專利名稱：質子交換膜燃料電池的雙極板的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池技術，特別提供了一種質子交換膜燃料電池的雙極板結構。
燃料電池是一種將貯存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。它的發電方式與常規化學電源一樣，電極提供電子轉移的場所，陽極催化燃料(如氫等)的氧化過程，陰極催化氧化劑(如氧等)的還原過程，導電離子在陰、陽極間的電解質內遷移，電子通過外電路作功并構成總的電的回路。在電池內，化學能向電能的轉化過程等溫地進行，即在燃料電池內，可在其操作溫度下利用反應的自由能。但是，燃料電池的工作方式又與常規的化學電源不同，它的燃料和氧化劑并非貯存在電池內，而是貯存在電池外部的貯罐內。當電池工作時，要連續不斷地向電池內送入燃料和氧化劑，同時排出反應產物；并且還要排出廢熱，以維持電池工作溫度的恒定。燃料電池本身只決定輸出功率的大小，而貯存的能量則由燃料和氧化劑的貯罐容量決定。自然料電池發明以來，人們已開發出堿性、磷酸型、質子交換膜型、熔融碳酸鹽型和高溫固體氧化物型等多種燃料電池。其中高比功率、可室溫起動、快速啟動的質子交換膜型燃料電池的能量轉化效率已達50％，它是電動車、潛艇、野外戰地等多方面的優選可移動電源。國外對各種動力電池進行的綜合評定表明，能達到目前內燃機汽車水平的只有質子交換膜燃料電池。正是優良的應用前景和電解質膜的進步促進了質子交換膜燃料電池的發展。自本世紀八十年代以來，包括美國、加拿大、日本等許多發達國家均投巨資開發這一技術。目前，除將該技術進一步開發、力爭投放市場外，尚有許多技術難點尚需進行深入研究，其中包括電池組件雙極板的流場結構、材料、加工成本等。本專利即為解決此問題而作出的一項發明。國外對此已作過不少工作。文獻[1]USP 5,300,370 Apr.5，1994采用薄片迭合而成的流暢板作雙極板構成質子交換膜燃料電池。該流場板分為三層，中間為導電流分隔板，兩邊分別置有2片花紋狀溝槽的導流板。這兩種板均以石墨或石墨箔制作，也可用金屬鈮、鎂、銅以及金與鉑制作，取其導電特性。導電流分隔板為不透氣液的片狀板。花紋狀溝槽的導流板為開有條形口作通道的片狀板，進出口之間至少有一條通道，并且其通道可以是連通的，也可是不連通的。不連通時，反應氣由通道相隔的平板面與電催化劑層之間的縫隙間通過。花紋狀溝槽的導流板可以由沖壓、銑或模壓來加工。文獻[2]USP 4,826,741 May.2，1989的雙極板結構較復雜，先以一片不透氣而導電的薄板與親水而透液的元件壓緊，再與氣體分配板配合。兩片氣體分配板之間插入三合一(EMA)電極組件。氣體分配板朝向電極一面加工有溝槽。這些分配板均以多孔石黑制作。文獻[3]USP 5,382,478 Jan.17，1995所提供的圖形表明該電池采用類似于文獻[1]的氣體流場板，但其溝槽為連續的，且為多通道并聯。上述文獻均存在一個共同的問題尚未解決即氣體通道進氣處與出氣處均為一樣，使反應氣在電極表面分配不均勻，無法獲得催化層的充分利用，且進氣量在電極工作時依其長度而逐漸消耗，各處氣流速度不一樣，尤其是尾氣處，氣體已明顯消耗，而通道依舊，使氣體傳質處于不利狀態，并且加工費用高，導致電池成本增加。
本發明的目的在于提供一種質子交換膜燃料電池的雙極板結構，其可以提高反應氣的利用率，促進電極表面的傳質，從而提高電池性能，并且加工容易、制造費用較低。
本發明提供了一種質子交換膜燃料電池的雙極板，由三層薄金屬板構成，中間為導電流不透氣液的分隔板，兩邊分別置有帶條狀溝槽的導流板，其特征在于導流板上的條狀溝槽由氣體入口到氣體出口是連續的；并且溝槽之間逐極并接，使得溝槽的橫截面積由氣體入口到氣體出口逐級衰減，即并串聯方式；條狀溝槽占整個工作面積的1/2～4/5。
此外，本發明中分隔板和導流板最好結合為一體。
本發明所提供的雙極板可以有下述兩種具體形式一、導流板上的條狀溝槽第一組8條并聯，第二組4條并聯，第三組2條并聯，三組之間串聯。
二、導流板上的條狀溝槽第一組4條并聯，第二組2條并聯，兩組之間串聯。
總之，本發明具有下述特點1.本發明以雙極板兩側流場板上氣體通道的并串聯方式進行反應氣的分配，使電極表面各處均可得到足夠的氣體供應。
2.由于并串聯氣道的實施，使電極各處氣流均處于湍流狀態，促進了電極表面傳質的進行，提高了電池的性能。
3.由于本發明促進了反應氣的充分利用，減少了尾氣排放，節約了反應氣的供應，提高了反應氣的利用率。
