专利名称：一种用于燃料电池的双极板的制作方法
技术领域：
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种用于燃料电池的双极板。
背景技术：
质子交换膜燃料电池技术是将氢气和氧气在发生电化学反应时所产生的电能予以利用的一种清洁能源技术。由于其功率密度大、工作温度低、电池结构简单、对压力变化不敏感等特点，已经在全球范围内得到了普遍的关注，其产品也逐渐进入市场。质子交换膜燃料电池的电解质为质子交换膜，目前广泛使用 的是杜邦公司生产的Naf ion系列全氟磺酸膜。膜的作用是双重的，作为电解质提供氢离子通道，作为隔膜隔离两极反应气体。优化膜的离子和水传输性能及适当的水管理，是保证电池性能的关键。在隔膜的两侧，各有一层催化剂层。催化剂主要是由Pt/C组成，在催化层中再加入Nafion溶液，以增加质子传导性能以及催化层与电解质的接触性能。催化层是燃料电池气体区域。在催化层的两侧，各有一层气体扩散层，主要作用是作为催化层的支撑体、电池内部的导电、气体在电极表面的分布、反应产物的排出等。目前，扩散层的材料主要是碳纸、碳布或者金属网。扩散层的孔隙率、疏水特性、厚度以及组分对燃料电池性能有很大的影响。扩散层的这几个变量都是互相关联地影响燃料电池的性能。孔隙率大有利于气体的扩散，可是过大则气体分布不均、容易发生堵水现象。一般来说疏水性高较好，可是过高就会使孔分布不均、加工成本过高。电解质膜、催化层和气体扩散层共同组成膜电极(MEA)。在膜电极的两侧，各有一块双极板，其作用是电流收集和传送、气体分布以及热管理。目前主要用石墨为材料，但是其价格高、密度大，而且由于石墨的脆性，不能做得很薄，增加了电堆的重量和体积。所以各研究者也在寻求石墨的替代品，比如导电塑料、不锈钢等。在双极板上，都刻有气体流道，目的是使反应气体能够均匀分布于整个电极表面。气体流道的形状很多，比较常见的是蛇行流道(见美国专利号6099984)。在双极板上还必须有气体输入通道，燃料电池外部反应气体通过气体输入通道，均匀分流到每个单电池的双极板；电池反应结束后，剩余的尾气要从各自的单电池进入气体排出通道，再排到燃料电池外部而排放或者进行循环利用，再次通过气体输入通道进入双极板的流道而参与反应。燃料电池反应氢气和氧气/空气在气体输入/输出通道中、以及在双极板上的反应区中都不能向电池/电堆外泄漏，所以在双极板上有各种形状的密封件，比如由硅橡胶或特富龙橡胶为材料的密封圈、密封垫，或者是各种耐腐蚀的密封胶。因此为了保证严格的密封条件，在气体输入/输出通道和双极板的流道进/出口连接处，必须有硬质材料作为软性密封材料的支撑体或过桥。这种硬质材料厚度为O. 05-0. 3mm,长度为2mm以上，宽度为O. 5-5mm, 一般为金属如镍、不锈钢等，其加工精度要求高(±0. 02mm),电池装配工艺复杂，增加了燃料电池的生产成本。而且在燃料电池运行环境中，金属支撑体或过桥容易腐蚀，造成膜电极的污染，而且在此处容易出现漏气现象
发明内容
本发明的目的是解决现有燃料电池在气体输入/输出通道和双极板的流道进/出口连接处，必须有硬质材料作为软性密封材料的支撑体或过桥的缺点，提供一种可以去除该支撑体或过桥，同时还能保证气体密封的双极板。本发明实现上述目的所采用的技术方案为
一种用于燃料电池的双极板，在双极板的反应面设有用于传送反应气体的反应流道，反应面的背面为散热面，在反应流道的两端分别设有通孔，通过通孔将反应面与散热面连通，使气体由散热面经过通孔进入反应面的反应流道再从反应流道另一端的通孔返回散热面。进一步，所述反应流道呈蛇形或直通型。进一步，在双极板的散热面刻有将气体送入或输出通孔的凹槽。
有益效果
本发明通过在双极板上设置通孔，使反应气体(如氢气、氧气或空气)改由双极板的散热面经通孔再进入反应面的气体流道，而不用从双极板与膜电极之间进入气体流道，因而去除了现有的气体输入/输出通道与气体流道进/出口连接处所需要的金属过桥，同时增加了双极板与膜电极之间密封的可靠性，减少膜电极被二次污染的机会，简化生产工艺，降低燃料电池成本。气体先经凹槽再进入通孔，可以更好的控制气体流态，缓冲气体的冲力。
图I是由一个单电池组成的电堆的横向A-A面截面图。图2是电堆的横向图。图3是电堆的纵向D-D面剖面图。图4是电堆的纵向B-B面剖面图。图5是氢气反应板的散热面。图6是氢气反应板的反应面。图7是氧气/空气反应板的散热面。图8是氧气/空气反应板的反应面。图9是氧气/空气反应板的剖面图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明做进一步详细说明。图I是由一个单电池组成的电堆的横向截面图。图中，I是电堆的端板，同时也可以是氢气的散热板，可以由石墨板、不锈钢板或尼龙板组成。2是氢气反应板，即阳极侧的双极板，可以是碳板或不锈钢等金属板，在双极板紧贴着膜电极4 一侧为反应面，在反应面上布置有氢气的反应流道11，与电堆端板接触的一面为散热面，在散热面上设有散热通道10。