金屬極板之間的相對移動，同時也可以有效避免密封件向外或向里的偏移，用該金屬雙極板_密封件一體化組件組裝的電池堆的密封性能大大提高，同時使電池堆的裝配過程變得更簡單、快捷，使電池生產(chǎn)效率提高。


圖1是利用本發(fā)明方法制造的金屬雙極板組件和膜電極組件的裝配示意圖； 圖2是圖1中A方向的剖視圖，顯示了金屬雙極板的結(jié)構(gòu)； 圖3是金屬雙極板組件示意圖； 圖4是金屬雙極板組件在模具中澆注前的示意圖； 圖5是金屬雙極板組件在模具中澆注時的示意圖； 圖6是金屬雙極板組件脫模的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是利用本發(fā)明方法制造的金屬雙極板組件和膜電極組件的裝配示意圖；如圖l所示，該裝置包括 陽極金屬板3、陰極金屬板4和端部密封件5構(gòu)成金屬雙極板_密封件一體化組件1 ;膜電極組件2置于上述兩個金屬雙極板-密封件一體化組件l的中間，在圖示箭頭方向施加壓力，使密封件5與膜電極組件2的邊框10緊密接合在一起，構(gòu)成一個單體電池，多個這種單體組合依次排列，便可以構(gòu)成任意電池堆。密封件5中有氣體通道6，通過氣體通道6可將反應(yīng)氣體引入到陽極金屬板3上的燃料氣體(如H2)流道8中和陰極金屬板4上的氧化劑(02或空氣)流道7中，反應(yīng)氣體在流道中被均勻地分布在膜電極組件2的兩側(cè)，通過擴(kuò)散到各自的催化反應(yīng)區(qū)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。陽極金屬板3和陰極金屬板4接合形成的中間區(qū)域構(gòu)成冷卻劑流道9用來引導(dǎo)冷卻劑(如去離子水)。 下面結(jié)合

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。本發(fā)明，上述金屬雙極板、密封件一體化
燃料電池的制備方法包括如下的步驟 步驟一、制備陽極金屬板和陰極金屬板； 在一塊金屬平板上用模壓成型方法壓出凹凸相間的導(dǎo)流槽，形成陽極金屬板3，在
另一塊金屬平板上用同樣的方法壓出凹凸相間的導(dǎo)流槽，形成陰極金屬板4。 步驟二、組裝金屬雙極板；
將陽極金屬板3的凹部與陰極金屬板4的凹部相對，陽極金屬板3的凸部與陰極 金屬板4的凸部相對，在凹部形成燃料氣體流道8、在凸部形成冷卻劑流道9。為了提高氣 密性，在兩塊金屬極板端部平面12相對的面上涂一層粘結(jié)劑。在端部平面12上間隔一定 距離用電焊、激光焊、超聲波焊或其他焊接方式將陽極極板和陰極極板的四周端部平面焊 接在一起，使陽極金屬板3和陰極金屬板4牢固地接合在一起，形成金屬雙極板組件。此工 藝可以有效防止兩塊極板因滑動而引起的偏移或錯位。由陽極金屬板3和陰極金屬板4構(gòu) 成的金屬雙極板組件13參見圖2。 圖3是金屬雙極板組件示意圖；在金屬雙極板組件13的端部平面12上間隔一定 距離開出圓形孔11或其他形狀的通孑L如圖3所示，液態(tài)的硅橡膠可以進(jìn)入圓形孔11，硅橡 膠密封件5通過圓孔11與金屬雙極板組件13的端部平面12形成一體，這樣密封件不易脫 落，可以有效防止密封件5滑動而引起的偏移和錯位。
步驟三、金屬雙極板組件和密封件的澆注； 圖4是密封件5在澆鑄前的過程，圖5是金屬雙極板組件在模具中澆注時的示意 圖；如圖所示，將金屬雙極板組件13放置在澆鑄模具的下模14上，上模15如圖4中箭頭方 向向下移動至下模14上，上下模夾緊金屬雙極板組件13，為下一步的澆鑄做好準(zhǔn)備。
壓好金屬雙極板組件13的模具如圖5所示。液態(tài)硅橡膠18裝入液壓缸16中，在 活塞17的推動下，液態(tài)硅橡膠18沿著上模15中的通道進(jìn)入上下模形成的腔體中，并充滿 整個腔體，控制模具的溫度使液態(tài)硅橡膠18固化，形成硅橡膠密封件5。達(dá)到預(yù)定的溫度和 時間后，液態(tài)硅橡膠18已充分固化，并在金屬雙極板組件13上形成所需形狀的密封件5。
步驟四、脫模；
通過上述步驟，在模具內(nèi)已形成了金屬雙極板-密封件一體化組件l。圖6是金屬 雙極板組件脫模的示意圖，如圖所示，上模15向圖6中箭頭方向向上開啟，從下模14上取 下金屬雙極板_密封件一體化組件1 ，便制備成用于燃料電池的金屬雙極板_密封件一體化 組件1。如圖6所示，密封件5的一面鑄成平面，另一面有凸出的密封環(huán)。
