专利名称：一种用于燃料电池的导流集电复合极板的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及燃料电池，尤其涉及一种用于燃料电池的导流集电复合极板。
背景技术：
质子交换膜燃料电池的用途十分广泛，可以用作一切车、船等运载工具的动力系统，也可以作为发电系统用作地面固定式发电站、可移动电源等。
目前，质子交换膜燃料电池的造价较高，主要原因是构成燃料电池的某些关键部件材料价格较高。其中占燃料电池部件材料成本最大的是导流极板和集电极板(约占质子交换膜燃料电池成本的70％)。
用作质子交换膜燃料电池中的导流极板和集电极板材料要求较高，必须满足有一定的机械强度及硬度，导电、导热，耐腐蚀等特性。目前能完全符合上述要求的材料只有少数价格昂贵的材料，例如优质纯石墨板材料、优质钛合金板材料、镀金金属板等等。
为了降低成本，目前有报道的廉价替代材料，无非是1.采用廉价金属板，如对不锈钢板表面进行改性处理；2.采用石墨加树脂热压成复合板。
这些方法，虽然与昂贵的纯石墨板材料、钛或镀金金属板相比有一定的价格优势，但用在质子交换膜燃料电池中的导流极板和集电极板材料存在以下严重的缺陷1、采用不锈钢板等廉价金属板作质子交换膜燃料电池中的导流极板和集电极板时，由于金属板是单一导电体，要求燃料电池输出高电压时，只能增加导流极板和集电极板的数量或通过DC-DC的转换(而DC-DC的转换要自耗燃料电池本身功率)，因而增加整个燃料电池的成本。
2、采用石墨加树脂热压成复合板，燃料电池单电堆所产生的热量无法在导流极板和集电极板的平面上传递散热，只能在燃料电池单电堆前后增加散热导流、集电极板，从而增加导流、集电极板的数量，因而增加整个燃料电池的成本。
3、在单一导流、集电极板上真正能导流、集电的区域占整个导流集电极板的有效面积率不高，因为在每块板上必须有导流孔6个，而且每一面必须开有密封槽，安装密封圈(如图1所示)。
4、采用以上两种材料极板所构成的燃料电池，如果要得到高电压输出时，那么必须增加极板数量，使该燃料电池纵向长度很长，这对燃料电池长度有限制的应用空间是一个很大的缺陷。
发明内容
本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可提高有效面积、降低制造成本的用于燃料电池的导流集电复合极板。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现一种用于燃料电池的导流集电复合极板，其特征在于，包括多枚金属模块、绝缘塑料基板，所述的多枚金属模块在同一平面上并行排列，且嵌设在绝缘塑料基板中，所述的绝缘塑料基板四周设有空气进气孔、空气出气孔、氢气进气孔、氢气出气孔、冷却水进水孔、冷却水出水孔以及密封槽，所述的空气进气孔与空气出气孔之间的基板正面设有空气导流槽，所述的氢气进气孔与氢气出气孔之间的基板反面设有氢气导流槽，所述的冷却水进水孔与冷却水出水孔之间的基板正、反面各设有冷却水槽，所述的密封槽设在相应的流体进出孔、槽以及基板周边。
所述的金属模块为一纵向长度小于横向长度的矩形板，该矩形板上设有至少一个工艺孔，该矩形板的纵向上下两面呈对称的凹槽与凸条状，其横向左右两边条设一平坦部，其中，所述的右平坦部设有可供任意串并联连接的电流、电压输出连接头，在该连接头上设有连接孔。
所述的金属模块为铁、铜、铝及稀有金属组成的合金材料。
所述的绝缘塑料基板将在同一平面上并行排列的多枚金属模块相互隔开使各金属模块呈相互绝缘状态。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点1、可按等级、系列的要求，制造工艺和部件实施部品生产标准化，有利于降低生产成本，促进燃料电池的产业化。
2、几个甚至几十个导流、集电反应区域，共用一个导流体进出口和一套密封圈，从而提高极板上真正导流、集电区域的有效面积率，减少导流、集电极板的数量，以达到降低成本的目的。
3、在同一平面上散热(因为采用金属材料，散热性极好)，从而减少散热面积，无需使用散热极板，可减少极板的数量，以达到降低成本的目的。
