專利名稱：燃料電池雙極板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池極板，屬于燃料電池領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著自然資源的日益缺乏，石油等礦物能源的逐步竭盡，人們面臨著越 來越嚴峻的能源危機。另外，日益嚴重的環(huán)境污染問題也迫使人們尋找更加 清潔的能源。燃料電池，是一種直接將化學能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?br> 的電化學器件，理論轉(zhuǎn)化率可達80%以上，是一種綠色能源，可同時解決節(jié)能 和環(huán)保兩大世界難題。各國對燃料電池的高度重視，推動了燃料電池的快速 發(fā)展。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、排水容易、能 量密度高、可在低溫下快速啟動等優(yōu)點，且使用固態(tài)電解質(zhì)，作為便攜式電 源和機動車動力源，有著廣泛的應(yīng)用前景，近年來發(fā)展迅速。
質(zhì)子交換膜燃料電池主要由膜電極和極板組成。膜電極按次序由內(nèi)向外 由質(zhì)子交換膜(PEM)、陰陽極催化層和陰陽極擴散層五個部分組成。質(zhì)子交 換膜燃料電池的極板設(shè)計中，由氣體主通道分配氣體至每個單片電池極板流 道內(nèi)，為保證氣體的密封，通常在每個極板的進出口都設(shè)計一種過橋片結(jié)構(gòu)， 過橋片結(jié)構(gòu)增加電池結(jié)構(gòu)的復雜性，增加電池組裝難度；過橋片材質(zhì)通常采 用具有較好防腐功能的不銹鋼材料或聚四氟乙烯(PTFE)墊片。研究表明， 質(zhì)子交換膜非常容易吸附金屬陽離子而導致電導率下降，尤其是吸附三價鐵 離子后，質(zhì)子交換膜電導率損失比吸附二價鎳離子和二價銅離子大(M. J. Kelly, G. Fafilek， J. 0. Besenhard, H. Kronberger, G. E. Nauer. J. Power Sources 145 (2005) 249 - 252)。在燃料電池的長期使用過程中，金屬材料 不可避免的存在腐蝕現(xiàn)象，由腐蝕產(chǎn)生的金屬陽離子進入質(zhì)子交換膜中將導 致電池內(nèi)阻增加，電池性能降低。另外，電池中可能生成的H202分解產(chǎn)生'0H 或，00H自由基進攻質(zhì)子交換膜中高分子鏈段的端基，降低了質(zhì)子交換膜的化 學禾急定性(D. E. Curt in, R. D. Lousenberg， T. J. Henry， P. C. Tangeman,M. E. Tisack, J. Power Sources 131 (2004) 41 - 48)，同時金屬離子的存 在加劇質(zhì)子交換膜的降解速率(W. Schmittinger, A. Vahidi. J. Power Sources 180 (2008) 1 - 14 )，不利于燃料電池的長期使用。從電池堆的組 裝考慮，過橋片的結(jié)構(gòu)非常不利于燃料電池的組裝，很難實現(xiàn)自動化組裝生 產(chǎn)線。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服了現(xiàn)有極板的上述缺陷，提供了一種燃料電池極 板，該極板省去了過橋片，適合組裝及批量生產(chǎn)。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。本發(fā)明中的貫穿陽極 板、陰極板或冷卻極板上的進料或排料主通道分別通過異位通孔與各自極板
