专利名称：用于质子交换膜燃料电池的组合式整体双极板的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池技术领域的双极板，具体是一种用于质子交换膜燃料电池的组合式整体双极板。
背景技术：
燃料电池由于其在汽车动力替代能源，移动能源等方面的广泛应用前景，已经成为各国大力研究的新方向。双极板是燃料电池里面的核心部件，占电堆总重量的80％和总成本的30％以上成本和质量都占到60％到80％。在质子交换膜燃料电池里，双极板起着提供反应流场，分隔氧化剂和还原剂，收集电源，支撑膜电极等作用。因此要求双极板必须具有非穿透性，良好导电性能，一定的机械强度和刚度等性能。又由于反应区域的弱酸性，要求双极板在电化学环境中具有一定的耐腐蚀性，以及具有一定的低密度性以保证电池的功率密度等。另外从制造效率和制造成本上来说，又要双极板能够满足高效率低成本的要求。
要求双极板能够同时具有以上的这些性能是一件很难的事情。因此抑制燃料电池的研究进一步发展的瓶颈问题就是极板的制造问题，高成本，低效率等限制着燃料电池领域的发展。
当前，比较成熟的双极板制造方法就是石墨极板。但是由于石墨极板的脆性极大，机械强度差，同时由于其加工成本较昂贵，加工效率低，难以实现批量生产，所以其商业化应用前景也不明朗。而金属双极板易于加工成型，能够实现大批量生产，制造效率高，同时在机械强度和导电性能方面有着优良的品质。而且金属极板可以做得很薄(0.01～0.2mm)，能够满足双极板的轻量化要求。在先进的表面改性处理保证下，也能够满足弱酸条件下耐腐蚀的要求。因此，金属薄板已经成为一种正在广泛研究的双极板材料。
经对现有技术的文献检索发现，组合(复合)式的双极板，一种类型为边框加中间流场板的组合，如中国专利公开号为CN 1416184A，名称为质子交换膜燃料电池的金属复合双极板，该专利的特征自述为一种质子交换膜燃料电池的金属复合双极板，该双极板由两部分组成，一部分是与三合一电极相对应的条状沟槽部分，由两块形状完全对称的薄金属焊合而成，另一部分是金属边框，边框和条状沟槽部分通过粘合或焊合成一体。由于其为非整体式，边框和流场板的焊合要面临着严重的热变形，同时在边框与中央流场板的金属接合区域也要面临着严重的腐蚀情况。还有一种类型是整体式的组合双极板，如中国专利公开号为CN 1242614A，名称为质子交换膜燃料电池的双极板，该专利的特征自述为一种组合式质子交换膜电池双极板，由极板框、流场板和分隔板组成；在分隔板的两边分别设置极板框，流场板镶嵌在极板框内；极板框上设置有氧化剂进出口，燃料进出口和进出口暗通道，极板框面向分隔板一侧设置暗孔道；流场板背向分隔板一侧设置流道。他们都能在某一个方面提高了燃料电池极板的性能或者生产效率和生产成本。
然而上述技术中，金属边框或者塑料边框镶嵌流场板的类型中，由于为非整体式极板，都要面临着边框和中央流场板装配时的精确定位，若为金属边框镶嵌金属流场板，焊合时还要解决严重的热变形问题，同时金属接合区的密封和防腐蚀等问题也难以得到较好的解决。另一类整体式的金属薄板组合，也无法很好解决其焊合时的热变形问题以及流场的加工问题。
发明内容
为了解决当前在燃料电池极板制造上的问题，本发明的目的是提供一种重量轻，生产装配工艺简单，成本低廉，容易实现大批量生产的用于质子交换膜燃料电池的组合式整体双极板，而且能较好地解决在装配和防腐蚀等方面遇到的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明一共包含有五块薄板与垫片，分别是中间隔离垫片，两块单极板，两块密封垫片。两块单极板分别置于中间隔离垫片上下两侧。两块密封垫片分别贴合在单极板表面。所有的薄板与垫片具有相同的边缘外形尺寸，总体上为长方形，在两侧边缘均设有四个方形孔，分别作为氢燃料进气口、出气口，氧气进气口、出气口，在出气口一侧还设有冷却液进口、出口。在薄板与垫片四个角设有圆形定位孔。