在反应面上还设有密封槽3，用密封材料填入密封槽3将反应面与膜电极密封，防止反应流道中的氢气从反应面与膜电极这间泄出，密封材料可以是硅橡胶或特富龙材料的密封圈、密封垫或其它密封材料。6是氧气/空气反应板，即阴极侧的双极板，同样，双极板紧贴着膜电极4 一侧为反应面，该反应面上设氧气/空气的反应流道9，其与氧气/空气散热板7接触的面为散热面，氧气/空气散热板7也可以是替换为端板，可以采用不锈钢等金属板、石墨板或尼龙板村料制成，在该散热面上布置有氧气/空气的散热通道8。图2是电堆的横向图，13是氧气/空气的进气口，在与其相对的面设有同样的出气口 13，进气口 /出气口的大小由氧气/空气的流量以及其在流道中的压差决定，进气口和出气口分别与外部氧气/空气输送通道相连。图3是电堆的纵向剖面图。从图中可以看出，在氧气/空气反应板6设有通孔14，通孔14将进气口或出气口 13与氧气/空气的反应流道9接通，氧气/空气由进气口进入经通孔送入反应流道9，再从与反应流道9的另一端相连的通孔经出气口排出到电池外部，进气口和出气口是由在氧气/空气反应板6的凹槽和氧气/空气散热板7紧贴后形成的通道。由于氧气/空气的进气口和出气口均设置在双极板的散热面一侧，从散热面经通孔再进入反应面，而不是现有的直接从双极板与膜电极之间进入，因此在氧气/空气进气、出气口处，不需要过桥的存在，还保证了反应面与膜电极之间密封的可靠性，并降低了原材料成本以及加工成本。图4是电堆的纵向剖面图。图中，12是氢气的输送通道，16是密封材料。其形状可为方型、圆形或椭圆形，大小由氢气流量决定。氢气反应板2刻有凹槽19,其与电堆端板I紧贴后即可形成输送气体的通道，在氢气反应板2还设有通孔20，凹槽19的一端与氢气的输送通送通道12相连，凹槽19的另一端与通孔20相连，通孔20再连接到氢气的反应流道11的进气端和出气端。17是在氢气反应板2与电堆端板I之间的密封材料，保证氢气不会通过此处向电池外泄漏。氢气通过输送通道12，从凹槽19和通孔20进入反应面的反应流道，反应后，经由通孔20和凹槽19进入输送通道12，从而将尾气排放到电池外。此设计，在氢气从气体输入/通道进入反应流道(或者从反应流道排出到气体输出通道)时，不是从氢气反应板与膜电极之间进入，而是从双极板上的通孔进入，因此，不需要过桥的存在，保证了密封的可靠性,并降低了原材料的成本以及加工成本。图5是氢气反应板的散热面。该面上刻有直通型的散热流道10，其形状和电堆端板I上的散热流道一致，宽度也和散热板上的散热流道一致，其深度可以不一样，大小也是由散热介质的种类和流量决定，将氢气反应板2与电堆端板I紧贴后，即可形成冷却气体的输送通道。图6是氢气反应板的反应面。该面上设计有蛇形反应流道11，流道形状也可以是直通型或其它。大小由氢气的流量和行程的压差决定，可以看出板上并没有过桥的存在。图7是氧气/空气反应板的散热面。该面上设有直通型的散热流道8，其形状和氧气/空气散热板7上的散热流道一致，宽度也和散热板上的散热流道一致，其深度可以不一样，大小也是由散热介质的种类和流量决定，将氧气/空气反应板2与氧气/空气散热板7紧贴后，即可形成冷却气体的输送通道。图8是氧气/空气反应板的反应面。该面上设计有直通型反应流道10，流道形状也可以是蛇行或其它。大小由氧气/空气的流量和行程的压差决定。可以看出板上并没有过桥的存在。图9是氧气/空气反应板的剖面图。可以看出，气体进出口连接处，并没有过桥的存在。
权利要求
1.一种用于燃料电池的双极板，在双极板的反应面设有用于传送反应气体的反应流道，反应面的背面为散热面，其特征在于在反应流道的两端分别设有通孔，通过通孔将反应面与散热面连通，使气体由散热面经过通孔进入反应面的反应流道再从反应流道另一端的通孔返回散热面。
2.根据权利要求I所述用于燃料电池的双极板，其特征在于所述反应流道呈蛇形或直通型。
3.根据权利要求I所述用于燃料电池的双极板，其特征在于在双极板的散热面刻有将气体送入或输出通孔的凹槽。
全文摘要
本发明公开一种用于燃料电池的双极板，在该双极板的反应面设有用于传送反应气体的反应流道，反应面的背面为散热面，在反应流道的两端分别设有通孔，通过通孔将反应面与散热面连通，使气体由散热面经过通孔进入反应面的反应流道再从反应流道另一端的通孔返回散热面。通过在双极板上设置通孔，使反应气体(如氢气、氧气或空气)改由双极板的散热面经通孔再进入反应面的气体流道，而不用从双极板与膜电极之间进入气体流道，因而去除了现有的气体输入/输出通道与气体流道进/出口连接处所需要的金属过桥，同时增加了双极板与膜电极之间密封的可靠性，减少膜电极被二次污染的机会，简化生产工艺，降低燃料电池成本。
文档编号H01M4/86GK102683718SQ201210146418
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月14日 优先权日2012年5月14日
发明者李彤, 雷一杰, 顾军 申请人:南京大学(苏州)高新技术研究院