上的流道相連通，具體為異位通孔貫穿極板，其一端與進料或排料主通道 相連通，另一端與極板上的流道相連通。即各極板上的進料或排料主通道與 異位通孔的連接通道，和極板上的流道分別布置在極板的兩個相對的側(cè)面上， 這樣可以省去了過橋片結(jié)構(gòu)。
冷卻極板上的進料或排料主通道與該極板上異位通孔相連通的通道布置 在與其相鄰的一個極板上，或者布置在該冷卻極板上與冷卻流道相對的側(cè)面 上。
陰極極板上的進料或排料主通道與該極板上異位通孔相連通的通道布置 在與其相鄰的一個極板上，或者布置在該陰極上與陰極流道相對的側(cè)面上。
陽極極板上的進料或排料主通道與該極板上異位通孔相連通的通道布置 在與其相鄰的一個極板上，或者布置在該陽極上與陽極流道相對的側(cè)面上。
所述的異位通孔的截面形狀為圓形、橢圓形、方形、長方形、三角形、 蜂巢形、菱形或多邊形。
所述的極板上的流道的深度為極板厚度的4/5至1/10。 所述的極板上的流道的深度為0.2 3.0mm，流道的寬度為0.2 3.0mm。 所述的極板上的流道的深度為為0.3 2.5mm，流道的寬度為0.3 2.5mm。 本發(fā)明中的供料結(jié)構(gòu)可以用于燃料供應(yīng)、氧化劑供應(yīng)、冷卻劑供應(yīng)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點
1. 本發(fā)明通過電池極板結(jié)構(gòu)設(shè)計，不再需要過橋片，簡化電池極板的加 工過程，適用于電池極板的批量加工，特別是采用模壓方式制造電池極板時， 批量生產(chǎn)將大幅度降低電池極板的生產(chǎn)成本。
2. 本發(fā)明通過電池極板結(jié)構(gòu)設(shè)計，不再需要過橋片，極大地簡化了電池 的組裝難度，可以實現(xiàn)電池快速組裝，設(shè)計批量自動化組裝生產(chǎn)線。
3. 本發(fā)明通過電池極板結(jié)構(gòu)設(shè)計，不再需要過橋片。如果過橋片采用PTFE 類的材質(zhì)，無過橋片的設(shè)計降低了生產(chǎn)難度和生產(chǎn)成本；如果過橋片采用金 屬材質(zhì)，則無過橋片的設(shè)計將大大降低金屬腐蝕對電池性能的影響，提高燃 料電池的使用壽命。


圖1是本發(fā)明的陽極極板A面連通異位通孔供料結(jié)構(gòu)示意圖 圖2是本發(fā)明的陽極極板B面連通異位通孔供料結(jié)構(gòu)示意圖 圖3是本發(fā)明的冷卻極板A面連通異位通孔供料結(jié)構(gòu)示意圖 圖4是本發(fā)明的冷卻極板B面連通異位通孔供料結(jié)構(gòu)示意圖 圖5是本發(fā)明的陰極極板A面連通異位通孔供料結(jié)構(gòu)示意圖 圖6是本發(fā)明的陰極極板B面連通異位通孔供料結(jié)構(gòu)示意圖 圖7是本發(fā)明的燃料電池極板與膜電極的組裝示意圖
圖中1、陽極板，2、冷卻極板，3、陰極板，4、膜電極，5、陽 極極板流道，6 、燃料進料及排料異位通孔，7 、燃料進料及排料主通道， 8 、冷卻液、冷卻氣進料及排料主通道，9 、氧化劑進料及排料主通道，10、 冷卻氣、冷卻液進料及排料主通道與異位通孔的連接通道，11、燃料進料及 排料主通道與異位通孔的連接通道，12、冷卻液、冷卻氣進料及排料異位通 孔，13、冷卻液、冷卻氣流道，14、氧化劑進料主通道與氧化劑進料異位通 孔的連接通道，15、氧化劑進料異位通孔，16、氧化劑流道。
具體實施例方式
實施例l如圖7所示，燃料電池包括陽極板1、冷卻極板2 、陰極板3和膜電極4 ， 膜電極4布置在陰極板3和陽極板1之間，冷卻極板2布置在陽極板1和陰 極板3之間。燃料進料及排料主通道7、冷卻液、冷卻氣進料及排料主通道 8、和氧化劑進料及排料主通道9貫穿各極板。下面結(jié)合附圖1 6對本實施 例中的各極板結(jié)構(gòu)進行詳細說明。
