专利名称：燃料电池双极板的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池极板，属于燃料电池领域。
背景技术：
随着自然资源的日益缺乏，石油等矿物能源的逐步竭尽，人们面临着越 来越严峻的能源危机。另外，日益严重的环境污染问题也迫使人们寻找更加 清洁的能源。燃料电池，是一种直接将化学能高效、环境友好地转变为电能
的电化学器件，理论转化率可达80%以上，是一种绿色能源，可同时解决节能 和环保两大世界难题。各国对燃料电池的高度重视，推动了燃料电池的快速 发展。质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有重量轻、结构紧凑、排水容易、能 量密度高、可在低温下快速启动等优点，且使用固态电解质，作为便携式电 源和机动车动力源，有着广泛的应用前景，近年来发展迅速。
质子交换膜燃料电池主要由膜电极和极板组成。膜电极按次序由内向外 由质子交换膜(PEM)、阴阳极催化层和阴阳极扩散层五个部分组成。质子交 换膜燃料电池的极板设计中，由气体主通道分配气体至每个单片电池极板流 道内，为保证气体的密封，通常在每个极板的进出口都设计一种过桥片结构， 过桥片结构增加电池结构的复杂性，增加电池组装难度；过桥片材质通常采 用具有较好防腐功能的不锈钢材料或聚四氟乙烯(PTFE)垫片。研究表明， 质子交换膜非常容易吸附金属阳离子而导致电导率下降，尤其是吸附三价铁 离子后，质子交换膜电导率损失比吸附二价镍离子和二价铜离子大(M. J. Kelly, G. Fafilek， J. 0. Besenhard, H. Kronberger, G. E. Nauer. J. Power Sources 145 (2005) 249 - 252)。在燃料电池的长期使用过程中，金属材料 不可避免的存在腐蚀现象，由腐蚀产生的金属阳离子进入质子交换膜中将导 致电池内阻增加，电池性能降低。另外，电池中可能生成的H202分解产生'0H 或，00H自由基进攻质子交换膜中高分子链段的端基，降低了质子交换膜的化 学禾急定性(D. E. Curt in, R. D. Lousenberg， T. J. Henry， P. C. Tangeman,M. E. Tisack, J. Power Sources 131 (2004) 41 - 48)，同时金属离子的存 在加剧质子交换膜的降解速率(W. Schmittinger, A. Vahidi. J. Power Sources 180 (2008) 1 - 14 )，不利于燃料电池的长期使用。从电池堆的组 装考虑，过桥片的结构非常不利于燃料电池的组装，很难实现自动化组装生 产线。
发明内容
本发明的目的在于克服了现有极板的上述缺陷，提供了一种燃料电池极 板，该极板省去了过桥片，适合组装及批量生产。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本发明中的贯穿阳极 板、阴极板或冷却极板上的进料或排料主通道分别通过异位通孔与各自极板
上的流道相连通，具体为异位通孔贯穿极板，其一端与进料或排料主通道 相连通，另一端与极板上的流道相连通。即各极板上的进料或排料主通道与 异位通孔的连接通道，和极板上的流道分别布置在极板的两个相对的侧面上， 这样可以省去了过桥片结构。
冷却极板上的进料或排料主通道与该极板上异位通孔相连通的通道布置 在与其相邻的一个极板上，或者布置在该冷却极板上与冷却流道相对的侧面 上。
阴极极板上的进料或排料主通道与该极板上异位通孔相连通的通道布置 在与其相邻的一个极板上，或者布置在该阴极上与阴极流道相对的侧面上。