4、标准宽度的合金块上同时设计有电池堆串、并联用的连接头，可使一个或几个标准燃料电池堆根据具体情况需要，任意实行串联或并联，为今后燃料电池的实际应用提供方便。解决了长期以来困扰燃料电池界高电流、低电压易，而低电流、高电压难的瓶颈问题。
5、连接头还可起风冷的散热片作用。
6、连接头还可作为单电池堆的测温度点及电压、电流的测试点，以便提供信号给控制系统，作为控制氢气、空气、水的流量、压力、温度和安全故障判断的依据。
图1为现有的导流、集电极板的结构示意图；图2为本实用新型导流集电复合极板的结构示意图；图3为图2的A-A剖视图；图4为本实用新型导流集电复合极板的金属模块的结构示意图；图5为图4的B-B剖视图；图6为本实用新型导流集电复合极板的石墨柱金属平板模块的结构示意图；图7为图6的C-C剖视后上下夹装模具的结构示意图；图8为本实用新型导流集电复合极板的石墨金属模块的结构示意图；图9为本实用新型导流集电复合极板的实施例1的结构示意图；图10为图9中的金属模块的结构示意图；图11为图10的D-D剖视图；图12为本实用新型导流集电复合极板的实施例1的应用实例1的结构示意图；图13为本实用新型导流集电复合极板的实施例1的应用实例2的结构示意图；图14为本实用新型导流集电复合极板的实施例2的金属模块设计一的结构示意图；图15为本实用新型导流集电复合极板的实施例2的金属模块设计二的结构示意图；图16为本实用新型导流集电复合极板的实施例2的金属模块设计三的结构示意图；图17为本实用新型导流集电复合极板的实施例2的应用实例3的结构示意图；图18为本实用新型导流集电复合极板的实施例2的应用实例4的极板结构示意图；图19为本实用新型导流集电复合极板的实施例2的应用实例4的结构示意图；图20为本实用新型导流集电复合极板的实施例2的应用实例5的结构示意图；具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例和应用实例，对本实用新型作进一步说明。
如图2、图3所示，一种用于燃料电池的导流集电复合极板，它包括多枚金属模块1、绝缘塑料基板2，所述的多枚金属模块1在同一平面上并行排列，且嵌设在绝缘塑料基板2中，所述的绝缘塑料基板2四周设有空气进气孔3、空气出气孔4、氢气进气孔5、氢气出气孔6、冷却水进水孔7、冷却水出水孔8以及密封槽9，所述的空气进气孔3与空气出气孔4之间的基板正面设有空气导流槽10，所述的氢气进气孔5与氢气出气孔6之间的基板反面设有氢气导流槽11，所述的冷却水进水孔7与冷却水出水孔8之间的基板正、反面各设有冷却水槽12、13，所述的密封槽9设在相应的流体进出孔、槽以及基板周边。所述的金属模块端部设有可供任意串并连接的电流、电压输出连接头14，在该连接头上设有连接孔15。
方案一第一步采用有槽的合金标准成型板经加工处理(注耐腐蚀及导电处理可根据燃料电池的使用寿命和工作环境需要任选以下的3、4、5方法中的一种或几种)后得到合金模块。
1.将铁、铜、铝熔炼成合金圆棒，并加热到420～800℃，用1000吨左右的挤压机以1.2～2.8米/分钟的速度，挤压出有槽的板材(如图5)，形成标准型材(因为在金属成型工艺中，挤压拉伸法效率高，制造成本低)，该合金板材具有一定的耐腐蚀性能。
2.将以上标准型材分割或冲压成一定的宽度的有槽合金模块，该有槽合金模块上冲有若干个工艺孔16(如图4)。
3.以上标准宽度的有槽合金模块在高温(150～600℃)、高压(2～5大气压)下充入氮气或其它惰性气体1-20小时进行热处理，使其表面晶格发生变化，提高耐腐蚀性能。
4.以上热处理后的标准宽度的有槽合金模块表面镀上一层耐腐蚀、导电的镍磷合金保护层，进一步提高其表面的耐腐蚀性能。最后在其表面涂一层1-20微米的耐腐蚀和导电涂料，进一步提高其表面的耐腐蚀性能和导电性能。
第二步将第一步完成的，经耐腐蚀、导电性能处理的标准宽度的有槽合金模块与M-PPO或耐腐蚀、耐高温耐疲劳的工程塑料注塑成型，即可形成一块标准的用于燃料电池的“氢、水、氧、散热、导流、集电多功能金属复合极板”。(如图2及图3)。在注塑时为加强金属模块之间结合的抗折弯强度，可加入非导电性纤维，如玻璃纤维。所述的工程塑料为热塑性树脂如聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯；或热固性树脂如环氧树脂、酚醛树脂等。