本實施例中，各極板的進料或排料主通道通孔通過異位通孔與各自極板 上的流道相連通，異位通孔貫穿極板，主通道通孔與異位通孔的連接通道和 極板上的流道分別布置在極板的兩個側(cè)面上，這樣可以省去過橋片結(jié)構(gòu)。
陽極板的結(jié)構(gòu)如圖l、圖2所示。圖1為陽極極板A面1A的連通異位通 孔供料結(jié)構(gòu)示意圖，在陽極板的A面布置有密封墊密封槽4、陽極極板流道5 、 以及燃料進料及排料異位通孔6 。
圖2為陽極極板B面1B的連通異位通孔供料結(jié)構(gòu)示意圖，在B面布置有 燃料進料及排料主通道7與燃料進料及排料異位通孔6的連接通道11，冷卻 氣、冷卻液的主通道8與冷卻氣、冷卻液進料及排料異位通孔12的連接通道 IO也布置在陽極極板的B面上。燃料進料及排料異位通孔6貫穿陽極板，其 一端通過連接通道11與燃料進料及排料主通道7相連通，另一端與陽極板流 道5相連通。
燃料由燃料進料及排料主通道7經(jīng)連接通道11進入陽極極板流道5，并 經(jīng)另一側(cè)的燃料進料及排料主通道通孔7排出。
冷卻極板的結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示。圖3為冷卻極板A面2A的連通異位 通孔供料結(jié)構(gòu)示意圖，該面布置有冷卻液、冷卻氣進料及排料異位通孔12。
圖4為冷卻極板B面2B的連通異位通孔供料結(jié)構(gòu)示意圖，該面布置有密 封墊密封槽4，冷卻極板冷卻液、冷卻氣進料異位通孔12，冷卻極板冷卻液、 冷卻氣流道13，氧化劑進料主通道與氧化劑進料異位通孔的連接通道14。冷 卻液、冷卻氣進料及排料異位通孔12貫穿冷卻極板，其一端通過布置在陽極 板上的連接通道10與冷卻氣、冷卻液的主通道8相連通，另一端與布置在冷 卻極板上的冷卻液、冷卻氣流道13相連通。冷卻氣或冷卻液依次經(jīng)過冷卻氣進料及排料主通道通孔8 、布置在陽極 板上的冷卻氣、冷卻液的主通道與異位通孔的連接通道10、冷卻極板冷卻液、 冷卻氣進料及排料異位通孔12，進入冷卻極板冷卻液、冷卻氣流道13，然后 由另一側(cè)的冷卻氣進料及排料主通道通孔8排出。
陰極極板的結(jié)構(gòu)如圖5、圖6所示。圖5是陰極極板A面3A的連通異位 通孔供料結(jié)構(gòu)示意圖，該面上布置有氧化劑進料異位通孔15。
圖6是陰極極板B面3B的連通異位通孔供料結(jié)構(gòu)示意圖，布置有密封墊 密封槽4，氧化劑進料異位通孔15，氧化劑流道16。
氧化劑依次經(jīng)過氧化劑進料及排料主通道通孔9、布置在冷卻極板上的氧 化劑進料主通道與氧化劑進料異位通孔的連接通道14、氧化劑進料異位通孔 15，進入氧化劑流道16，然后由另一側(cè)的氧化劑進料及排料主通道通孔9排 出。
本實施例中的異位通孔采用圓形通孔，異位通孔的形狀也可以為橢圓形、 方形、長方形、三角形、蜂巢形、菱形或多邊形。采用陰極、陽極及冷卻水 碳板厚度3mm，其中，陽極板燃料進料流道的寬與高的尺寸分別為lmm和2mm; 陰極進料流道的寬與高的尺寸分別為2mm和2mm;冷卻板進料流道的寬與高的 尺寸分別為2mm和2mm。陰極及陽極板的進料異位連接通道的流道數(shù)與相應(yīng)的 陰極及陽極板的流道數(shù)相同。陽極板采用兩進兩出流道設(shè)計，陰極板采用三 進三出流道設(shè)計，冷卻板采用貫通式流道設(shè)計。膜電極面積lOOcni2。燃料氣 為氫氣，氧化劑為空氣，冷卻劑為水。單電池在80。C，氣體壓力2atm，陰極 和陽極100%加濕的條件下，在0.6V時功率達到IIOW，與未采用異位通孔進 料結(jié)構(gòu)設(shè)計的碳板所組裝的單電池性能相當。當燃料為20%甲醇，氧化劑為氧 氣，冷卻劑為水。單電池在90。C，氣體壓力latm，在0. 4V時功率達到20W，
