专利名称：一种廉价高效防腐蚀的燃料电池集流母板的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池的部件，尤其涉及一种廉价高效防腐蚀的燃料电池集流母板。
背景技术：
电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。
在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。
在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。
在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达
阳极反应阴极反应在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导流极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导流极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。
为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。
一个典型电池组通常包括(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。
质子交换膜燃料电池既可以用作车船等运载工具的动力系统，又可以用作移动式或固定式的发电站。
质子交换膜燃料电池一般由若干个单电池组成，将这些单电池以串联或并联的方式连接起来构成质子交换膜燃料电池堆，将质子交换膜燃料电池堆与其它运行支持系统组合起来构成整个质子交换膜燃料电池发电系统。
如图1是现有质子交换膜燃料电池单电池中的膜电极，它包括空气进口1，进水口2，氢气进气口3，电极活性区域4；空气出气口5，出水口6，氢气出气口7。如图2是现有质子交换膜燃料电池单电池中的导流极板，它包括空气进口1，进水口2，氢气进气口3，流道8；空气出气口5，出水口6，氢气出气口7。如图3是一种数个单电池以串联方式连接的燃料电池堆，它包括面板9，第一集流母板10，电池堆11，第二集流母板12，负载13；质子交换膜燃料电池堆可以由数个单电池以串联方式组成，也可以由数个单电池串联构成一个单元，再将数个这种单元以并联的形式构成如图4的燃料电池堆，该燃料电池堆包括第一集流母板10，电池堆11，第二集流母板12，绝缘板14。
以上图3、图4所指的质子交换膜燃料电池堆都涉及到二块或多块集流母板，分别是燃料电池堆中的正、负或负、正集流母板。这二块集流母板有以下二种功效1.将数个串联或并联的燃料电池单电池或整个燃料电池堆的电流引出来，构成导通外电路电流的正、负极；2.集流母板上也有各种流体道孔，可以让燃料电池各种流体自由通过，如图5，1、2、3、5、6、7是流体孔，15是电流引出端的耳子，10是集流母板，所以集流母板除了二个电流引出端的耳子外，大小基本上与燃料电池堆中的导流极板大小相同，上面的流体孔也与导流极板上的导流孔一样大小，以构成整个燃料电池堆的各个导流通道。
目前，各种燃料电池堆中的集流母板为了达到以上二种功效，都采用非常特殊的材料，例如金属金、金属铂或者采用其它金属如不锈钢、铜、铝、镀金、铂的方法。采用这些材料，导电性能非常优良，并且在各种流体通过集流母板时不会发生电化学腐蚀反应而产生对燃料电池危害的金属离子。但这些材料如金、铂等贵金属非常昂贵，在其它金属铜、不锈钢、铝等材料上电镀，价格也较贵，并且不方便。
如果直接采用不锈钢、金属铜、铝材料作为集流母板，在各种流体通过集流母板时会发生电化学腐蚀，这就会产生对燃料电池危害的金属离子。还有一种方法是采用上海神力科技公司的专利“一种用于燃料电池的高效防腐蚀复合集流母板”〔专利号02265853.X〕，该专利技术将集流母板分为二部分，一部分是导电活性快，这一部分是集流母板电流引出耳子〔端子〕的部分；另一部分是非导电孔道块，至少由一至六块这种非导电孔道块组成，材料由非金属抗腐蚀的材料构成。这种复合型导电集流母板具备成本低、抗腐蚀的特点，但是这种集流母板技术需要有二种材料复合在一起，实施过程有一定的难度，不利于大规模产业化生产。
发明内容