步驟五、組裝燃料電池堆； 將膜電極組置于步驟四制作的兩個金屬雙極板_密封件一體化組件的中間，兩邊 施加壓力使密封件與膜電極組件的邊框緊密接合在一起，構(gòu)成一個單體電池，多個這種單 體組合依次排列，構(gòu)成任意電池堆。 如上所述，本發(fā)明的方法采取一塊陽極板和一塊陰極板，每塊板用模壓法壓出凹 凸相間的流場，將陽極板的凹部與陰極板的凹部相對，將陽極板的凸部與陰極板的凸部相 對，在兩極板的外沿端部之間涂覆密封膠，用點(diǎn)焊的方法將兩端面接合在一起。在接合后的 端面上間隔一定距離開有小圓孔，用注塑模具將密封膠注射到雙極板的上下端面和中間通 孔中，使密封件與金屬雙極板形成一個整體。從而，本發(fā)明有效提高了燃料電池的密封性， 并使燃料電池的裝配更方便。
權(quán)利要求
一種金屬雙極板、密封件一體化燃料電池的制備方法，其特征在于，該方法包括如下步驟步驟一、制備陽極金屬板和陰極金屬板；在一塊金屬平板上用模壓成型方法壓出凹凸相間的導(dǎo)流槽，形成陽極金屬板，在另一塊金屬平板上用同樣的方法壓出凹凸相間的導(dǎo)流槽，形成陰極金屬板；步驟二、組裝金屬雙極板；將陽極金屬板的凹部與陰極金屬板的凹部相對，陽極金屬板的凸部與陰極金屬板的凸部相對，在凹部形成燃料氣體流道、在凸部形成冷卻劑流道；在兩塊金屬極板端部平面相對的面上涂一層粘結(jié)劑；在端部平面上間隔一定距離用電焊、激光焊、超聲波焊或其他焊接方式將陽極極板和陰極極板的四周端部平面焊接在一起，形成金屬雙極板組件；在金屬雙極板組件的端部平面上間隔一定距離開出圓形孔或其他形狀的通孔；步驟三、金屬雙極板組件和密封件的澆注；將金屬雙極板組件放置在澆鑄模具的下模上，上模向下移動至下模上，上下模夾緊金屬雙極板組件；液態(tài)硅橡膠裝入液壓缸中，在活塞的推動下，液態(tài)硅橡膠沿著上模中的通道進(jìn)入上下模形成的腔體中，并充滿整個腔體，控制模具的溫度使液態(tài)硅橡膠固化，形成硅橡膠密封件；步驟四、脫模；通過上述步驟，在模具內(nèi)已形成了金屬雙極板-密封件一體化組件；上模向上開啟，從下模上取下金屬雙極板-密封件一體化組件，制備成用于燃料電池的金屬雙極板-密封件一體化組件；步驟五、組裝燃料電池堆；將膜電極組置于步驟四完成的兩個金屬雙極板-密封件一體化組件的中間，兩邊施加壓力使密封件與膜電極組件的邊框緊密接合在一起，構(gòu)成一個單體電池，多個這種單體組合依次排列，則構(gòu)成任意燃料電池的電池堆。
2. 如權(quán)利要求1所述的一體化燃料電池的制備方法，其特征在于所述的密封件的一面鑄成平面，另一面有凸出的密封環(huán)。
3. 如權(quán)利要求l所述的一體化燃料電池的制備方法，其特征在于所述的步驟五、組裝燃料電池堆完成的燃料電池包括陽極金屬板[3]、陰極金屬板[4]和端部密封件[5]構(gòu)成金屬雙極板-密封件一體化組件[1];膜電極組件[2]置于上述兩個金屬雙極板-密封件一體化組件[1]的中間，密封件[5]與膜電極組件[2]的邊框[10]緊密接合在一起，構(gòu)成一個單體電池；多個這種單體組合依次排列，構(gòu)成任意電池堆；密封件[5]中有氣體通道[6]，用于將反應(yīng)氣體引入到陽極金屬板[3]上的燃料氣體流道[8]中和陰極金屬板[4]上的氧化劑流道[7]中；陽極金屬板[3]和陰極金屬板[4]接合形成的中間區(qū)域構(gòu)成冷卻劑流道[9]，用來引導(dǎo)冷卻劑。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬雙極板、密封件一體化燃料電池的制備方法，包括如下步驟一、制備陽極金屬板和陰極金屬板；二、組裝金屬雙極板；三、金屬雙極板組件和密封件的澆注；四、脫模；五、組裝燃料電池堆。本發(fā)明在兩極板的外沿端部之間涂覆密封膠，用點(diǎn)焊的方法將兩端面接合在一起。在接合后的端面上間隔一定距離開有小圓孔，用注塑模具將密封膠注射到雙極板的上下端面和中間通孔中，使密封件與金屬雙極板形成一個整體。本發(fā)明解決了燃料電池兩塊金屬極板之間，以及密封件與金屬極板之間的滑動、偏移和錯位問題，取得了提高密封性、裝配簡單、快捷、提高生產(chǎn)效率等有益效果。
文檔編號H01M8/02GK101752587SQ200810204038
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月4日
發(fā)明者劉向, 孫毅, 張偉, 張新榮, 王東, 王濤, 胡純 申請人:上?？臻g電源研究所