與未采用異位通孔進料結(jié)構(gòu)設(shè)計的碳板所組裝的單電池性能相當。 實施例2
本實施例與實施例l的結(jié)構(gòu)基本相同，不同指出僅在于冷卻氣、冷卻
液進料及排料主通道與異位通孔的連接通道io布置在冷卻極板上，并且連接通道10和冷卻液、冷卻氣流道13分別位于冷卻極板相對的兩個側(cè)面上。陽 極極板上的進料或排料主通道與該極板上異位通孔的連接通道，布置在與陽 極板相鄰的極板上，并且該連接通道在該極板流道的另一側(cè)。 實施例3
本實施例與實施例1的結(jié)構(gòu)基本相同，不同指出僅在于氧化劑進料主 通道與氧化劑進料異位通孔的連接通道14布置在陰極極板上，并且連接通道
14和氧化劑流道16分別位于陰極極板相對的兩個側(cè)面上。 實施例4
按照附圖l，圖2，圖5，圖6結(jié)構(gòu)設(shè)計燃料電池陰極、陽極進料孔結(jié)構(gòu)， 采用空氣冷卻，冷卻氣碳板采用直通式結(jié)構(gòu)，通孔采用圓形通孔，陰極、陽 極碳板厚度3mm，其中，陽極板燃料進氣流道的寬與高的尺寸分別為lmm和 2皿；陰極進氣流道的寬與高的尺寸分別為2mm和2mm;陰極及陽極板的進氣 異位連接通道的流道數(shù)與相應(yīng)的陰極及陽極板的流道數(shù)相同。陽極板采用兩 進兩出流道設(shè)計，陰極板采用四進四出流道設(shè)計。膜電極面積50cm2。燃料氣 為氫氣，氧化劑為空氣，冷卻氣為空氣。單電池在50。C，陰極和陽極無外加 濕的條件下，氣體壓力0.5atm，在0. 6V時功率達到20W，與未采用異位通孔
進料結(jié)構(gòu)設(shè)計的碳板所組裝的單電池性能相當。 實施例5
按照附圖1至附圖6結(jié)構(gòu)設(shè)計燃料電池陰極、陽極及冷卻水碳板的進料 孔結(jié)構(gòu)，按照附圖7組裝電池，通孔采用圓形通孔，陰極、陽極及冷卻水碳 板厚度3mm，其中，陽極板燃料進氣通道的寬與高的尺寸分別為lnrai和lmm; 陰極進氣通道的寬與高的尺寸分別為1. 5mm和1. 5mm;冷卻水板進水通道的寬 與高的尺寸分別為2mm和2mm。陰極及陽極板的進氣異位連接通道的流道數(shù)與 相應(yīng)的陰極及陽極板的流道數(shù)相同。陽極板采用兩進兩出流道設(shè)計，陰極板 采用三進三出流道設(shè)計，冷卻水板采用貫通式流道設(shè)計。膜電極面積100cm2。 燃料氣為氫氣，氧化劑為空氣，冷卻劑為水。單電池在80。C，氣體壓力2atm， 陰極和陽極100%加濕的條件下，在0. 6V時功率達到105W，與未采用異位通孔進料結(jié)構(gòu)設(shè)計的碳板所組裝的單電池性能相當。
實施例6
按照附圖l，圖2，圖5，圖6結(jié)構(gòu)設(shè)計燃料電池陰極、陽極進料孔結(jié)構(gòu)， 采用空氣冷卻，冷卻氣碳板采用直通式結(jié)構(gòu)，通孔采用圓形通孔，陰極、陽 極碳板厚度3ram，其中，陽極板燃料進氣通道的寬與高的尺寸分別為lmm和 2mm;陰極進氣通道的寬與高的尺寸分別為2mm和2mm;陰極及陽極板的進氣 異位連接通道的流道數(shù)均為l。陽極板采用兩進兩出流道設(shè)計，陰極板采用三 進三出流道設(shè)計。膜電極面積50cm2。燃料氣為氫氣，氧化劑為空氣，冷卻劑 為空氣。單電池在50T，陰極和陽極無外加濕的條件下，氣體壓力0.5atm， 在0. 6V時功率達到22W，與未采用異位通孔進料結(jié)構(gòu)設(shè)計的碳板所組裝的單 電池性能相當。
實施例7