本发明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价廉、耐腐蚀并且适合于大规模生产的廉价高效防腐蚀的燃料电池集流母板。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种廉价高效防腐蚀的燃料电池集流母板，其特征在于，该集流母板采用纯石墨材料或铌材料，其设有与导流极板相对应的流体道孔，并且设有至少一个电流引出端的耳子。
所述的集流母板采用二块较薄的石墨板或铌板用胶粘剂胶粘在一起。
所述的集流母板采用一块较薄的石墨板或铌板与另一块较薄的增强材料板用胶粘剂胶粘在一起。
所述的增强材料板为环氧树脂板或工程塑料板。
本发明仍然采用导电性能非常优异的纯石墨材料或铌材料，加工成与导流极板〔如图2〕，具有相对应的相同的各种流体道孔，并且有一个或二个以上电流引出端的耳子〔如图5〕的电流集流母板，而导电线连接端直接与电流集流母板的耳子相连。与现有技术相比，本发明具有价廉、耐腐蚀并且适合于大规模生产等优点。
图1为现有燃料电池单电池中的膜电极；图2为现有燃料电池单电池中的导流极板；图3为数个单电池以串联方式连接的燃料电池堆；图4为将数个电池单元以并联的形式连接构成的燃料电池堆；
图5为本发明集流母板的结构示意图；图6为本发明实施例2、实施例3的分体结构示意图；图7为本发明实施例2、实施例3的整体结构示意图。
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
为了防止本发明纯石墨材料或铌材料的耳子拆断，本发明采用以下二种实施方法来增强集流母板材料的耳子强度。
实施例1如图5所示，一种廉价高效防腐蚀的燃料电池集流母板，该集流母板采用纯石墨材料或铌材料，其设有与导流极板相对应的流体道孔，包括空气进口1，进水口2，氢气进气口3，集流母板10，空气出气口5，出水口6，氢气出气口7，在集流母板10的二端各设有一个电流引出端的耳子15。对燃料电池堆体积功率密度要求不高时，可采用较厚的纯石墨材料或铌板，例如1～2厘米的板材，直接加工成上述集流母板，耳子强度就已经非常足够了。
实施例2如图5、图6、图7所示，一种廉价高效防腐蚀的燃料电池集流母板，该集流母板采用纯石墨材料或铌材料，其设有与导流极板相对应的流体道孔，包括空气进口1，进水口2，氢气进气口3，集流母板10，空气出气口5，出水口6，氢气出气口7，在集流母板10的二端各设有一个电流引出端的耳子15。
所述的集流母板10采用二块较薄的石墨板或铌板10a、10b用胶粘剂16胶粘在一起，构成一整体的集流母板10。
实施例3如图5、图6、图7所示，一种廉价高效防腐蚀的燃料电池集流母板，该集流母板采用纯石墨材料或铌材料，其设有与导流极板相对应的流体道孔，包括空气进口1，进水口2，氢气进气口3，集流母板10，空气出气口5，出水口6，氢气出气口7，在集流母板10的二端各设有一个电流引出端的耳子15。
所述的集流母板10采用一块较薄的石墨板或铌板10a与另一块较薄的增强材料板10b〔形状与集流母板完全一样〕用胶粘剂16胶粘在一起，构成一整体的集流母板10，所述的增强材料板为环氧树脂板或工程塑料板，它可以使胶合后的集流母板10耳子强度足够强。
权利要求
1.一种廉价高效防腐蚀的燃料电池集流母板，其特征在于，该集流母板采用纯石墨材料或铌材料，其设有与导流极板相对应的流体道孔，并且设有至少一个电流引出端的耳子。
2.根据权利要求1所述的廉价高效防腐蚀的燃料电池集流母板，其特征在于，所述的集流母板采用二块较薄的石墨板或铌板用胶粘剂胶粘在一起。
3.根据权利要求1所述的廉价高效防腐蚀的燃料电池集流母板，其特征在于，所述的集流母板采用一块较薄的石墨板或铌板与另一块较薄的增强材料板用胶粘剂胶粘在一起。
4.根据权利要求3所述的廉价高效防腐蚀的燃料电池集流母板，其特征在于，所述的增强材料板为环氧树脂板或工程塑料板。
全文摘要
本发明涉及一种廉价高效防腐蚀的燃料电池集流母板，该集流母板采用纯石墨材料或铌材料，其设有与导流极板相对应的流体道孔，并且设有至少一个电流引出端的耳子。与现有技术相比，本发明具有价廉、耐腐蚀并且适合于大规模生产等优点。
文档编号H01M8/02GK1581552SQ0314204
公开日2005年2月16日 申请日期2003年8月4日 优先权日2003年8月4日
发明者夏建伟 申请人:上海神力科技有限公司