專利名稱：質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是對質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的改進，尤其是對雙極板散熱 冷卻流場的改進。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，是一種直接將氫燃料及氧化劑中的化 學能，轉(zhuǎn)化成電能及其產(chǎn)物的發(fā)電裝置。PEMFC單電池電壓很低，約 0.6 0.7V，為了獲得有用的電流和電壓，需要把多個單電池串聯(lián)起來構(gòu)成 一個電池堆。用于分隔相鄰兩個單電池的隔板稱雙極板，為了從燃料電池 堆內(nèi)移出反應(yīng)熱，每片雙極板中間均設(shè)計有冷卻劑通道，因此，通常的雙 極板均是由含流場的陽極板、陰極板和冷卻劑流場構(gòu)成。為在一片電極的 陽極和另一片相鄰電極的陰極之間傳遞電流，構(gòu)成雙極板的三個流場板必 須fl械和電連接在一起，并且保證小的接觸電阻，及不漏氣、不漏水，同 時雙極板的成本也直接影響燃料電池的實用程度。
傳統(tǒng)的雙極板，通常結(jié)構(gòu)有 一片板上含有陽極流場，另一片板上含 有陰極流場和冷卻劑流場；或一片板上含有陰極流場，另一片板上含有陽 極流場和冷卻劑流場；或一片板上含有陽極流場和半部分冷卻劑流場，另 一片板上含有陰極流場和另半部分冷卻劑流場，均為兩片板組合結(jié)構(gòu)。兩 片板按所采用材料不同，有采用粘結(jié)劑粘結(jié)(石墨或樹脂復(fù)合雙極板)或 焊接(金屬雙極板)，將兩片板機械和電連接結(jié)合在一起。這種由硬質(zhì)材 料石墨或金屬板組成的雙極板，雖然極板有高的電導率，但主要不足是 因流場圖案加工精度要求極高，帶冷卻劑流場硬極板加工復(fù)雜、難度大， 生產(chǎn)成本較高，例如采用硬石墨板需要至少機械銑加工三個面，采用金屬 板或模壓石墨板，模具壓制流場，不僅模具復(fù)雜，而且因流場溝槽細小并 需保持一定深度，造成脫模困難，同樣生產(chǎn)成本也較高；其次，組合極板 硬面與硬面結(jié)合，不僅硬質(zhì)材料難以緊密壓合，而且極板加工不可避免的 不平整偏差，均導致接觸電阻增大，造成組裝電池電性能差；再就是，這 種冷卻劑流場與極板合在一起結(jié)構(gòu)，造成極板更改流場受到限止，極板流 場設(shè)計靈活性較低。上述均直接影響燃料電池的應(yīng)用程度。
中國專利CN1675791公開的用于燃料電池的雙極板，是在加工有氣體 通道流場圖案的兩金屬箔層間，通過擴散結(jié)合或釬焊結(jié)合導電多孔材料(金
屬泡沬或碳或石墨泡沫)冷卻劑流場。此雖然將兩極板與冷卻流場分幵，提 高了極板流場加工的靈活性，并降低了流場加工難度。但導電多孔材料作 冷卻劑流場，只是利用自身的微孔作為冷卻劑通道，細小、曲折的孔徑， 冷卻劑流暢受到阻礙，降低了冷卻效果，而質(zhì)子交換膜燃料電池，屬于低 溫電堆，溫度一般不宜超過80°C，如果冷卻效果不佳則會影響電堆性能； 其次，泡沫材料纟屯底相對低，則帶來導電性變差，同樣會影響組裝電堆是
性能；再就是，微孔型冷卻劑通道，對冷卻水要求較高，fe另外增加冷卻 水處理系統(tǒng)。
中國專利CN2911972公開的復(fù)合型燃料電池雙極板，.采用極板與冷卻 劑流場獨立分開貼合組合結(jié)構(gòu)，并為降低極板流場加工難度，采用柔性石 墨板作為反應(yīng)氣體流場板，硬質(zhì)石墨板作為冷卻劑流場板，并由密封板條 封蓋在柔性石墨板邊緣，二片或三片結(jié)合組成雙極板。但此組成的雙極板 只能適用于空氣冷卻型燃料電池雙極板，并且柔性石墨板作為雙極板的反 應(yīng)氣體(氫氣和空氣)流場，柔性石墨的易變形性，在組合電池堆過程中 受壓，容易使原設(shè)計氣體流場發(fā)生變形，通入的冷卻空氣壓力，也會造成 反應(yīng)氣體流場發(fā)生變形。反應(yīng)氣體流場變形，將影響反應(yīng)氣體的傳輸和擴 散，造成電池性能的降低；其次，為防止反應(yīng)氣體流場變形，柔性石墨流 威必須深加工，由于柔性石墨材質(zhì)制約，深加工流場比較困難，實際降低 成本作用不大。因此該雙極板雖然改進了反應(yīng)氣體流場加工難度，但存在 的其他不足，使得實際改進效果仍不理想，仍有值得改進的地方。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述種種已有技術(shù)的不足，提供一種既能有效 保證反應(yīng)氣體流場，且極板流場加工、更改相對容易，流場板接觸緊密， 接觸電阻小，組裝電池性能好的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板。
本發(fā)明目的實現(xiàn)，主要改進是將冷卻劑流場獨立采用富有彈性的柔性 石墨板制作，從而克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，實現(xiàn)本發(fā)明目的。具體說， 本發(fā)明質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板，有分立的陽極流場、冷卻劑流場和陰 極流場組合成一體，其特征在于所說冷卻劑流場由柔性石墨板制成，柔性 石墨板外周有硬質(zhì)厚度限位框。
