專利名稱:便攜式燃料電池極板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及便攜式質(zhì)子交換膜燃料電池及電池的雙極板及流道。
背景技術(shù)：
燃料電池技術(shù)是將氫氣和氧氣在發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時所產(chǎn)生的電能、熱能和水予以利用的一種清潔的、可再生的能源技術(shù)。燃料電池根據(jù)電介質(zhì)不同，可以分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池等。而質(zhì)子交換膜燃料電池由于其功率密度大、工作溫度低、電池結(jié)構(gòu)簡單、對壓力變化不敏感等特點，已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到了普遍的關(guān)注，其產(chǎn)品也逐漸進(jìn)入市場。
質(zhì)子交換膜燃料電池的電解質(zhì)為質(zhì)子交換膜，目前廣泛使用的是杜邦公司生產(chǎn)的Nafion系列全氟磺酸膜。膜的作用是雙重的，作為電解質(zhì)提供氫離子通道，作為隔膜隔離兩極反應(yīng)氣體。優(yōu)化膜的離子和水傳輸性能及適當(dāng)?shù)乃芾?，是保證電池性能的關(guān)鍵。在隔膜的兩側(cè)，各有一層催化劑層。催化劑主要是由Pt/C組成，在催化層中再加入Nafion溶液，以增加質(zhì)子傳導(dǎo)性能以及催化層與電解質(zhì)的接觸性能。催化層是燃料電池氣體區(qū)域。在催化層的兩側(cè)，各有一層氣體擴散層，主要作用是作為催化層的支撐體、電池內(nèi)部的導(dǎo)電、氣體在電極表面的分布、反應(yīng)產(chǎn)物的排出等。目前，擴散層的材料主要是碳紙、碳布或者金屬網(wǎng)。擴散層的孔隙率、疏水特性、厚度以及組分對燃料電池性能有很大的影響。擴散層的這幾個變量都是互相關(guān)聯(lián)地影響燃料電池的性能。孔隙率大有利于氣體的擴散，可是過大則氣體分布不均、容易發(fā)生堵水現(xiàn)象。一般來說疏水性高較好，可是過高就會使孔分布不均、加工成本過高。電解質(zhì)膜、催化層和氣體擴散層共同組成膜電極(MEA)。
在膜電極的兩側(cè)，各有一塊雙極板，其作用是電流收集和傳送、氣體分布以及熱管理。目前主要用石墨為材料，但是其價格高、密度大，而且由于石墨的脆性，不能做得很薄，增加了電堆的重量和體積。所以各研究者也在尋求石墨的替代品，比如導(dǎo)電塑料、不銹鋼等。在雙極板上，都刻有氣體流道，目的是使反應(yīng)氣體能夠均勻分布于整個電極表面。氣體流道的形狀很多，比較常見的是蛇行流道(見美國專利號6099984)。在雙極板上還必須有氣體輸入通道，燃料電池外部反應(yīng)氣體通過氣體輸入通道，均勻分流到每個單電池的雙極板；電池反應(yīng)結(jié)束后，剩余的尾氣要從各自的單電池進(jìn)入氣體排出通道，再排到燃料電池外部而排放或者進(jìn)行循環(huán)利用，再次通過氣體輸入通道進(jìn)入雙極板的流道而參與反應(yīng)。
一般的燃料電池，必須有一個壓縮機(或空氣泵、軸流風(fēng)扇、離心風(fēng)機)對燃料電池的陰極提供反應(yīng)所需要的氧氣(或空氣)。同時，作為液體冷卻系統(tǒng)，需要一個水泵為燃料電池的冷卻提供必須的冷卻液體；作為空氣冷卻系統(tǒng)，需要一個空氣壓縮機(或空氣泵、軸流風(fēng)扇、離心風(fēng)機)為燃料電池的冷卻提供必須的冷卻空氣。這樣，流體系統(tǒng)復(fù)雜，機械部件多而故障率高，電池的體積和重量都較大。而將燃料電池作為便攜式電源、移動電源，就要盡可能的簡化燃料電池系統(tǒng)。