專利名稱：離子交換膜燃料電池雙極板及其應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池技術，具體是離子交換膜燃料電池雙極板及其應用于組裝燃料電池電堆的方法。
背景技術：
燃料電池是一種將燃料和氧化劑中的化學能直接、連續地變成電能的發電裝置。燃料電池不需要充電，只要將燃料直接輸入燃料電池系統，燃料電池就會輸出電能。它具有能量轉化效率高、清潔、易啟動、噪音低、靈活方便、可實現熱、電、純水聯產等一系列優點，可用于航天、航空、航海、發電站、電動車、便攜式設備電源以及手機等小型移動設備等，普遍認為燃料電池將成為21世紀的新型動力源之一。燃料電池的應用對于節約能源，保護環境和推動人類社會可持續發展有重要意義。
燃料電池的歷史可追溯到十九世紀初。1802年，Humphrey Davy報道了一個以HNO3為電解質的C(s)/O2(g)電池結構，產生的電流有輕微觸電感覺。1839年，英國科學家William Grove發表了世界上第一篇有關燃料電池研究的報告。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”一詞來命名這類電池。
燃料電池的研究和開發在二十世紀50年代興起熱潮，60年代美國航空航天局和國防部用燃料電池為Apolo飛船提供電源，這標志著燃料電池實用化的開始。70年代末世界性的能源危機及環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)得到了很大的發展。80年代末，質子交換膜燃料電池技術取得重要突破，從而帶動了燃料電池研究、開發的又一次熱潮。近年來，燃料電池的研究取得重大突破使燃料電池產業化成為可能。
離子(包括陽離子，如質子，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、酸等碳氫化合物或其經重整后富含H2的重整氣，氧化劑一般采用純氧或空氣。質了交換膜燃料電池(PEMFC)被稱為繼堿性燃料電池(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。它的發展歷史可追溯到60年代初。當時，美國通用電器公司首先將PEMFC用于探測雙子星座的飛行。但直到1983年，在加拿大國防部確認了PEMFC可以滿足特殊軍事要求并開始贊助Ballard能源公司進行PEMFC的研究后，PEMFC技術才取得了突破性進展。
離子交換膜燃料電池主要由含有多孔氣體擴散層的膜組裝電極(MEA)和流場板組成。流場板在燃料電池中的作用主要有以下三個方面1、流體隔離和分布。將燃料與氧化劑分別輸送到陽極和陰極的催化劑層進行反應，并將陰極反應生成的水通過流場板帶出。
2、機械支撐。支撐膜組裝電極以使燃料及氧化劑可在預定壓力下進行反應。
3、收集電流。串聯單電池形成電流通路。
離子交換膜燃料電池對流場板有以下要求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、機械性能好、質量輕、體積小、容易加工。流場板質量輕和體積小可使燃料電池的質量比功率和體積比功率變大，而容易加工則可提高生產效率，大大降低電池的成本。
3、良好的導電性。流場板必須具有盡可能小的電阻以降低損耗，確保電池性能。
4、良好的化學穩定性。流場板在燃料電池中不僅處于一個化學環境，更是在電化學條件下工作，因此，所用的流場板必須同時是耐化學和電化學腐蝕的材料。
5、良好的導熱性。使各反應區溫度均勻，提高電極效率，并保證電池穩定工作。
6、良好的氣密性。陰、陽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，因此，流場板必須有良好的氣密性。同時，流場板的氣密性好，可降低板的厚度，使得電池的能量密度提高，成本降低。
實際運行的燃料電池電源往往是由若干個單電池組成的燃料電池堆，相臨兩個單電池共用一個極板，此時極板與其兩側的單電池的電極相接觸，這樣的極板被稱為雙極板。
現有的雙極板大都是由相互獨立的燃料流場板和氧化劑流場板通過膠黏、焊接或其它方法固接而成(例如中國專利CN00236169.8；美國專利US7122273、US6623882)，具有以下缺點1、電堆組件較多，導致總的接觸電阻較高，電性能不穩定。
2、電堆組件較多給電池密封增加難度，氣密性較差。
3、流場板機械強度較差。
4、結構復雜，加工困難。
5、燃料流場板和氧化劑流場板的固接部位因不同材料的熱膨脹系數不同以及電化學腐蝕等，成為燃料電池電堆的薄弱部位，降低了電池的壽命。

發明內容
本發明的目的在于提供一種適合便攜式電子產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，實現燃料電池的產業化；特別適合空氣自呼吸式離子交換膜燃料電池的雙極板結構，避免現有雙極板的結構存在的不足之處。
本發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。