本發(fā)明中，陽極流場板和陰極流場板及流場，與通常雙極板相似，可 以為金屬，也可以為石墨，還可以為樹脂復(fù)合材料，流場圖案形狀可以根 據(jù)設(shè)計需要確定，流場的加工也按現(xiàn)有技術(shù)實施。
柔性石墨板外周的硬質(zhì)厚度限位框，主要是在組裝極板和龜堆時，為
確保中間柔性石墨冷卻劑流場保持一定厚度，所說厚度限位框，如果陽極 和陰極流場板為金屬，則中間柔性石墨流場四周厚度限位框采用金屬框； 如果陽極和陰極流場板為石墨，則在中間柔性石墨流場四周厚度限位框采 用非金屬框。厚度限位框通過焊接或粘結(jié)方式，粘結(jié)在一塊流場極板反面。 為確保陽極流場板、冷卻劑流場板、陰極流場板貼面疊合有很好的導 電性能和導熱性能，柔性石墨冷卻劑流場的厚度，較好是厚于厚度限位框
厚度，例如比厚度限位框厚50-100微米，柔性石墨冷卻劑流場板厚度過盈，
可以在壓合時使柔性石墨發(fā)生壓縮變形，并保持一定的回彈力，從而有利 于流場板間緊密結(jié)合，以及彌補各流場板加工可能造成的不平整偏差，使 三片流場板保持優(yōu)良的面接觸，從而提高流場板間接觸導電性能，使雙極 板具有較小的接觸電阻，以及優(yōu)良的導熱性能。微小量的厚度過盈，其變 形基本不會影響冷卻流場變形，而且冷卻流場精度要求遠低于氣體流場。 柔性石墨冷卻劑流場加工，可以采用與極板流場相似的雕刻加工方法，也 可以采用模壓方式。
本發(fā)明質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板，由于選擇采用柔性石墨作雙極板 中間冷卻水流場，柔性石墨的柔軟及具有一定的彈性變形性，不僅可以補 償陽極流場板和陰極流場板加工不可避免的不平整偏差，可以確保流場板 面接觸緊密壓合，有效減小了流場板間接觸電阻，可以實現(xiàn)接觸電阻最小
化結(jié)合，基本上沒有界面電壓損失;而且其優(yōu)良的平面導熱性，提高了冷 卻效果，艱制了電池堆的溫升，組裝電池電性能好；此外，柔性石墨，質(zhì) 地相對較軟，水流槽深度又相對可以低一些，更是使得加工容易。本發(fā)明 雙極板克服了現(xiàn)有技術(shù)雙極板種種不足，組合性能明顯優(yōu)于硬質(zhì)石墨冷卻 流場及柔性石墨反應(yīng)氣體流場。三流場板分開單獨制作，流場加工及更改 容易，并可以實現(xiàn)各流場獨立優(yōu)化。
以下結(jié)合二個具體實施方式
，示例性說明本發(fā)明。
具體實施例方式
實施例l:本發(fā)明質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板，分別用涂有防腐蝕層的 不銹鋼，壓制陽極流場和陰極流場制成極板流場，取厚度5mm的柔性石墨 板，模壓或雕刻流場圖案，將厚度為4.5mm金屬厚度限位框焊接于一流場 極板背面，三者定位疊合，放入壓裝機中壓合組成雙極板。
實施例2:如實施例l，極板采用硬質(zhì)石墨板，厚度限位框也采用硬質(zhì) 石墨制成，用導電粘合劑粘結(jié)于一流場極板背面。
權(quán)利要求
1、質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板，有分立的陽極流場、冷卻劑流場和陰極流場組合成一體，其特征在于所說冷卻劑流場由柔性石墨板制成，柔性石墨板外周有硬質(zhì)厚度限位框。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板，其特征在于柔性石 墨板厚度大于厚度限位框。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板，其特征在于柔性石 墨板厚度較厚度限位框厚50-100微米。
全文摘要
本發(fā)明是對質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的改進，其特征是中間冷卻劑流場由柔性石墨板制成，柔性石墨板外周有硬質(zhì)厚度限位框。柔性石墨的柔軟及具有一定的彈性變形性，不僅可以補償陽極流場板和陰極流場板加工不可避免的不平整偏差，可以確保流場板面接觸緊密壓合，有效減小了流場板間接觸電阻，可以實現(xiàn)接觸電阻最小化結(jié)合，基本上沒有界面電壓損失；而且其優(yōu)良的平面導熱性，提高了冷卻效果，限制了電池堆的溫升，組裝電池電性能好；此外，柔性石墨，質(zhì)地相對較軟，水流槽深度相對可以低一些，更是使得加工容易。組合性能明顯優(yōu)于硬質(zhì)石墨冷卻流場及柔性石墨反應(yīng)氣體流場。三流場板分開單獨制作，流場更改容易，可以實現(xiàn)各流場獨立優(yōu)化。
文檔編號H01M4/86GK101359742SQ20071002555
公開日2009年2月4日 申請日期2007年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月2日
發(fā)明者劉常福, 張茂鋒, 徐洪峰, 紀志勇 申請人:江蘇新源動力有限公司