质子交换膜燃料电池用金属双极板及其构成的燃料电池的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种质子交换膜燃料电池用金属双极板及其构成的燃料电池，质子交换膜燃料电池用金属双极板包括：将金属皮通过压印方法制备供反应气体分布的平行流道，形成单极板；平行流道从极板的一端到另一端贯通；将一片钛材或钛合金皮与上述带有流场的单极板通过点焊方法制备成金属双极板，或将上述两片单极板通过点焊方法制备成金属双极板；该金属双极板表面上制备有一层TiC层。金属双极板表面具有较致密的TiC层，该层与金属双极板的钛基体形成化学键，结合力强，使得金属双极的使用寿命较长。燃料电池采用上述的金属双极板。
【专利说明】质子交换膜燃料电池用金属双极板及其构成的燃料电池
【技术领域】
[0001]本实用新型属于质子交换膜燃料电池【技术领域】，是对质子交换膜燃料电池金属双极板的低成本、高性能改进，尤其涉及到一种金属双极板的新型制备方法。
【背景技术】
[0002]质子交换膜燃料电池(PEMFC)通过电化学反应方式直接将燃料中的化学能转化为电能，具有高效环保的优势。PEMFC的工作原理是:燃料气体和氧气通过双极板上的气体通道分别到达电池的阳极和阴极，通过膜电极组件(MEA)上的扩散层到达催化层。在膜的阳极侧，氢气在阳极催化剂表面上解离为水合质子和电子，水合质子通过质子交换膜上的磺酸基(-SO3H)传递到达阴极，而电子则通过外电路流过负载到达阴极。在阴极的催化剂表面，氧分子结合从阳极传递过来的水合质子和电子，生成水分子。在这个过程中，质子要携带水分子从阳极传递到阴极，阴极也生成水，水从阴极排除。由于质子的传导要依靠水，质子膜的润湿程度对其导电性有着很大的影响，所以需要对反应气体进行加湿。燃料电池的单节工作电压一般为0.6^0.7V，要获得有用的电压和高功率，必须将多节单电池串联。连接两相邻单电池隔板称为双极板，双极板不但需要向电堆内电极提供反应物和在相邻两电极之间传导电流，而且还担负着排出电池生成水和反应热的作用。
[0003]质子交换膜燃料电池电堆必须在一定的条件下才能发挥好的效率以实现可靠的工作，这些条件包括:控制温度在80°C以下(冷却系统)、保持质子交换膜始终处于润湿状态(加湿系统)、供给充足的空气(或氧气)和氢气(空气供给系统和氢气供给系统)。
[0004]目前燃料电池系统体积和重量都较大(能量密度不到250W.h/L、比能量不到300W.h/kg)，系统结构复杂，很难便携式应用。
实用新型内容
[0005]本实用新型要解决的技术问题是提供一种成本较低、结构较简单且使用寿命较长的燃料电池用金属双极板及其构成的燃料电池。
[0006]为能够达到上述目的，本实用新型的燃料电池用金属双极板，包括:将金属皮通过压印方法制备供反应气体分布的平行流道，形成单极板；所述平行流道从极板的一端到另一端贯通；将一片钛材或钛合金皮与上述带有流场的单极板通过点焊方法制备成金属双极板，或将上述两片单极板通过点焊方法制备成金属双极板；该金属双极板表面上制备有一层TiC层。
[0007]一种燃料电池，其包括采用上述金属双极板。
[0008]所述燃料电池的电源输出端与一风机相连，该风机设于所述燃料电池的阴极流道一侧，用于使空气强制对流通过燃料电池阴极，并供应燃料电池发电所需反应空气和冷却空气，故而简化了结构，降低了燃料电池的整体总量，进而提高了能量密度。
[0009]优选的方案是:所述风机经DC/DC电路与所述燃料电池的电源输出端相连，风机为轴流风扇。所述燃料电池的进气口依次经一常闭型电控阀、减压阀与氢源相连，燃料电池的排气口上设有常开型电控阀；氢源释放的氢气经过常闭型电控阀后进入燃料电池，最后通过常开型电控阀排出；风机、常闭型电控阀和常开型电控阀与一控制器相连；控制器还与一用于测量燃料电池温度的温度传感器相连；控制器根据测得的温度控制风机的转速。
[0010]所述燃料电池的电源输出端经充电电路与一电池相连，该电池与所述风机、常闭型电控阀、常开型电控阀和控制器相连。
[0011]本实用新型具有以下显著的特点和突出的优势:(1)本实用新型中，金属双极板表面具有较致密的TiC层，该层与金属双极板的钛基体形成化学键，结合力强。使得金属双极的使用寿命较长(可达至少5000小时,传统金属双极板的使用寿命为短于2000小时)。