4.并串聯的氣道設計使氣體在通道中的速度始終如一，持續的湍流促進了氧化劑側水的排出。
5.采用線切割或電火花法加工流場板通道，使電池加工得以大批量生產，制造費用降低。
下面結合附圖通過實施例詳述本發明。
附

圖1為雙極板截面剖示圖。
附圖2為雙極板的空氣流場板側結構示意圖。
附圖3為雙極板的氫氣流場板側結構示意圖。
附圖4為雙極板的氧氣流場板側結構示意圖。
附圖5為雙極板的氫氣流場板側結構示意圖。
附圖6為電池組性能圖。
實施例11.采用三層由316#不銹鋼板制備的雙極板(如圖1)，工作面積為135cm2，工作面積的寬長比為黃金分割比例0.618，中間一層為雙極板的導電流分隔板1，厚0.3mm，兩邊分別為0.5mm的空氣和氫氣流場板2、3，以線切割法加工出氣體流場板1再與分隔板結合為一體制成雙極板。空氣流場板側如圖2所示，4為空氣進口，5為空氣出口，6為氫氣進口，7為氫氣出口，條狀溝槽寬為1mm，梗為0.4mm，圖中未表明槽及梗的寬度，在空氣進口4處為8空氣通道并聯進入，到1/2處串接為4通道，至3/4處串接2通道，直到空氣出口5處。圖3為氫氣流場板側結構，其中4為空氣進口，5為空氣出口，6為氫氣進口，7為氫氣出口，氫氣進口6處并聯進入處為4通道，至中部串接為2通道并聯，直到氫氣出口7處，由氫氣出口7排出。
2.采用Dupont 117膜，兩側分別加置多孔氣體電極，Pt/C催化劑，Pt擔量為0.4mg/cm2，組裝出8對電池。
3.電池運行時，入口設在上端。溫度80℃，H2/空氣壓力分別為0.35/0.4 MPa。H2/空氣尾氣排放量均為化學計量的1.15倍/2倍時，進出口壓力差分別為0.012/0.015MPa。電流密度400mA/cm2，電池輸出電壓6V，平均每個單電池0.75V。
實施例21.采用三層薄1Cr18Ni9Ti不銹鋼板材制備雙極板(參見圖1)，工作面積為135cm2，寬長比按黃金分割比例0.618，三層以釬焊方式焊接成一體，中間層為導電流分隔板1，0.5mm厚，兩面氧氣和氫氣流場板2、3亦為0.5mm厚，以電火花法加工條狀通道。溝槽寬度為1.0mm，梗為0.35mm。氫氣流場板結構與圖2相同(見圖5)，氧氣進口4，氧氣出口5，氫氣進口為6，氫氣出口為7。所不同的是氫氣進口6為8通道并聯進入，至1/2處串接4通道并聯，至3/4處串接2通道并聯至出口處，由氫氣出孔7排出。氧氣流場板示于圖4，其中4為氧氣進口，5為氧氣出口，氧氣進口4處16通道并聯進入，1/3處串接8通道并聯，2/3處改串按4通道并聯，1/6處改串接2通道并聯接至出口處，由出口5排出。
2.Dupont 117膜兩側置有Pt/C電極，Pt擔量為0.4mg/cm2，組裝出35對電池組。
3.溫度80℃。H2/O2進口壓力0.35/0.4MPa，進出口壓力差分別為0.020/0.018MPa。H2/O2尾氣排放量分別為化學計量的1.15倍/2倍。電池組性能見圖7。
權利要求
1.一種質子交換膜燃料電池的雙極板，由三層薄金屬板構成，中間為導電流不透氣液的分隔板，兩邊分別置有帶條狀溝槽的導流板，其特征在于導流板上的條狀溝槽由氣體入口到氣體出口是連續的；并且溝槽之間逐極并接，使得溝槽的橫截面積由氣體入口到氣體出口逐級衰減；條狀溝槽占整個工作面積的1/2～4/5。
2.按權利要求1、2所述質子交換膜燃料電池的雙極板，其特征在于導流板上的條狀溝槽第一組8條并聯，第二組4條并聯，第三組2條并聯，三組之間串聯。
3.按權利要求1、2所述質子交換膜燃料電池的雙極板，其特征在于導流板上的條狀溝槽第一組4條并聯，第二組2條并聯，兩組之間串聯。
4.按權利要求1所述質子交換膜燃料電池的雙極板，其特征在于分隔板和導流板結合為一體。
全文摘要
一種質子交換膜燃料電池的雙極板,由三層薄金屬板構成,中間為導電流不透氣液的分隔板,兩邊分別置有帶條狀溝槽的導流板,其特征在于:導流板上的條狀溝槽由氣體入口到氣體出口是連續的;并且溝槽之間逐極并接,使得溝槽的橫截面積由氣體入口到氣體出口逐級衰減;條狀溝槽占整個工作面積的1/2～4/5。本發明可以提高反應氣的利用率,促進電極表面的傳質,從而提高電池性能,并且加工容易、制造費用較低。
文檔編號H01M4/94GK1242614SQ98114178
公開日2000年1月26日 申請日期1998年7月22日 優先權日1998年7月22日
發明者衣寶廉, 張恩浚, 韓明, 曲天錫, 王德和 申請人:中國科學院大連化學物理研究所