本發明所述的離子交換膜燃料電池雙極板，包括燃料進口、燃料出口、燃料反應區域、氧化劑進口、氧化劑出口和氧化劑反應區域；設置在燃料反應區域的燃料流道的兩端分別連接燃料進口與燃料出口；在雙極板的一側開有一排氧化劑進口，另一側開有一排氧化劑出口，氧化劑進口和出口通過氧化劑流道相連通，氧化劑流道從側面貫穿雙極板；燃料反應區域和氧化劑反應區域周圍分別設有密封凹槽，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。氧化劑進口和氧化劑出口的形狀、尺寸和數量可以相同或不同。
燃料流道、氧化劑流道為蛇形、平行形、棋盤形、交錯形或螺旋形。
氧化劑流道之間的埂上設有保濕凹槽，所述凹槽的寬度為0.1mm～2.0mm，深度為0.1mm～1.0mm。
雙極板材料采用導電材料或鍍有導電層的絕緣材料，所述導電材料是金屬和/或石墨，通過雕刻、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量根據實際要求而定。
本發明與現有技術相比，具有如下優點本發明的離子交換膜燃料電池雙極板，其特點在于空氣或氧氣通過雙極板時經橫向通道與膜組裝電極接觸。這樣的結構可以達到(1)使氧化劑在電池內部停留而充分反應；(2)電極反應生成的水不易被氣體流動直接帶走，起到保濕的功能；(3)基于這樣的結構空氣進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。
由本發明的雙極板組成的燃料電池堆只需一個風扇就可實現水、熱、氣的管理，使燃料電池的集成系統大大簡化。


圖1是本發明的雙極板燃料端示意圖；圖2是本發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--燃料進口；2--燃料出口；3--燃料反應區域；4--氧化劑進口；5--氧化劑出口；6--氧化劑反應區域；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--氧化劑流道之間的埂；12--保濕凹槽。
具體實施例方式
實施例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。氧化劑進口4和氧化劑出口5的形狀均為方形，且數量相等。
實施例2采用石墨板，以機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。氧化劑進口4和氧化劑出口5的單孔面積為2mm2，形狀均為方形，且數量相等。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。
實施例3采用膨脹石墨板，以機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，用小風扇使空氣通過雙極板氧化劑端。8片單電池串聯起來，電池輸出電壓在4.5V時，電流約為2.5A，電池工作溫度約為50℃。
實施例5采用可膨脹石墨/聚苯硫醚(PPS)納米導電復合材料，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口、燃料出口、燃料反應區域、氧化劑進口、氧化劑出口和氧化劑反應區域；設置在燃料反應區域的燃料流道的兩端分別連接燃料進口與燃料出口；在雙極板的一側開有一排氧化劑進口，另一側開有一排氧化劑出口，氧化劑進口和出口通過氧化劑流道相連通，氧化劑流道從側面貫穿雙極板；燃料反應區域和氧化劑反應區域周圍分別設有密封凹槽，并分別施加彈性密封件。
2.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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、棋盤形、交錯形或螺旋形。
5.根據權利要求4所述的雙極板，其特征在于氧化劑進口、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.根據權利要求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.根據權利要求6所述的雙極板，其特征在于其材料采用導電材料或鍍有導電層的絕緣材料，所述導電材料是金屬和/或石墨，通過雕刻、鑄造、壓模、沖壓或注塑方法成型。
8.權利要求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
本發明提供一種離子交換膜燃料電池雙極板及其應用，其設置在燃料反應區域的燃料流道的兩端分別連接燃料進口與燃料出口；在雙極板的一側開有一排氧化劑進口，另一側開有一排氧化劑出口，氧化劑進口和出口通過氧化劑流道相連通，氧化劑流道從側面貫穿雙極板；燃料反應區域和氧化劑反應區域周圍分別設有密封凹槽，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。適合便攜式電子產品用的離子交換膜燃料電池的雙極板。
文檔編號H01M4/86GK101022171SQ20071002721
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月20日 優先權日2007年3月20日
發明者沈培康, 黃岳強, 李永亮, 梁劍瑩 申請人:中山大學