(2)本实用新型的金属双极板表面具有较致密的TiC层，在保证金属双极板机械性能的情况下，可以显著地提高金属双极板的耐蚀性。本实用新型有利于促进质子交换膜燃料电池金属双极板的广泛应用。(3)本实用新型金属双极板组成的电堆采用低压空气作为氧化剂和冷却剂，可使用轴流风扇供给低压空气，无需空气压缩机供给高压气体，也无需水冷系统，使得燃料电池发电系统大大简化，并降低了发电系统成本。而且金属双极板采用超薄钛材或钛合金材料，双极板采用贯通的平行通道、无密封槽的新结构，这使得燃料电池电堆发电系统的体积功率密度和比功率大大提高，可高于传统金属双极板一倍之多。(4)本实用新型中，电源系统能量密度和比能量高，分别可达到650W.h/L和700W.h/kg以上；电源系统结构紧凑、高效可靠；电源系统寿命长，可达到3000小时以上。燃料电池利用氢气和阴极流道内的自然空气产生电能，经过DC/DC稳压后供给轴流风扇、尾气电控阀(常开型)和锂离子电池，轴流风扇在燃料电池供电下使空气强制对流通过燃料电池阴极，供应燃料电池发电所需反应空气和冷却空气。在燃料电池工作中，控制器对轴流风扇、电控阀等进行有效控制，使燃料电池稳定可靠发电。轴流风扇的转速与电堆运行温度存在控制逻辑关系，尾气电控阀(常开型)按一定周期脉冲排放尾气，在遇到紧急情况下，进气电控阀关闭。在本实用新型氢电源中，设有一块微型锂离子电池，其作用是为控制器和进气电控阀提供电能，由燃料电池进行充电。负载所需电能仅由燃料电池提供。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本实用新型的氢电源的结构示意图，其中的附图标记:1、金属双极板燃料电池，2、氢源，3、减压阀，4、控制器，5、锂离子电池，6、轴流风扇，7、常闭型电控阀，8、常开型电控阀，9、DC/DC电路，10、温度传感器。
[0013]
【具体实施方式】
[0014]如图1，一种氢电源包括:金属双极板燃料电池1、氢源2、减压阀3、控制器4、锂离子电池5、轴流风扇6、常闭型电控阀7、常开型电控阀8、DC/DC电路9、温度传感器10。
[0015]氢源2释放的氢气经过减压阀3减压、并经过常闭型电控阀7后进入金属双极板燃料电池1，最后通过常开型电控阀8排出。金属双极板燃料电池I利用氢气和阴极流道内的自然空气产生电能，经过DC/DC电路9稳压后供给轴流风扇6、常开型电控阀8和锂离子电池5，轴流风扇6在燃料电池I供电下使空气强制对流通过燃料电池阴极，供应燃料电池I发电所需反应空气和冷却空气。
[0016]在燃料电池工作中，控制器4对轴流风扇6、所述的电磁阀等进行有效控制，使燃料电池稳定可靠发电。轴流风扇6的转速与燃料电池I运行温度存在控制逻辑关系，常开型电控阀8按一定周期脉冲排放尾气，在遇到紧急情况下，进气电磁阀7关闭。在本实用新型氢电源中，设有一块微型锂离子电池5，其作用是为控制器4和进气电磁阀7提供电能，由燃料电池I进行充电。负载所需电能仅由燃料电池I提供。
[0017]本实用新型所述高能量密度的氢电源采用金属双极板燃料电池，比功率在700W/kg以上，而不是石墨双极板燃料电池。传统石墨双极板燃料电池具有较低的重量比功率和体积比功率，是其在移动电源应用方面的一大障碍。而金属双极板具有价廉、质轻、板薄、具有良好的力学性能、高的表面和体积电导率优势，使燃料电池重量比功率和估积比功率大大提升，特别适合于便携式应用。本实用新型所述氢源指液氢、碳纤维增强型高压储氢或现场制氢如硼氢化钠、氢化I丐、氢化镁的水解制氢，储氢质量比为5%以上。
[0018]上述金属双极板的制备工艺，包括:1)将钛皮(优选纯钛皮)通过压印方法制备供反应气体分布的平行流道，形成单极板。平行流道从极板的一端到另一端贯通，极板上无密封槽；2)将一片钛材或钛合金皮与上述带有流场的单极板通过点焊方法制备成双极板。3)在双极板表面上制备一层高导电性和耐蚀性的碳化钛层，其厚度为I μ m，腐蚀电流为
0.9 μ A/cm2,面比电阻为9 Ω.cm2,氢气渗透系数为1.8 X 16 cm3/ (sec.cm2.Pa)。钛皮厚度根据需要任意选择，优选0.03、.1mm,这样可使双极板的整体厚度减小至1_ ;进而可以降低燃料电池的整体重量，进而提高其比功率，较薄的钛皮也利于散热。