中间隔离垫片为合成树脂类材料，具有一定的厚度和强度和耐热性能。中心区域挖空部分的形状为单极板的凸起区域，厚度为两块单极板的沟脊凸起高度之和，采用注塑成型。
两块单极板为金属材料如不锈钢，中心流场区域，两端进气出气延伸通道以及各进气出气口，其上设有定位孔，定位孔采用冲压成型，流场为交指型。成型后经表面处理，两块单极板厚度为0.2～0.5mm。
两块密封垫片为橡胶类密封材料，其中间挖空部分形状与两块单极板流场区域一致，面积大小比流场大，边沿部分留有一定宽度的肩台，两块密封垫片的厚度略大于扩散层，一般为0.3～0.6mm。
两块单极板上冲压而成的流道脊部贴合形成连续流道，通过中间隔离垫片的限制作用，与冷却液进口出口一起为冷却液的流通提供通道。
与现有技术相比，本发明的优点是单极板由不锈钢金属薄板一次成型工艺冲压而成，为整体式极板。制作工艺简单，能够降低电池重量，可以极大的降低成本，同时提高生产效率。另外，在反应流场区域，没有金属之间的直接接触，只有金属单极板与非金属密封垫片或者中间隔离垫片的接触，可以极大的降低金属接合区的腐蚀情况，同时，非金属与金属之间可以使用非焊接连接方式，可以避免因焊接而造成的热变形。两个单极板之间的接触区域只有流场区域的沟脊部分，接触区域小，可以较大地降低燃料电池的接触电阻。双极板和中间隔离垫片、密封垫片都采用整体薄板式，能够极大地方便双极板组件的装配，提高装配效率。
图1为本发明总体结构分解示意2为本发明立体结构示意3为本发明单极板流道平面示意图(与密封垫片限制形成流道)其中中间隔离垫片1，阳极单极板2，阴极单极板3，第一密封垫片4，第二密封垫片5，第一气孔6，第二气孔7，第三气孔8，第四气孔9，冷却液进口10，冷却液出口11，流场12，导气通道13，扩散层14，定位孔15。
具体实施例方式
下面结合附图进一步详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，本发明包括中间隔离垫片1，阳极单极板2，阴极单极板3，第一密封垫片4，第二密封垫片5。两块对称的整体式金属阳极单极板2和阴极单极板3，阳极单极板2和阴极单极板3上有流场12以及导气通道13，采用冲压成型，置于中间隔离垫片1两侧。中间隔离垫片1中心区域挖空部分的形状与阳极单极板2和阴极单极板3的凸起区域一致。阳极单极板2和阴极单极板3冲压凸起一侧相对，以四个定位孔15定位，压力贴合，使其凸起沟脊精确对齐。第一密封垫片4和第二密封垫片5分别置于阳极单极板2和阴极单极板3的凹入一侧表面。第一密封垫片4和第二密封垫片5的中间孔形与阳极单极板2和阴极单极板3流场区域一致，面积大小比流场12大，两端部覆盖阳极单极板2和阴极单极板3上的导气通道13，形成封闭的进气出气通道。两侧边沿部分留有一定宽度的肩台，第一密封垫片4和第二密封垫片5的厚度大于扩散层14，内部形成一定高度以限制扩散层14和膜电极MEA。
中间隔离垫片1，阳极单极板2和阴极单极板3以及第一密封垫片4和第二密封垫片5，在四个边角部位对应位置上均设有第一气孔6，第二气孔7，第三气孔8，第四气孔9，分别作为氢燃料进气口、出气口，氧气进气口、出气口，靠近第四气孔9、第三气孔8还分别设有冷却液进口10，冷却液出口11。流场12采用交指型流场。中间隔离垫片1为合成树脂类材料。组合而成的双极板整体如图2所示。
阳极单极板2上的导气通道13与第一气孔6、第三气孔8不连通，与第二气孔7、第四气孔9连通，第二气孔7、第四气孔9分别作为氢燃料进气口和出气口；阴极单极板3上的导气通道13与第二气孔7、第四气孔9不连通，与第一气孔6、第三气孔8连通，第一气孔6、第三气孔8分别作为氧气进气口和出气口。