本發(fā)明就是在設(shè)計上解決這個問題，冷卻方式為空氣冷卻，使用同一個壓縮機(或空氣泵、軸流風(fēng)扇、離心風(fēng)機)為燃料電池提供冷卻空氣和反應(yīng)空氣或氧氣。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板、流道及加工工藝方法，使得可以用同一個壓縮機(或空氣泵、軸流風(fēng)扇、離心風(fēng)機)為燃料電池提供冷卻空氣和反應(yīng)空氣/氧氣，并可以根據(jù)溫度和濕度控制反應(yīng)空氣/氧氣和冷卻空氣的流量。這樣可以簡化燃料電池系統(tǒng)，增大燃料電池的體積比功率和重量比功率，并降低機械部件的故障率，降低燃料電池成本。尤其是適用于便攜質(zhì)子交換膜燃料電池的雙極板流道。
本發(fā)明具體內(nèi)容如下燃料電池用極板，在膜電極的兩側(cè)，各有一塊雙極板，用于電流收集、氣體分布以及熱管理；在雙極板上，都刻有氣體反應(yīng)流道，并設(shè)有氣體輸入和輸出通道，燃料電池外部反應(yīng)氣體通過氣體輸入通道，均勻分流到每個單電池的雙極板，經(jīng)過氣體流道后通過氣體輸出通道排放到燃料電池外部；在雙極板上，都刻有散熱流道，用于電池散熱介質(zhì)的傳輸。
在所述的雙極板的兩側(cè)，分別設(shè)有反應(yīng)流道的開口和散熱流道的開口。開口可以是矩形、橢圓行或其它形狀。散熱流道的開口截面積和反應(yīng)流道的開口截面積的比例為100-200∶1。前述的散熱流道可以是直通型、蛇行、波浪型或其它形狀。前述的反應(yīng)流道是有多個菱形、矩形或橢圓形的脊(臺階)的間隔構(gòu)成的，這樣可以保證極板的強度，使反應(yīng)氣體在電極表面能夠均勻分布，反應(yīng)產(chǎn)生的水能夠順利排出到電池外部。
本發(fā)明的改進(jìn)還包括在所述的雙極板一側(cè)，設(shè)有散熱流道的開口。在散熱流道中，設(shè)有通孔，通孔可以是圓形、橢圓形、菱形或其它形狀。反應(yīng)氣體隨著散熱氣體進(jìn)入散熱流道，然后通過散熱流道中的通孔進(jìn)入反應(yīng)面。這種雙極板厚度可以減小，從而減小的電池的體積和重量。同時可以增加極板和電極的接觸面積，使得接觸電阻減小。反應(yīng)氣體通過通孔在電極表面形成漫流，能夠順利將電池產(chǎn)生的水排出，并能夠降低反應(yīng)氣體進(jìn)出口的壓降，從而降低空氣泵、軸流風(fēng)扇或離心風(fēng)機的成本。
在所述的雙極板一側(cè)，同時設(shè)有散熱流道和反應(yīng)通道的開口。散熱流道的開口截面積和反應(yīng)通道的開口截面積的比例為100-200∶1。在反應(yīng)通道中，設(shè)有通孔，和雙極板另一側(cè)的反應(yīng)流道相連。反應(yīng)通道中的氣體經(jīng)過通孔進(jìn)入背面的反應(yīng)流道。反應(yīng)流道可以是直通型、蛇型、波浪型或其它形狀。反應(yīng)流道和散熱流道是垂直方向或近垂直方向，不能是平行方向。這樣可以確保極板的強度，并達(dá)到反應(yīng)氣體和散熱氣體的均勻分布。在反應(yīng)流道的出口，設(shè)有節(jié)氣門，根據(jù)環(huán)境濕度以及電池的功率，自動調(diào)節(jié)節(jié)氣門的大小，從而調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體的流量。同時，可以通過調(diào)節(jié)空氣泵、軸流風(fēng)扇或離心風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，從而控制電池的溫度。