方案二第一步采用无槽的合金标准平板，平板上冲有若干工艺孔16，以增加后道加工注塑时合金平板的结合力(如图6)。
第二步用模具3固定高纯度石墨柱1，通过注塑与合金标准平板2结合(如图7)，石墨柱1分布应根据所设计的流道而定，原则使石墨柱1等间隔分布在流导凸壁上注塑。将固定有石墨柱1和合金平板2的模具3中注入M-PPO或耐腐蚀、耐高温、耐疲劳的工程塑料成型，即可形成一块标准的用于燃料电池的“氢、水、氧、散热、导流、集电多功能金属复合极板”。(如图2及图3)。在注塑时为加强金属模块之间结合的抗折弯强度，可加入非导电性纤维，如玻璃纤维。所述的工程塑料为热塑性树脂如聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯；或热固性树脂如环氧树脂、酚醛树脂等。
方案三第一步采用无槽的合金标准平板2，平板上冲有若干工艺孔16，以增加后道加工注塑时与合金材料的结合力。
第二步将石墨粉(70％-80％重量)与PVDF(聚偏二氟乙烯20％-30％重量)混合造粒后，与第一步的无槽的合金标准平板注塑成型(如图8所示，其中1为石墨粉与PVDF的共混物)，成为一块有槽的石墨金属模块。所述的有槽分布应根据所设计的流道而定。
第三步将第二步完成的有槽石墨金属模块与M-PPO或耐腐蚀、耐高温耐疲劳的工程塑料成型，即可形成一块标准的燃料电池“氢、水、氧、散热、导流、集流多功能金属复合极板”。在注塑时为加强金属模块之间结合的抗折弯强度，可加入非导电性纤维，如玻璃纤维。工程塑料、热塑性树脂如聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯。热固性树脂如环氧树脂、酚醛树脂等。
实施例11KW级以下燃料电池堆导流集电复合极板设一个单电堆电流密度为0.8A/CM2，电压为0.6V，导流集电复合极板设计单片如下(如图9)1)单枚模块有效导流、集电区面积6CM×1.1CM＝6.6CM22)单枚模块的电流 方案一为有槽金属模块，结构如图4、图5所示，尺寸如图10、图11所示；方案二为石墨柱金属平板模块，结构如图6、图7所示，尺寸也如图10、图11所示；方案三为石墨金属模块，结构如图8所示，尺寸也如图10、图11所示。
注实际模块的尺寸，应根据用户所提供的空间尺寸和功率计算而定。本实施例模块的尺寸为有效导流集电区域长6CM，宽1.1CM。每单片复合注塑的导流集电极板中含有金属模块或石墨柱平板模块或石墨金属模块11枚。
应用实例1可满足燃料电池自行车要求的36V、5A的燃料电池堆，如图12所示，为电压36V、电流5A自行车燃料电池堆组合和导线连接示意图；该燃料电池堆由7片实施例1所述的导流集电复合极板A组合而成，在该复合极板A之间设有质子交换膜电极B。第1片复合极板A与第2片复合极板A之间夹持质子交换膜电极B构成相互绝缘的10组单电池(注各复合极板的第1枚金属模块为增湿模块C，其余10块为工作模块D)，同一模块号的6组单电池相互串联构成一电堆，从第2枚模块至第11枚模块共构成10组电堆，将该10组电堆的尾、首工作模块D用导线E串联，电流分别由第一片复合极板的第2枚、第7片复合极板的第11枚输出接向负载F。该电堆的输出电压为36V，电流为5A。
根据实施例1提供的参数，该电池堆的电压、电流计算如下1、电压计算，每组(如第2组)电堆的电压为0.6V×6＝3.6V，电池堆由10组电堆串联而成，因此，电池堆的电压为3.6V×10＝36V；2、电流计算，每组(如第2组)电堆的电流为5A，电池堆由10组电堆串联而成，因此，电池堆的电压也为5A。