按照附圖l，圖2，圖5，圖6結(jié)構(gòu)設(shè)計燃料電池陰極、陽極進料孔結(jié)構(gòu)， 采用空氣冷卻，冷卻氣碳板采用直通式結(jié)構(gòu)，通孔采用圓形通孔，陰極、陽 極碳板厚度3mm，其中，陽極板燃料進氣通道的寬與高的尺寸分別為lmm和 2mm;陰極進氣通道的寬與高的尺寸分別為2mm和2mm;陽極板的進氣異位連 接通道的流道數(shù)與異位通孔數(shù)為1。陽極板采用兩進兩出流道設(shè)計，陰極板為 敞開直通式結(jié)構(gòu)流道設(shè)計，由風機直接送氣。膜電極面積50cm2。燃料氣為氫 氣，氧化劑為空氣，冷卻劑為空氣。單電池在50。C，陰極和陽極無外加濕的 條件下，氣體壓力常壓，在0. 6V時功率達到20W，與未采用異位通孔進料結(jié) 構(gòu)設(shè)計的碳板所組裝的單電池性能相當。
權(quán)利要求
1、燃料電池雙極板，其特征在于貫穿陽極板、陰極板和冷卻極板的進料或排料主通道分別通過異位通孔與各自極板上的流道相連通，具體為異位通孔貫穿極板，其一端與進料或排料主通道相連通，另一端與極板上的流道相連通。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池雙極板，其特征在于冷卻極板上的進料 或排料主通道與該極板上異位通孔的連接通道布置在與其相鄰的極板上，或 者布置在該冷卻極板上與冷卻流道相對的側(cè)面上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池雙極板，其特征在于陰極極板上的迸料 或排料主通道與該極板上異位通孔相連通的通道布置在與其相鄰的極板上， 或者布置在該陰極板上與陰極流道相對的側(cè)面上。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池雙極板，其特征在于陽極極板上的進料 或排料主通道與該極板上異位通孔相連通的通道布置在與其相鄰的極板上， 或者布置在該陽極板上與陽極流道相對的側(cè)面上。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池雙極板，其特征在于所述的異位通孔的 截面形狀為圓形、橢圓形、方形、長方形、三角形、蜂巢形、菱形或多邊形。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池雙極板，其特征在于所述的各極板上的 流道的深度均為極板厚度的4/5至1/10。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池雙極板，其特征在于所述的各極板上的流道的深度為0.2 3.0mm，流道的寬度為0.2 3.0mm。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池雙極板，其特征在于所述的各極板上的 流道的深度為為0.3 2.5mm，流道的寬度為0.3 2.5mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃料電池極板，屬于燃料電池領(lǐng)域。貫穿陽極板、陰極板和冷卻極板的進料或排料主通道分別通過異位通孔與各自極板上的流道相連通，具體為異位通孔貫穿極板，其一端與主進料或排料通道相連通，另一端與極板上的流道相連通。本發(fā)明的極板可用于制作小功率至大功率不同流場結(jié)構(gòu)的燃料電池，并可以提高燃料電池膜電極使用壽命，適合燃料電池規(guī)?；a(chǎn)。
文檔編號H01M4/86GK101414683SQ20081022534
公開日2009年4月22日 申請日期2008年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月31日
發(fā)明者兵 曹, 蓉 曾, 李培金 申請人:北京化工大學