圖1是本發(fā)明質(zhì)子交換膜燃料電池陰極板的橫截面圖。
圖2是陰極板的散熱面。
圖3A、圖3B是陰極板的兩種反應(yīng)面的正面圖。
圖4是另一種陰極板的橫截面圖。
圖5A、圖5B分別是圖4陰極板的散熱面和反應(yīng)面圖。
圖6是另一種陰極板的橫截面圖。
圖7是圖6陰極板的散熱面。
圖8是圖6陰極板的反應(yīng)面示意圖具體實施方式
圖1是質(zhì)子交換膜燃料電池陰極板的截面圖。圖中，11是散熱面，用來提供散熱介質(zhì)，如水、空氣等。圖21是極板的反應(yīng)面，用于給電池提供電化學(xué)反應(yīng)所需的空氣或氧氣。31是極板的主要部分，用于電池的電流收集，以及反應(yīng)氣體和散熱介質(zhì)的分離，其材料可以是石墨板、各種耐腐蝕金屬板等。當(dāng)介質(zhì)氣體從極板的截面流入時，由于31的隔離作用，將氣體分成兩部分，一部分流入散熱面用作散熱介質(zhì)，一部分流入反應(yīng)面用作反應(yīng)空氣或氧氣。
圖2是圖1所示雙極板散熱面的正面圖。圖中41為流道的脊，寬度為0.5-2.5mm，流道的脊需和取電板接觸，保證較低的接觸電阻和良好的導(dǎo)熱系數(shù)。51是流道的槽，槽的寬度為0.2-2.5mm，深度為0.3-2.0mm。槽的截面形狀可以是矩形、橢圓形。A1為槽的入口，61為截流器。散熱介質(zhì)通過入口，在截流器的作用下產(chǎn)生湍流，以增大傳熱系數(shù)。然后通過B1流出極板。槽的深度可是均一的，也可以是不同的。
圖3A是圖1所示的陰極板的反應(yīng)面正面圖。圖中42為反應(yīng)流道的脊，寬度為0.5-2.5mm，流道的脊需和電極接觸，保證較低的接觸電阻和良好的導(dǎo)熱系數(shù)。52是反應(yīng)流道的槽，槽的寬度為0.2-2.5mm，深度為0.3-1.5mm。槽的截面形狀可以是矩形、橢圓形。A2為槽的入口，62為截流器。反應(yīng)介質(zhì)通過入口，在截流器的作用下產(chǎn)生湍流，以增大擴散系數(shù)。然后通過B2流出極板。槽的深度可是均一的，也可是不同的。反應(yīng)槽的取向和圖2的散熱槽的取向一致。
圖3B中，22是圖1所示極板的另一種反應(yīng)面正面圖。43是脊，形狀一般為菱形，也可以是矩形或橢圓形。53是反應(yīng)槽。當(dāng)氣體通過入口A3進(jìn)入反應(yīng)槽的時候，在脊43的作用下，產(chǎn)生湍流或渦流，增大氣體的擴散系數(shù)，降低電池的濃差極化。同時，反應(yīng)產(chǎn)生的水很容易隨著反應(yīng)氣流通過B3排出極板外，避免了電池的堵水現(xiàn)象。反應(yīng)氣體在入口A3和出口B3之間的壓降很小，只有50-400Pa，這樣對散熱和反應(yīng)介質(zhì)的供應(yīng)機構(gòu)如空氣泵、軸流風(fēng)扇或離心風(fēng)機等的要求就很低，從而降低了電池成本，減小了電池體積和重量。同時，這種結(jié)構(gòu)由于反應(yīng)槽的取向和散熱槽的取向不一致，所以保證了極板的強度，可以通過提高組裝壓力降低極板間以及極板與電極的接觸電阻。
圖4是另一種質(zhì)子交換膜燃料電池陰極板的截面圖。12是極板的散熱面。32也是極板的主要部分，用于電池的電流收集，以及反應(yīng)氣體和散熱介質(zhì)的分離，側(cè)面看其反應(yīng)面是一平面。