如图3所示，本发明工作时，氢气燃料从第二气孔7通过导气通道13，流经阳极单极板2的流场12，通过第四气孔9流出流场12。氧气通过第一气孔6通过导气通道13，流经阴极单极板3的流场12，通过第三气孔8流出流场。由于阳极单极板2上的导气通道13与第一气孔6、第三气孔8不连通，阴极单极板3上的导气通道13与第二气孔7、第四气孔9不连通，氢气燃料和氧气可以单独地分配进入阳极单极板2和阴极单极板3。流经阳极单极板2流场12的氢气的氢离子通过电解质进入与本双极板贴合的上一块双极板的阴极一侧，与其上的氧气发生电化学反应，并通过两块导体金属单极板形成电子流动。同理，流经阴极单极板3的流场12的氧气则与下一块双极板的阳极一侧配合，形成形同的电极反应和电子流动。
权利要求
1.一种用于质子交换膜燃料电池的组合式整体双极板，包括中间隔离垫片(1)、阳极单极板(2)、阴极单极板(3)、第一密封垫片(4)、第二密封垫片(5)，其特征在于阳极单极板(2)和阴极单极板(3)上有流场(12)以及导气通道(13)，阳极单极板(2)和阴极单极板(3)置于中间隔离垫片(1)两侧，中间隔离垫片(1)中心区域挖空部分的形状与阳极单极板(2)和阴极单极板(3)的凸起区域一致，第一密封垫片(4)和第二密封垫片(5)分别置于阳极单极板(2)和阴极单极板(3)的凹入一侧表面，第一密封垫片(4)和第二密封垫片(5)的中间孔形与阳极单极板(2)和阴极单极板(3)流场区域一致，面积大小比流场(12)大，两端部覆盖阳极单极板(2)和阴极单极板(3)上的导气通道(13)，形成封闭的进气出气通道，两侧边沿部分留有肩台。
2.根据权利要求1所述的用于质子交换膜燃料电池的组合式整体双极板，其特征是中间隔离垫片(1)、阳极单极板(2)、阴极单极板(3)以及第一密封垫片(4)和第二密封垫片(5)，在四个边角部位对应位置上均设有第一气孔(6)、第二气孔(7)、第三气孔(8)、第四气孔(9)，靠近第四气孔(9)、第三气孔(8)还分别设有冷却液进口(10)、冷却液出口(11)。
3.根据权利要求1或2所述的用于质子交换膜燃料电池的组合式整体双极板，其特征是阳极单极板(2)上的导气通道(13)与第二气孔(7)、第四气孔(9)连通，第二气孔(7)、第四气孔(9)分别作为氢燃料进气口和出气口；阴极单极板(3)上的导气通道(13)与第一气孔(6)、第三气孔(8)连通，第一气孔(6)、第三气孔(8)分别作为氧气进气口和出气口。
4.根据权利要求1或者2所述的用于质子交换膜燃料电池的组合式整体双极板，其特征是第一密封垫片(4)和第二密封垫片(5)的厚度大于扩散层(14)。
5.根据权利要求1或者2所述的用于质子交换膜燃料电池的组合式整体双极板，其特征是阳极单极板(2)和阴极单极板(3)为两块对称的整体式结构，阳极单极板(2)和阴极单极板(3)凸起一侧相对，以四个定位孔(15)定位。
6.根据权利要求1所述的用于质子交换膜燃料电池的组合式整体双极板，其特征是流场(12)为交指型流场。
7.根据权利要求1或者2所述的用于质子交换膜燃料电池的组合式整体双极板，其特征是中间隔离垫片(1)，其材料为合成树脂类材料。
全文摘要
一种燃料电池技术领域的用于质子交换膜燃料电池的组合式整体双极板。本发明一共包含有五块薄板与垫片，分别是中间隔离垫片，两块单极板，两块密封垫片。两块单极板分别置于中间隔离垫片上下两侧。两块密封垫片分别贴合在单极板表面。所有的薄板与垫片具有相同的边缘外形尺寸，总体上为长方形，在两侧边缘均设有四个方形孔，分别作为氢燃料进气口、出气口，氧气进气口、出气口，在靠近氢燃料出气口、氧气出气口还设有冷却液进口、出口。在薄板与垫片四个角设有圆形定位孔。本发明重量轻，生产装配工艺简单，成本低廉，容易实现大批量生产，而且能较好地解决在装配和防腐蚀等方面遇到的问题。
文档编号H01M8/02GK1889294SQ20061002940
公开日2007年1月3日 申请日期2006年7月27日 优先权日2006年7月27日
发明者来新民, 蓝树槐, 倪军, 林忠钦, 彭林法, 刘冬安 申请人:上海交通大学