专利名称：离子交换膜燃料电池双极板及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池技术，具体是离子交换膜燃料电池双极板及其应用于组装燃料电池电堆的方法。
背景技术：
燃料电池是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接、连续地变成电能的发电装置。燃料电池不需要充电，只要将燃料直接输入燃料电池系统，燃料电池就会输出电能。它具有能量转化效率高、清洁、易启动、噪音低、灵活方便、可实现热、电、纯水联产等一系列优点，可用于航天、航空、航海、发电站、电动车、便携式设备电源以及手机等小型移动设备等，普遍认为燃料电池将成为21世纪的新型动力源之一。燃料电池的应用对于节约能源，保护环境和推动人类社会可持续发展有重要意义。
燃料电池的历史可追溯到十九世纪初。1802年，Humphrey Davy报道了一个以HNO3为电解质的C(s)/O2(g)电池结构，产生的电流有轻微触电感觉。1839年，英国科学家William Grove发表了世界上第一篇有关燃料电池研究的报告。他研制的单电池用铂作电极，以氢为燃料，氧为氧化剂。1889年，Mond和Langer首先采用了“燃料电池”一词来命名这类电池。
燃料电池的研究和开发在二十世纪50年代兴起热潮，60年代美国航空航天局和国防部用燃料电池为Apolo飞船提供电源，这标志着燃料电池实用化的开始。70年代末世界性的能源危机及环境污染的加剧使人们重新大力研究燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)得到了很大的发展。80年代末，质子交换膜燃料电池技术取得重要突破，从而带动了燃料电池研究、开发的又一次热潮。近年来，燃料电池的研究取得重大突破使燃料电池产业化成为可能。
离子(包括阳离子，如质子，和阴离子，如OH-)交换膜燃料电池是一种低温燃料电池，可用的燃料包括H2、醇、酸等碳氢化合物或其经重整后富含H2的重整气，氧化剂一般采用纯氧或空气。质了交换膜燃料电池(PEMFC)被称为继碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)后的新一代燃料电池。它的发展历史可追溯到60年代初。当时，美国通用电器公司首先将PEMFC用于探测双子星座的飞行。但直到1983年，在加拿大国防部确认了PEMFC可以满足特殊军事要求并开始赞助Ballard能源公司进行PEMFC的研究后，PEMFC技术才取得了突破性进展。
离子交换膜燃料电池主要由含有多孔气体扩散层的膜组装电极(MEA)和流场板组成。流场板在燃料电池中的作用主要有以下三个方面1、流体隔离和分布。将燃料与氧化剂分别输送到阳极和阴极的催化剂层进行反应，并将阴极反应生成的水通过流场板带出。
2、机械支撑。支撑膜组装电极以使燃料及氧化剂可在预定压力下进行反应。
3、收集电流。串联单电池形成电流通路。
离子交换膜燃料电池对流场板有以下要求1、均匀分布流体。流体均匀分布可使燃料和氧化剂均匀到达催化剂层，有利于充分利用催化剂，从而大大提高燃料电池的性能。
2、机械性能好、质量轻、体积小、容易加工。流场板质量轻和体积小可使燃料电池的质量比功率和体积比功率变大，而容易加工则可提高生产效率，大大降低电池的成本。
3、良好的导电性。流场板必须具有尽可能小的电阻以降低损耗，确保电池性能。
4、良好的化学稳定性。流场板在燃料电池中不仅处于一个化学环境，更是在电化学条件下工作，因此，所用的流场板必须同时是耐化学和电化学腐蚀的材料。
5、良好的导热性。使各反应区温度均匀，提高电极效率，并保证电池稳定工作。
6、良好的气密性。阴、阳极气体串气将引起燃料电池性能降低甚至造成爆炸、燃烧等危险，因此，流场板必须有良好的气密性。同时，流场板的气密性好，可降低板的厚度，使得电池的能量密度提高，成本降低。
实际运行的燃料电池电源往往是由若干个单电池组成的燃料电池堆，相临两个单电池共用一个极板，此时极板与其两侧的单电池的电极相接触，这样的极板被称为双极板。