圖5A中12是圖4所示極板的散熱面正面圖。圖中44為流道的脊，寬度為0.5-2.5mm，流道的脊需和取電板接觸，保證較低的接觸電阻和良好的導(dǎo)熱系數(shù)。54是流道的槽，槽的寬度為0.2-2.5mm，深度為0.3-2.0mm。槽的截面形狀可以是矩形、橢圓形。散熱介質(zhì)通過入口，在截流器64的作用下產(chǎn)生湍流，以增大擴散系數(shù)。槽54中，有很多通孔7，可以是圓形、矩形、橢圓形或其它形狀。散熱介質(zhì)進(jìn)入反應(yīng)槽中，流經(jīng)通孔7而到達(dá)極板12的背面23，并進(jìn)一步擴散到與反應(yīng)面23相接觸的電極表面。介質(zhì)通過A4進(jìn)入散熱流道54，一部分直接流經(jīng)54而通過出口B4排出，作為散熱介質(zhì)；一部分經(jīng)過通孔7擴散到反應(yīng)面，參加電化學(xué)反應(yīng)后再經(jīng)過通孔7流回到槽54，然后通過出口B4排出，這部分氣體作為反應(yīng)空氣/氧氣。因此，通過這種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了散熱介質(zhì)和反應(yīng)介質(zhì)的分離。圖5B中，由于極板的反應(yīng)面為平面，所以簡化了加工和組裝工藝，極板厚度減小，從而降低電池成本。同時，通孔7可以達(dá)到提高氣體擴散系數(shù)的目的，不僅有利于電化學(xué)反應(yīng)，而且有利于反應(yīng)產(chǎn)物水的排出。氣體在入口A3和出口B3之間的壓降很小，只有50-400Pa，這樣對散熱和反應(yīng)介質(zhì)的供應(yīng)機構(gòu)如空氣泵、軸流風(fēng)扇或離心風(fēng)機等的要求就很低，從而降低了電池成本，減小了電池體積和重量。
圖6是另一種質(zhì)子交換膜燃料電池陰極板的截面圖。13是極板的散熱面，24是極板的反應(yīng)面。33起到了分隔反應(yīng)介質(zhì)和散熱介質(zhì)的作用，從而達(dá)到分流的目的。
圖7中，13是圖6所示極板的散熱面正面圖。45是流道的脊，寬度為0.5-2.5mm，流道的脊需和取電板接觸，保證較低的接觸電阻和良好的導(dǎo)熱系數(shù)。55是流道的槽，槽的寬度為0.2-2.5mm，深度為0.3-2.0mm。槽的截面形狀可以是矩形、橢圓形。散熱介質(zhì)通過入口，在截流器65的作用下產(chǎn)生湍流，以增大擴散系數(shù)。C是在散熱面上用于分流反應(yīng)介質(zhì)的槽。流經(jīng)55的介質(zhì)，為散熱介質(zhì)；流經(jīng)C的介質(zhì)為反應(yīng)介質(zhì)。反應(yīng)介質(zhì)流經(jīng)C后，通過通孔8進(jìn)入極板的反應(yīng)面24。參見圖8陰極板的反應(yīng)面示意圖，通孔8的面積可以是一致或者不一致，形狀可以是圓形、橢圓形、菱形等。反應(yīng)氣體在反應(yīng)面通過反應(yīng)流道到達(dá)出口。在出口處，有節(jié)氣門9，用于自動調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體的流量。如果空氣濕度比較大，電極有“水淹”的可能，就可以通過調(diào)節(jié)節(jié)氣門9，降低反應(yīng)流道的阻力，從而增大反應(yīng)氣的流量；同樣，如果空氣濕度比較低，則增大節(jié)氣門的阻力，從而減小反應(yīng)氣的流量，以避免電極的不會因過度干燥而性能降低。反應(yīng)氣體的流量調(diào)節(jié)可以獨立于散熱氣體的流量調(diào)節(jié)，達(dá)到電池的優(yōu)化運行。由于反應(yīng)流道的取向和散熱流道的取向相互垂直，兩者不一致，因此可以保證極板33的強度，可以通過組裝壓力的增大而減小接觸電阻。
流道中設(shè)計有截流器是在流道中的阻隔物，如1/8-半高檔板用以增強氣體的湍流，提高傳熱效率。
權(quán)利要求
