CN1416184A - 质子交换膜燃料电池的金属复合双极板 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种质子交换膜燃料电池的金属复合双极板，该双极板由两部分组成，一部分是与三合一电极相对应的条状沟槽部分，由两块形状完全对称的薄金属焊合而成，条状沟槽的凸台呈蛇型，另一部分是金属边框，它的作用是支撑和固定条状沟槽部分并形成气道和水道，边框和条状沟槽部分通过粘合或焊合成一体。本发明具有以下优点：1.气道可以保证燃料气、氧化剂气体的均匀分布；2.条装沟槽的凸台可以保证电流的均匀分布，最大限度地降低接触电阻；3.水冷功能可以保证电堆温度的均匀分布；4.双极板由条状沟槽部分和金属边框两部分组成既可以使其具有多项功能又有足够的机械强度。

Description

质子交换膜燃料电池的金属复合双极板

技术领域：

本发明提出一种质子交换膜燃料电池的金属复合双极板，属于燃料电池技术领域。

背景技术：

燃料电池是一种可将化学能连续不断地直接转变为电能的发电装置。当电池工作时，要连续不断地向电池内输送燃料和氧化剂即可连续不断地得到电能，同时要连续不断地排除化学反应的产物水的同时还要连续不断地排除因化学反应产生的热。由于质子交换膜燃料电池有工作温度低、启动快、能量转化效率高、与环境友好等特点，开发质子交换膜燃料电池成为现代科技攻关的热点之一。但是，以目前的技术水平质子交换膜燃料电池还无法实现商业化，其中一个非常主要的因素就是双极板。双极板的材料、流场结构，尤其是其加工成本(目前的技术水平，双极板的成本要占整个燃料电池成本的40％～60％以上)都存在许多亟待解决的技术问题。目前，世界上在这方面的研究工作进行的很多。主要的研究方向有：碳-聚合物复合材料和金属基材料。碳-聚合物复合材料的研究主要是将石墨与聚合物材料经一定方式混合，然后经冲压成型。其中石墨材料起导电作用，而聚合物起粘接作用。这种方式能够较大程度降低生产成本，但石墨的添加量不能过大，否则会降低材料的可冲压性，还造成石墨分布不均，容易产生气体的渗漏，而且使得材料的导电性比本来就比金属差的石墨更低。而金属基材料双极板由于良好的导电性、机械强度和低成本则成为研究热点，对金属基双极板材料的研究一方向集中在材料的简单替代上，另一方面则侧重开发新的高效低成本结构。在现有技术中，一种是采用了厚度只有零点几个毫米的钛金属板作为基材，制备出兼具冷却板的功能的新型双极板。首先将薄钛板用冲压等方法加工出沟槽结构，然后用钎焊的方法将两个金属薄板直接，或者通过一中间金属隔板焊接起来。金属板表面的沟槽作为气体通道，而两个金属板的中间腔体则构成液体冷却剂的通道。这种方法可以将双极板做得很轻，散热良好。但是采用钛材料其成本仍较高。另一种是采用厚度只有0.2～0.3毫米的薄金属板，如不锈钢(钢号310或316，其中310双极板比316双极板表现出更好的极化特性)，来做双极板材料，流场板则采用方形的不锈钢等金属筛网，进气孔和出气孔分别位于流场板的对角线上，可以保证相对均匀的气流分布。冷却板的形式与双极板类似，在两个较薄(厚度为0.25mm左右)的金属板中间夹以一金属网，液体冷却剂从金属网中流过以保证良好的流体分布，整个冷却板的厚度为3毫米。第三种是由三层薄金属板构成的燃料电池双极板，中间为分隔板，两侧为带有条状沟槽的导流板。导流板上的沟槽由入口到出口是连续的；并且沟槽之间逐渐并接，使得沟槽的横截面积由气体入口到出口逐级衰减，条状沟槽占整个工作面积的1/2～4/5。以上技术都是从某一个侧面来改善双极板的性能，但是没有一个将减轻双极板的体积和重量，改善反应气体的利用率，增加双极板的冷却功能，提高双极板材料的导电性，降低材料与生产成本以及具有良好的装配性等各方面综合考虑并包容进去的，因此他们对双极板性能和成本的改进都是不全面的，都只是在某一方面有提高。