现有的双极板大都是由相互独立的燃料流场板和氧化剂流场板通过胶黏、焊接或其它方法固接而成(例如中国专利CN00236169.8；美国专利US7122273、US6623882)，具有以下缺点1、电堆组件较多，导致总的接触电阻较高，电性能不稳定。
2、电堆组件较多给电池密封增加难度，气密性较差。
3、流场板机械强度较差。
4、结构复杂，加工困难。
5、燃料流场板和氧化剂流场板的固接部位因不同材料的热膨胀系数不同以及电化学腐蚀等，成为燃料电池电堆的薄弱部位，降低了电池的寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适合便携式电子产品用的离子交换膜燃料电池的双极板，该双极板可一次成型，实现燃料电池的产业化；特别适合空气自呼吸式离子交换膜燃料电池的双极板结构，避免现有双极板的结构存在的不足之处。
本发明的目的还在于提供所述双极板用于组装燃料电池电堆的方法。
本发明所述的离子交换膜燃料电池双极板，包括燃料进口、燃料出口、燃料反应区域、氧化剂进口、氧化剂出口和氧化剂反应区域；设置在燃料反应区域的燃料流道的两端分别连接燃料进口与燃料出口；在双极板的一侧开有一排氧化剂进口，另一侧开有一排氧化剂出口，氧化剂进口和出口通过氧化剂流道相连通，氧化剂流道从侧面贯穿双极板；燃料反应区域和氧化剂反应区域周围分别设有密封凹槽，并分别施加弹性密封件。
燃料流道的宽度为0.1mm～5.0mm，深度为0.05mm～3.0mm；氧化剂流道的宽度为0.1mm～4.0mm，深度为1.0mm～5.0mm；密封凹槽的深度为0.05mm～1.0mm。
优选燃料流道的宽度为1.0mm～2.0mm，深度为0.3mm～0.8mm；氧化剂流道的宽度为1.0mm～2.0mm，深度为1.8mm～2.5mm；密封凹槽的深度为0.15mm～0.3mm。
氧化剂进口、氧化剂出口的形状为圆形、三角形或多边形通孔，单孔截面积为0.1mm2～10mm2。氧化剂进口和氧化剂出口的形状、尺寸和数量可以相同或不同。
燃料流道、氧化剂流道为蛇形、平行形、棋盘形、交错形或螺旋形。
氧化剂流道之间的埂上设有保湿凹槽，所述凹槽的宽度为0.1mm～2.0mm，深度为0.1mm～1.0mm。
双极板材料采用导电材料或镀有导电层的绝缘材料，所述导电材料是金属和/或石墨，通过雕刻、铸造、压模、冲压或注塑方法成型。
所述双极板用于组装燃料电池电堆的方法，是依次放置燃料端绝缘板、燃料端集电板、燃料端板、膜电极、双极板、膜电极(可重复双极板和膜电极)、氧化剂端板、氧化剂端集电板、氧化剂端绝缘板，然后进行层与层之间的密封、连接，最后紧固形成燃料电池电堆。其中双极板和膜电极的数量根据实际要求而定。
本发明与现有技术相比，具有如下优点本发明的离子交换膜燃料电池双极板，其特点在于空气或氧气通过双极板时经横向通道与膜组装电极接触。这样的结构可以达到(1)使氧化剂在电池内部停留而充分反应；(2)电极反应生成的水不易被气体流动直接带走，起到保湿的功能；(3)基于这样的结构空气进入的流量可以提高而维持电池工作所需的氧气量和工作温度，并使膜电极不失水。
由本发明的双极板组成的燃料电池堆只需一个风扇就可实现水、热、气的管理，使燃料电池的集成系统大大简化。
图1是本发明的双极板燃料端示意图；图2是本发明的双极板氧化剂端示意图；图3是图1、2中的A-A截面图；图4是图1、2中的B-B截面图；图5是图1、2中的C-C截面图；图中，1--燃料进口；2--燃料出口；3--燃料反应区域；4--氧化剂进口；5--氧化剂出口；6--氧化剂反应区域；7--双极板燃料端密封凹槽；8--双极板氧化剂端；9--燃料流道；10--氧化剂流道；11--氧化剂流道之间的埂；12--保湿凹槽。
具体实施例方式
实施例1采用石墨板，以雕刻的方式成型上述双极板，有效面积为54mm×18mm。燃料流道9为蛇形。氧化剂进口4和氧化剂出口5的形状均为方形，且数量相等。
实施例2采用石墨板，以机床加工的方式成型上述双极板，有效面积为80mm×30mm。燃料流道9为蛇形，宽度为1.5mm，深度为0.5mm。氧化剂流道10的宽度为1.5mm，深度为1.5mm。氧化剂进口4和氧化剂出口5的单孔面积为2mm2，形状均为方形，且数量相等。密封凹槽7的深度为0.2mm。保湿凹槽12的宽度为0.5mm，深0.2mm。