1.便攜式燃料電池極板，在燃料電池膜電極的兩側(cè)，各有一塊雙極板，用于電流收集、氣體分布以及熱管理；其特征是在雙極板上，都刻有散熱流道，用于電池散熱介質(zhì)的傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的便攜式燃料電池極板，其特征是在雙極板的兩側(cè)分別刻有氣體反應(yīng)流道和散熱流道，并在入口處雙極板的兩側(cè)，分別設(shè)有反應(yīng)流道的開口和散熱流道的開口；散熱流道的開口截面積和反應(yīng)流道的開口截面積的比例為100-200∶1；開口是矩形、橢圓行或其它形狀；所述的散熱流道可以是直通型、蛇行、波浪型或其它形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的便攜式燃料電池極板，其特征是散熱流道為直通型，寬度為0.2-2.5mm，深度為0.3-2.0mm；流道中設(shè)計有截流器以增強氣體的湍流，提高傳熱效率。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1、2或3所述的燃料電池極板，其特征是在散熱流道的背面，設(shè)計有反應(yīng)流道，形狀是直通型，寬度為0.2-2.5mm，深度為0.3-1.5mm；反應(yīng)流道的取向和散熱流道的取向相互平行
5.根據(jù)權(quán)利要求
1、2或3所述的便攜式燃料電池極板，其特征是在散熱流道的背面，設(shè)計有反應(yīng)流道；流道由多個獨立的菱形、矩形或橢圓形的脊的間隔組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1、2或3所述的便攜式燃料電池極板，其特征是在雙極板的一側(cè)刻有散熱介質(zhì)流道，另一側(cè)為平面；散熱流道為直通型，寬度為0.2-2.5mm，深度為0.3-2.0mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的便攜式燃料電池極板，其特征是散熱流道中，設(shè)計有圓形、矩形、橢圓形或其它形狀的通孔，介質(zhì)流經(jīng)通孔，形成反應(yīng)介質(zhì)的分流。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1、2或3所述的燃料電池極板，其特征是在散熱面上設(shè)有反應(yīng)介質(zhì)的分流槽，在分流槽中設(shè)計有圓形、橢圓形或菱形的通孔。
9.根據(jù)權(quán)利要求
1、2或8所述的便攜式燃料電池極板，其特征是反應(yīng)流道的取向和散熱流道的取向相互垂直；氣體通過散熱面上設(shè)有的分流槽進(jìn)入反應(yīng)流道。
10.根據(jù)權(quán)利要求
9所述的便攜式燃料電池極板，其特征是在反應(yīng)流道的出口，設(shè)有節(jié)氣門。
專利摘要
便攜式燃料電池極板，在燃料電池膜電極的兩側(cè)，各有一塊雙極板，用于電流收集、氣體分布以及熱管理；在雙極板上，都刻有散熱流道，用于電池散熱介質(zhì)的傳輸。在雙極板的兩側(cè)分別刻有氣體反應(yīng)流道和散熱流道，并在入口處雙極板的兩側(cè)，分別設(shè)有反應(yīng)流道的開口和散熱流道的開口；散熱流道的開口截面積和反應(yīng)流道的開口截面積的比例為100－200∶1；開口是矩形、橢圓型或其它形狀；所述的散熱流道可以是直通型、蛇型、波浪型或其它形狀。
文檔編號H01M8/02GK1996646SQ200610161262
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月18日
發(fā)明者顧軍, 于濤, 祝梅, 鄒志剛 申請人:南京大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan