用于空气冷却型质子交换膜燃料电池的阴极板的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种用于空气冷却型质子交换膜燃料电池的 阴极板以及相关的燃料电池和燃料电池堆。
【背景技术】
[0002] 质子交换膜燃料电池是将反应物的化学能直接转化为电能的电化学装置。电极板 (包括阴极板和阳极板）是质子交换膜燃料电池的一个重要组成部件，一般占到了整个燃 料电池堆总重的50% -80%，和总成本的30-40%，发挥包括导电、供气、机械支撑和散热等 重要的作用。因此，电极板应当具备以下性能：1)良好的导电性和导热性；2)良好的化学稳 定性和耐腐蚀性；3)良好的气密性；4)机械强度高；5)能够均匀分布流体。
[0003] 现有技术中的电极板，即阳极板和阴极板，都采用相同的电极板标准，在材料的选 择上也采用统一的材料。目前常用的电极板材料为金属、无孔石墨和树脂/石墨复合材料， 一般通过蚀刻、冲压成型，或者机加工、模压成型等方式来制备。
[0004] 采用金属材料制成的电极板的密度较高，但因其拥有良好的延展性，可以做的很 薄，一般阳极板都可以在〇. 5_厚，而阴极板可以做的更薄（可以达到0. 1-0. 2_)，如中国 发明专利200710056414. 6 (申请号）。通过弯折形成空气通道，可以有效的控制电堆总重 量或者体积，提高电堆的功率密度。金属材料电极板的流道易于进行批量加工，但一般都需 要后续处理（包括除油，抛光和表面镀膜等）。此外，金属材料的耐腐蚀性不足，尤其是采 用金属材料的阴极板，由于长期处于含有水蒸气和氧气的腐蚀性氛围里，因此需要性能优 异的防腐材料对阴极板基体进行保护，而这会大大提高其制备成本。另外，在进行冲压或者 弯折等加工工艺时，会在电极板中形成缺陷和应力，而这会影响电极板的使用寿命。总而言 之，金属材料电极板的优势在于具备较好的导热和导电性能、易于加工、可以较大的减小体 积或者重量；但仍存在耐腐蚀性不足、工序复杂、镀层价格昂贵、接触电阻较高等缺点。
[0005] 无孔石墨材料的密度较低（1. 8~2. 3g/cm3)，但是由于其材料本身脆性很大，非 常容易出现折断和崩裂的情况，所以由无孔石墨材料制备的电极板一般都比较厚。尤其针 对空气冷却型燃料电池的电极板，要求阴极板一侧具有较大的空气通道，这会增大燃料电 池堆的重量和体积。简而言之，无孔石墨电极板的特点在于优秀的化学稳定性和耐腐蚀性， 且制备工序简单；但尺寸偏厚，体积和重量都较大。
[0006] 树脂/石墨复合材料在一定程度上可以降低电极板的重量，例如中国发明专利 201310703420. 1 (申请号）。但是由于在石墨中加入了不导电且导热能力差的树脂材料，使 得电极板的导电性和散热能力都有所降低。另外在模压过程中，树脂会渗透至表面形成一 层树脂膜，这会极大的引起电极板接触电阻的增加，而且树脂膜的打磨处理又会增加工序 和成本。
【发明内容】
[0007] 本发明实施例提供一种改进的用于空气冷却型质子交换膜燃料电池的阴极板，在 实现阴极板的轻质化方面具备优势。
[0008] 根据本发明的一个方面，提供一种用于质子交换膜燃料电池的阴极板，采用多孔 质石墨材料制成，氧化剂通过所述多孔质石墨材料中的孔被导入/导出所述质子交换膜燃 料电池；
[0009] 其中，所述阴极板包括两个燃料通孔，分别用作燃料进口和燃料出口，在所述燃料 通孔中设置具有通孔的密封垫，用于将所述燃料通孔与所述多孔质石墨材料中的孔分隔 开；并且，
[0010] 其中，燃料通过所述密封垫上的通孔被导入/导出所述质子交换膜燃料电池。
[0011] 根据本发明的一个实施方式，所述密封垫的上下端面突出所述阴极板。
[0012] 根据本发明的一个实施方式，所述密封垫中设有刚性填充物。
[0013] 根据本发明的一个实施方式，所述密封垫采用橡胶制成，并且所述刚性填充物由 金属材料制成或者由能够满足刚性要求的复合材料或工程塑料制成。
[0014] 根据本发明的一个实施方式，用于质子交换膜燃料电池的阴极板进一步包括：氧 化剂流道，设置于所述阴极板的多孔质石墨材料中。
[0015] 根据本发明的一个实施方式，所述氧化剂流道由设置在多孔质石墨材料中的多个 凹槽构成。
[0016] 根据本发明的一个实施方式，所述氧化剂流道由设置在多孔质石墨材料中的多个 镂空孔构成。
[0017] 根据本发明的一个实施方式，所述多孔质石墨材料的导热率不低于l〇〇W/m · K、抗 压强度不低于I. 2Mpa、孔隙率不低于40%。
[0018] 根据本发明的另一个方面，提供一种空气冷却型质子交换膜燃料电池，包括：
[0019] 根据本发明的前述方面所述的阴极板；
[0020] 膜电极，设置在所述阴极板下方，其中，所述膜电极上设有质子交换膜以及分别与 所述两个燃料通孔连通的两个膜电极通孔；
[0021] 密封圈，设置在所述膜电极下方，用于密封所述膜电极下方的空间；以及，
[0022] 阳极板，设置在所述密封圈下方，其中，所述阳极板上设有燃料流道，所述燃料流 道的两端设置有分别与所述两个膜电极通孔连通的两个阳极板通孔，形成用于所述燃料电 池的燃料输送通道。
[0023] 根据本发明的又一个方面，提供一种空气冷却型质子交换膜燃料电池堆，包括： [0024] 上端板；
[0025] 上集流板，设置在所述上端板下方；
[0026] 燃料电池组，设置在所述上集流板下方，由至少一个本发明的前述方面所述的质 子交换膜燃料电池堆叠而成；其中，每个燃料电池的两个阳极板通孔分别与相邻的燃料电 池的阴极板所包括的两个燃料通孔连通；
[0027] 下集流板，设置在所述燃料电池组下方；
[0028] 下端板，设置在所述下集流板下方；以及
[0029] 固定螺栓，贯穿所述上端板和所述下端板，压紧位于所述上端板和所述下端板之 间的上集流板、燃料电池组和下集流板；
[0030] 其中，将燃料进口和燃料出口设置在所述上端板和下端板中的任一个，或分别设 置二者上；所述燃料进口和燃料出口的位置与所述燃料电池组中的燃料通孔对应，并且在 上集流板和下集流板中的任一个或二者上设置分别与所述燃料进口和燃料出口连通的集 流板通孔，从而使得所述燃料进口和燃料出口与设置在所述燃料电池组中的燃料通孔连 通。
[0031] 本发明实施例提供的一种用于质子交换膜燃料电池的阴极板，合理的考虑到阴极 板的工作环境不同于阳极板，即阴极板在除了燃料通道的位置外并没有气密性要求，因而 并没有像现有技术一样采用与阳极板同样的制造标准，而是提出了采用多孔质石墨作为制 备阴极板的材料。多孔质石墨材料不但继承了石墨出色的化学稳定性和耐腐蚀性，还保持 了石墨的导电性和机械强度。更为重要的是，由于多孔质石墨材料具备均匀分布的孔结构， 极大的减轻了阴极板的重量；同时均匀分布的孔结构也使得阴极板的表面积大大增加，使 得阴极板的散热性能也得到提升。此外，由于多孔质石墨材料中均匀分布的孔就可以作为 氧化剂通路，因此可以不用额外制备氧化剂流道就能实现阴极的还原反应和热管理，且氧 化剂可以到达阴极板的任何地方参与反应，进行全方位的接触，分布更加均勾，降低了传质 电阻，提高电池性能；同时，该阴极板的制备过程可为：先生产出大型的多孔质石墨砖块， 再按需裁剪为合适尺寸的阴极板即可，从而进一步降低了模具制造和机加工难度，降低了 设备和制造成本。
【附图说明】
[0032] 图1所示为本发明一实施例所提供的用于质子交换膜燃料电池的阴极板的结构 示意图。
[0033] 图2所示为本发明一实施例所提供的用于质子交换膜燃料电池的阴极板的结构 示意图。
[0034] 图3示出了采用不同材料形成的同规格阴极板的重量比