应用实例2可满足燃料电池自行车要求的24V、10A的燃料电池堆，如图13所示，电压24V、电流10A自行车燃料电池堆组合和导线连接示意图。该燃料电池堆由九片实施例1所述的导流集电复合极板A组合而成，在该复合极板A之间设有质子交换膜电极B。第1片复合极板A与第2片复合极板A之间夹持质子交换膜电极B构成相互绝缘的10组单电池(注各复合极板的第1枚金属模块为增湿模块C，其余10块为工作模块D)，同一模块号的8组单电池相互串联构成一电堆，从第2枚模块至第6枚模块共构成5组电堆，从第7枚模块至第11枚模块共构成另5组电堆。将上述各5组电堆的首、尾工作模块D用导线E串联，电流从第1片复合极板的第6枚、第11枚输出并联后接向负载F的一端，再从第9片复合极板的第2枚、第7枚输出并联后接向负载F的另一端。该电堆的输出电压为24V，电流为10A。
根据实施例1提供的参数，该电池堆的电压、电流计算如下1、电压计算，每组(如第2组)电堆的电压为0.6V×8＝4.8V，电池堆由5组电堆串联后再并联而成，因此，电池堆的电压为4.8V×5＝24V；2、电流计算，每组(如第2组)电堆的电流为5A，电池堆由5组电堆串联再并联而成，因此，电池堆的电流也为5A×2＝10A。
实施例2关于10KW～200KW燃料电池堆设；要求电压为0.6V，电流为50A燃料电池的导流、集电金属模块的面积(如图14)设计电流为100A、200A时只要增加导流、集电金属模块的面积和其它相关功能部件的尺寸即可(如图15、图16)。
一、大功率金属模块尺寸设计原理(注实际设计应根据用户提供的使用空间和功率而定)设计一电压为0.6V、电流50A的金属模块的设计(如图14)有效导流、集电面积为50A0.8A/CM2=62.5CM2]]>设计二电压为0.6V、电流100A的金属模块的设计(如图15)有效导流、集电面积为100A0.8A/CM2=125CM2]]>设计三电压为0.6V、电流150A的金属模块的设计(如图16)有效导流、集电面积为150A0.8A/CM2=187.5CM2]]>二、设计说明1、每片采用注塑的导流、集电复合极板由11枚金属模块与工程塑料复合注塑而成。每片的第1枚金属模块与相邻另一片第1枚金属模块，通过共同的质子交换膜电极，也可作为增湿区。实际尺寸应根据具体设计而定。(方案二为石墨柱和合金平板模块，方案三为石墨金属模块)。
2、根据用户不同的电压、电流要求，得到总功率后，可确认注塑的导流、集电复合极板的片数＝[总功率/(单模块功率×10)]+13、根据不同电压、电流要求进行符合电学原理的任意串联或并联，极其方便。
应用实例3用于移动电站或船用电力，功率为10KW，电压为200V、电流为50A的燃料电池堆。
1、设计方案采用实施例2设计一50A的金属模块(如图14)的导流、集电复合极板。
2、导流、集电复合极板的片数 3、如图17所示，电压为200V、电流为50A的燃料电池堆组合和导线连接示意图。
4、设计说明该燃料电池堆由35片导流集电复合极板A组合而成，在该复合极板A之间设有质子交换膜电极B。第1片复合极板A与第2片复合极板A之间夹持质子交换膜电极B构成相互绝缘的10组单电池(注各复合板的第1枚金属模块为增湿模块C，其余10块为工作模块D)，同一模块号的34组单电池相互串联构成一电堆，从第2枚模块至第11枚模块共构成10组电堆，将该10组电堆的首尾工作模块D用导线E串联，电流分别第一片复合极板的第11枚、第35片复合极板的第2枚输出接向负载F。该电堆的输出电压为200V、电流为50A。
该电池堆的电压、电流计算如下1.电压计算，每组(如第2组)电堆的电压为0.6V×34≈20V，电池堆由10组电堆串联而成，由此电池堆的电压为200V；2.电流计算，每组(如第2组)电堆的电流为50A，电池堆由10组电堆串联而成，因此，电池堆的电流为50A。
应用实例4用于小型汽车的燃料电池，要求功率为50KW，电压为330V，电流为150A的燃料电池堆。
1、设计方案采用实施例2设计一50A(如图14)和设计二100A(如图15)的金属模块混合使用的导流、集电复合极板。
2、导流、集电复合极板的注塑方案，如图18所示，导流、集电复合极板的注塑方案示意图。
3、导流、集电复合极板片数 4、如图19所示，电压330V，电流150A的燃料电池堆组合和导线连接示意图。