发明内容：

本发明由两部分组成，一部分是与三合一电极相对应的条状沟槽部分。这一部分由两块形状完全对称的薄金属板焊合而成，其要点是：条状沟槽的凸台呈蛇型，共有两个特点：一是将气体导流槽分割为两个彼此不相通的梳型气道，这两个彼此不相通的梳型气道一个是进气道一个是排气道；另一个特点是两块形状完全对称的薄金属板上的呈蛇行的条状沟槽的凸台构成了一蛇型的冷却水道；另一部分是金属边框，它的作用是支撑和固定条状沟槽部分并形成气道和水道。边框和条状沟槽部分通过粘合或焊合成一体。下面结合附图详细阐述本发明原理和结构：金属边框1中间，镶有两块结构、形状完全对称的薄金属板2，上薄金属板为阳极板，下薄金属板为阴极板，阳极板和阴极板焊接成一个整体，在金属边框1两下角处钻有圆孔3、4，在金属边框1两上角处分别钻有方孔7、8和圆孔5、6，在圆孔4、6处加工凹槽与蛇型条状沟槽构成气体通道，方孔7、8处加工出凹槽与两极板间的蛇型冷却剂通道相连，在阳极板上经冲压，制成呈蛇型的条状沟槽凸台，在呈蛇型条状沟槽的凸台内部构成了一条蛇型的冷却剂通道，可以通过控制冷却剂流量和流速来严格控制燃料电池的内部温度，有利于反应区域的温度及电流密度均匀分布，提高燃料电池的性能。本发明中呈蛇型的条状沟槽凸台将气体导流槽分割为两个彼此不相通的梳型气道，燃料气、氧化剂气体分别通过各自的梳型进气道到达凸台的一侧，然后沿与凸台垂直的方向通过扩散层流到排气道。该结构可以充分地保证气体均匀地到达电极的每一个角落，提高反应气体的利用率。由于氧化剂气体从进气孔必须通过蛇行通道的凸台才能够到达对角线一侧的出气孔，这种气体流动方式有利于燃料电池阴极一侧的产物水的排出。在阳、阴两块极板的凸起表面，镀有Ag和Au等金属，可有效改善两个极板的防腐，导电或排气性能。金属边框1可用Al、不锈钢等金属制成。金属边框的作用可以起支撑和固定条状沟槽部分的作用，改善了薄不锈钢极板机械强度差的缺点，能够实现燃料电池堆的顺利安装，同时可以形成容易加工的气道和冷却剂通道。本发明将充分地发挥双极板的如下功能：1、气道可以保证燃料气、氧化剂气体的均匀分布；2、条状沟槽的凸台可以保证电流的均匀分布，最大限度地降低接触电阻；3、水冷功能可以保证电堆温度的均匀分布；4、双极板由条状沟槽部分和金属边框两部分组成既可以使其具有多项功能又有足够的机械强度。

图1为本发明阳极板原理结构图。

图2为本发明阴极板原理结构图。

图3为本发明图2中A-A剖视图。

实施例1：

采用0.15～0.5mm厚的奥氏体不锈钢冲压条状沟槽部分，其几何形状为矩形。根据电池的工作电流来确定矩形的边长，电流越大，面积越大。采用电焊的办法将完全对称的两块条状沟槽部分焊合在一起，其厚度根据需要可为1.5～3.5mm，结构如图1所示。冲压条状沟槽结构也如图1所示。其结构特点是凸台部分的始端和末端位于矩形短边的一侧，即冷却剂通道的始端和末端位于矩形短边的一侧，结构如图1所示。凸台部分的宽度2.0～6.0mm，沟槽部分的宽度0.5～3.0mm。呈蛇行条状沟槽的凸台与扩散层接触的部分局部电镀或化学镀Ag和Au的多层镀层，Ag层为底层表层为Au，银层的厚度以无孔为标准约5～10μm，金镀层0.1～05μm。另一部分是矩形的金属边框如图1所示。它可以用Al，Ti，Mg及其合金冲压或浇铸成型。结构特点是气体和液体通道都设在矩形的短边上。矩形的金属边框和条状沟槽部分通过粘合或焊接形成一体。

实施例2：

采用0.15～0.5mm厚的Al，Ti及其合金冲压条状沟槽部分。其几何形状为矩形，根据电池的工作电流为确定矩形的边长，电流越大，面积越大。采用电焊的办法将完全对称的两块条状沟槽部分焊合在一起，其厚度根据需要可为1.5～3.5mm，结构如图1所示。冲压条状沟槽部分的结构如图1所示。其结构特点是凸台部分的始端和末端位于矩形短边的一侧，即冷却剂通道的始端和末端位于矩形短边的一侧，结构如图1所示。凸台部分的宽度2.0～6.0mm，沟槽部分的宽度0.5～3.0mm。呈蛇行条状沟槽的凸台与扩散层接触的部分局部电镀或化学镀Ag和Au的多层镀层。Ag层为底层表层为Au，银层的厚度以无孔为标准约5～10μm，金镀层0.1～05μm。另一部分是矩形的金属边框，如图1所示。它可以用Al，Ti，Mg及其合金冲压或浇铸成型。结构特点是气体和液体通道都设在矩形的短边上，矩形的金属边框和条状沟槽部分通过粘合或焊接形成一体。

Claims (1)

1.一种质子交换膜燃料电池的金属复合双极板，其特征在于：金属边框[1]中间，镶有两块结构、形状完全对称的薄金属板[2]，上薄金属板为阳极板，下薄金属板为阴极板，阳极板和阴极板焊接成一个整体，在金属边框[1]两下角处钻有圆孔[3]、[4]，在金属边框[1]两上角处分别钻有方孔[7]、[8]和圆孔[5]、[6]，在圆孔[4]、[6]处加工凹槽与蛇型条状沟槽构成气体通道，方孔[7]、[8]处加工出凹槽与两极板间的蛇型冷却剂通道相连，在阳极板上经冲压，制成呈蛇型的条状沟槽凸台，在呈蛇型条状沟槽的凸台内部构成了一条蛇型的冷却剂通道。

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