[0019]碳化钛层采用表面原位氧化还原新工艺制备而成，具体制备工艺为:1)将钛皮在纯氧环境下加热至30(T5(KrC (优选400°C )，在双极板表面上制备一层T12,厚度为Γ50 μ m ；2)将上述带有T12层的钛基金属双极板置N2气氛中加热到75(Tl050°C (优选850°C )，并缓慢通入氢气和天然气的混合气体，进气摩尔比为H2:天然气=0.5:99.5?3:97 (优选1:100)，保温1.5?2h，使T12层转变为TiC层。冷却后即完成制备金属双极板成品。
[0020]为比较不同双极板的性能，分别采用51片本实用新型的方法制成的金属双极板、与51片未经处理的钛金属双极板和51片石墨双极板组装成燃料电池电堆，进行发电实验。未经处理的钛双极板燃料电池在0.5A/cm2的电压为0.56V，而经过本实用新型TiC处理的钛双极板燃料电池在0.5A/cm2的电压为0.66V，与石墨板的性能相似。经过300小时长期放电后，未经处理的钛双极板燃料电池性能衰减了 52mV，而经过本实用新型TiC处理的钛双极板燃料电池的电压衰减为25mV，也与石墨板的性能相似。
[0021]采用钛合金皮(钛合金可分为结构钛合金和耐热钛合金，或α型钛合金、β型钛合金和α + β型钛合金。上述任一种钛合金都可用)作为金属双极板基材，其制备工艺为:1)将钛合金皮通过压印方法制备供反应气体分布的平行流道，形成单极板。平行流道从极板的一端到另一端贯通，极板上无密封槽；2)将一片钛合金皮与上述带有流场的单极板通过点焊方法制备成双极板。或上述两片单极板通过点焊方法制备成双极板。3)在双极板表面上制备一层高导电性和耐蚀性的碳化钛层，其厚度为50 μ m，腐蚀电流为0.5 μ A/cm2,面比电阻为6 Ω.cm2,氢气渗透系数为I X 16 cm3/ (sec.cm2.Pa)。
[0022]所述钛合金皮的厚度为0.1_，相应的双极板的整体厚度为4_ ;进而可以降低燃料电池的整体重量，进而提高其比功率，较薄的钛皮也利于散热。
[0023]本实用新型上，碳化钛层采用表面原位氧化还原新工艺制备而成，具体制备工艺为:1)将钛合金双极板在纯氧环境下加热至500°C，在双极板表面上制备一层T12，厚度为30-50 μ m ;2)将上述带有T12层的钛合金双极板置N2气氛中加热到800_1050°C，并缓慢通入氢气和甲烷的混合气体，进气摩尔比为H2:甲烷=3:97，保温2h，冷却后使T12层转变为TiC层。即制得本实用新型金属双极板。
[0024]采用上述金属双极板组装的燃料电池构成的电堆发电系统比功率可达500W/kg以上，功率密度可达550W/L以上。
[0025]显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
【权利要求】
1.一种质子交换膜燃料电池用金属双极板，其特征在于: 将金属皮通过压印方法制备供反应气体分布的平行流道，形成单极板；所述平行流道从极板的一端到另一端贯通； 将一片钛材或钛合金皮与上述带有流场的单极板通过点焊方法制备成金属双极板，或将上述两片单极板通过点焊方法制备成金属双极板； 该金属双极板表面上制备有一层TiC层。
2.一种燃料电池，其特征在于包括:采用如权利要求1所述的金属双极板； 该燃料电池的电源输出端与一风机相连，该风机设于所述燃料电池的阴极流道一侧，用于使空气强制对流通过燃料电池阴极，并供应燃料电池发电所需反应空气和冷却空气。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于:风机经DC/DC电路与所述燃料电池的电源输出端相连，风机为轴流风扇。
4.根据权利要求3所述的燃料电池，其特征在于:该燃料电池的进气口依次经一常闭型电控阀、减压阀与氢源相连，燃料电池的排气口上设有常开型电控阀；氢源释放的氢气经过常闭型电控阀后进入燃料电池，最后通过常开型电控阀排出； 风机、常闭型电控阀和常开型电控阀与一控制器相连；控制器还与一用于测量燃料电池温度的温度传感器相连。
5.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于:所述燃料电池的电源输出端经充电电路与一电池相连，该电池与所述风机、常闭型电控阀、常开型电控阀和控制器相连。
【文档编号】H01M4/86GK204029924SQ201420389109
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年7月14日 优先权日:2014年7月14日
【发明者】朱浩, 朱艾成, 王诚, 刘发喜, 董文超 申请人:江苏冰城电材股份有限公司