5、设计说明如图19所示，该燃料电池堆113片如图18所示的金属模块混合使用的导流、集电复合极板组合而成。在该复合极板A之间设有质子交换膜电极B。第1片复合极板A与第2片复合极板A之间夹持质子交换膜电极B，构成相互绝缘的10组单电池(注各复合极板的第一枚金属模块为增湿模块C，其余为工作模块D)，同一模块号的112组单电池相互串联，构成一电堆，从第2枚模块至第6枚模块共构成5组电堆D1，从第7枚至第11枚模块共构成5组电堆D2，将D1模块组的电堆与D2模块组的电堆并联；即第1片极板的第6枚金属模块与第11枚金属模块用导线E连接到负载F一端，第113片复合极板第2枚金属模块和第7枚金属模块用导线E连接到负载F另一端。该组合式电堆的输出电压为330V，电流为150A。
该电池堆的电压、电流计算如下1.电压计算，每组如D1模块组电堆的电压为0.6V×112片×5组＝300V，D1与D2并联，因此电池堆的电压也为300V；2.电流计算，D1组金属模块采用50A的金属模块电流为50A，由5组串联而成，因此电池堆的电流为50A，D2组金属模块采用100A的金属模块，由5组串联而成，其电流为100A，整个电池堆中，因将D1组与D2组电池堆并联而成，因此整个电池堆的电流为150A。
应用实例5用于驱动大巴、潜艇，功率为180KW，电压为1200V，电流为150A的燃料电池堆。
1、设计方案采用实施例2设计三150A(如图16)金属模块的导流、集电复合极板。
2、导流、集电复合极板的片数 3、如图20所示，电压1200V、电流150A的燃料电池堆组合和导线连接示意图。
4、设计说明该燃料电池堆由201片导流集电复合极板A组合而成，在该复合极板A之间设有质子交换膜电极B。本应用实例5采用实施例2设计三150A金属模块的导流、集电复合极板，该复合极板的组合和导线的连接与应用实例3相同。最后组合而成的电堆电压为1200V，电流为150A。
权利要求1.一种用于燃料电池的导流集电复合极板，其特征在于，包括多枚金属模块、绝缘塑料基板，所述的多枚金属模块在同一平面上并行排列，且嵌设在绝缘塑料基板中，所述的绝缘塑料基板四周设有空气进气孔、空气出气孔、氢气进气孔、氢气出气孔、冷却水进水孔、冷却水出水孔以及密封槽，所述的空气进气孔与空气出气孔之间的基板正面设有空气导流槽，所述的氢气进气孔与氢气出气孔之间的基板反面设有氢气导流槽，所述的冷却水进水孔与冷却水出水孔之间的基板正、反面各设有冷却水槽，所述的密封槽设在相应的流体进出孔、槽以及基板周边。
2.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的导流集电复合极板，其特征在于，所述的金属模块为一纵向长度小于横向长度的矩形板，该矩形板上设有至少一个工艺孔，该矩形板的纵向上下两面呈对称的凹槽与凸条状，其横向左右两边条设一平坦部，其中，所述的右平坦部设有可供任意串并联连接的电流、电压输出连接头，在该连接头上设有连接孔。
3.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的导流集电复合极板，其特征在于，所述的金属模块为铁、铜、铝及稀有金属组成的合金材料。
4.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的导流集电复合极板，其特征在于，所述的绝缘塑料基板将在同一平面上并行排列的多枚金属模块相互隔开使各金属模块呈相互绝缘状态。
专利摘要本实用新型涉及一种用于燃料电池的导流集电复合极板，该极板由多枚金属模块并行排列，经注塑而成。所述的极板四周设有空气进气孔、空气出气孔、氢气进气孔、氢气出气孔、冷却水进水孔、冷却水出水孔以及密封槽，所述的空气进气孔与空气出气孔之间的基板正面设有空气导流槽，所述的氢气进气孔与氢气出气孔之间的基板反面设有氢气导流槽，所述的冷却水进水孔与冷却水出水孔之间的基板正、反面各设有冷却水槽，所述的密封槽设在相应的流体进出孔、槽以及基板周边。与现有技术相比，本实用新型具有结构紧凑、工艺先进、制造成本低等优点。
文档编号H01M4/86GK2554803SQ0226555
公开日2003年6月4日 申请日期2002年7月17日 优先权日2002年7月17日
发明者黄山 申请人:黄山