实施例3采用膨胀石墨板，以机床加工的方式成型双极板，有效面积为50mm×20mm。燃料流道9为棋盘形，宽度为2mm，深度为0.5mm。氧化剂流道10的宽度为2mm，深度为1.5mm。氧化剂进口4和氧化剂出口5的单孔面积为2.5mm2，形状均为圆形，且数量相等。密封凹槽7的深度为0.3mm。保湿凹槽12的宽度为0.8mm，深0.2mm。
实施例4采用1mm厚度不锈钢板，以冲压法成型上述双极板，退火后在不锈钢板上电镀1μm厚度的金。燃料流道9为平行形。双极板有效面积为50mm×10mm。以此双极板组装10W燃料电池。燃料采用氢气。氧化剂采用空气，用小风扇使空气通过双极板氧化剂端。8片单电池串联起来，电池输出电压在4.5V时，电流约为2.5A，电池工作温度约为50℃。
实施例5采用可膨胀石墨/聚苯硫醚(PPS)纳米导电复合材料，以注塑法成型上述双极板，有效面积为100mm×50mm。燃料流道9为蛇形，宽度为2mm，深度为1mm。氧化剂流道10的宽度为2.5mm，深度为1.5mm。氧化剂进口4和氧化剂出口5的单孔面积为3.5mm2，形状均为方形，且数量相等。密封凹槽7的深度为0.3mm。保湿凹槽12的宽度为1mm，深0.5mm。
权利要求
1.一种离子交换膜燃料电池双极板，其特征在于包括燃料进口、燃料出口、燃料反应区域、氧化剂进口、氧化剂出口和氧化剂反应区域；设置在燃料反应区域的燃料流道的两端分别连接燃料进口与燃料出口；在双极板的一侧开有一排氧化剂进口，另一侧开有一排氧化剂出口，氧化剂进口和出口通过氧化剂流道相连通，氧化剂流道从侧面贯穿双极板；燃料反应区域和氧化剂反应区域周围分别设有密封凹槽，并分别施加弹性密封件。
2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于燃料流道的宽度为0.1mm～5.0mm，深度为0.05mm～3.0mm；氧化剂流道的宽度为0.1mm～4.0mm，深度为1.0mm～5.0mm；密封凹槽的深度为0.05mm～1.0mm。
3.根据权利要求2所述的双极板，其特征在于燃料流道的宽度为1.0mm～2.0mm，深度为0.3mm～0.8mm；氧化剂流道的宽度为1.0mm～2.0mm，深度为1.8mm～2.5mm；密封凹槽的深度为0.15mm～0.3mm。
4.根据权利要求3所述的双极板，其特征在于燃料流道、氧化剂流道为蛇形、平行形、棋盘形、交错形或螺旋形。
5.根据权利要求4所述的双极板，其特征在于氧化剂进口、氧化剂出口的形状为圆形、三角形或多边形通孔，单孔截面积为0.1mm2～10mm2。
6.根据权利要求5所述的双极板，其特征在于在氧化剂流道之间的埂上设有保湿凹槽，所述凹槽的宽度为0.1mm～2.0mm，深度为0.1mm～1.0mm。
7.根据权利要求6所述的双极板，其特征在于其材料采用导电材料或镀有导电层的绝缘材料，所述导电材料是金属和/或石墨，通过雕刻、铸造、压模、冲压或注塑方法成型。
8.权利要求1-7之一所述双极板用于组装燃料电池电堆的方法，其特征在于依次放置燃料端绝缘板、燃料端集电板、燃料端板、膜电极、双极板、膜电极、氧化剂端板、氧化剂端集电板、氧化剂端绝缘板，然后进行层与层之间的密封、连接，最后紧固形成燃料电池电堆。
全文摘要
本发明提供一种离子交换膜燃料电池双极板及其应用，其设置在燃料反应区域的燃料流道的两端分别连接燃料进口与燃料出口；在双极板的一侧开有一排氧化剂进口，另一侧开有一排氧化剂出口，氧化剂进口和出口通过氧化剂流道相连通，氧化剂流道从侧面贯穿双极板；燃料反应区域和氧化剂反应区域周围分别设有密封凹槽，并分别施加弹性密封件。该双极板可一次成型，依次放置燃料端绝缘板、燃料端集电板、燃料端板、膜电极、双极板、膜电极(可重复双极板和膜电极)、氧化剂端板、氧化剂端集电板、氧化剂端绝缘板，然后进行层与层之间的密封、连接，最后紧固形成燃料电池电堆。适合便携式电子产品用的离子交换膜燃料电池的双极板。
文档编号H01M4/86GK101022171SQ20071002721
公开日2007年8月22日 申请日期2007年3月20日 优先权日2007年3月20日
发明者沈培康, 黄岳强, 李永亮, 梁剑莹 申请人:中山大学