阳极极板上的进料或排料主通道与该极板上异位通孔相连通的通道布置 在与其相邻的一个极板上，或者布置在该阳极上与阳极流道相对的侧面上。
所述的异位通孔的截面形状为圆形、椭圆形、方形、长方形、三角形、 蜂巢形、菱形或多边形。
所述的极板上的流道的深度为极板厚度的4/5至1/10。 所述的极板上的流道的深度为0.2 3.0mm，流道的宽度为0.2 3.0mm。 所述的极板上的流道的深度为为0.3 2.5mm，流道的宽度为0.3 2.5mm。 本发明中的供料结构可以用于燃料供应、氧化剂供应、冷却剂供应。本发明与现有技术相比，具有如下优点
1. 本发明通过电池极板结构设计，不再需要过桥片，简化电池极板的加 工过程，适用于电池极板的批量加工，特别是采用模压方式制造电池极板时， 批量生产将大幅度降低电池极板的生产成本。
2. 本发明通过电池极板结构设计，不再需要过桥片，极大地简化了电池 的组装难度，可以实现电池快速组装，设计批量自动化组装生产线。
3. 本发明通过电池极板结构设计，不再需要过桥片。如果过桥片采用PTFE 类的材质，无过桥片的设计降低了生产难度和生产成本；如果过桥片采用金 属材质，则无过桥片的设计将大大降低金属腐蚀对电池性能的影响，提高燃 料电池的使用寿命。
图1是本发明的阳极极板A面连通异位通孔供料结构示意图 图2是本发明的阳极极板B面连通异位通孔供料结构示意图 图3是本发明的冷却极板A面连通异位通孔供料结构示意图 图4是本发明的冷却极板B面连通异位通孔供料结构示意图 图5是本发明的阴极极板A面连通异位通孔供料结构示意图 图6是本发明的阴极极板B面连通异位通孔供料结构示意图 图7是本发明的燃料电池极板与膜电极的组装示意图
图中1、阳极板，2、冷却极板，3、阴极板，4、膜电极，5、阳 极极板流道，6 、燃料进料及排料异位通孔，7 、燃料进料及排料主通道， 8 、冷却液、冷却气进料及排料主通道，9 、氧化剂进料及排料主通道，10、 冷却气、冷却液进料及排料主通道与异位通孔的连接通道，11、燃料进料及 排料主通道与异位通孔的连接通道，12、冷却液、冷却气进料及排料异位通 孔，13、冷却液、冷却气流道，14、氧化剂进料主通道与氧化剂进料异位通 孔的连接通道，15、氧化剂进料异位通孔，16、氧化剂流道。
具体实施例方式
实施例l如图7所示，燃料电池包括阳极板1、冷却极板2 、阴极板3和膜电极4 ， 膜电极4布置在阴极板3和阳极板1之间，冷却极板2布置在阳极板1和阴 极板3之间。燃料进料及排料主通道7、冷却液、冷却气进料及排料主通道 8、和氧化剂进料及排料主通道9贯穿各极板。下面结合附图1 6对本实施 例中的各极板结构进行详细说明。
本实施例中，各极板的进料或排料主通道通孔通过异位通孔与各自极板 上的流道相连通，异位通孔贯穿极板，主通道通孔与异位通孔的连接通道和 极板上的流道分别布置在极板的两个侧面上，这样可以省去过桥片结构。
阳极板的结构如图l、图2所示。图1为阳极极板A面1A的连通异位通 孔供料结构示意图，在阳极板的A面布置有密封垫密封槽4、阳极极板流道5 、 以及燃料进料及排料异位通孔6 。
图2为阳极极板B面1B的连通异位通孔供料结构示意图，在B面布置有 燃料进料及排料主通道7与燃料进料及排料异位通孔6的连接通道11，冷却 气、冷却液的主通道8与冷却气、冷却液进料及排料异位通孔12的连接通道 IO也布置在阳极极板的B面上。燃料进料及排料异位通孔6贯穿阳极板，其 一端通过连接通道11与燃料进料及排料主通道7相连通，另一端与阳极板流 道5相连通。
燃料由燃料进料及排料主通道7经连接通道11进入阳极极板流道5，并 经另一侧的燃料进料及排料主通道通孔7排出。
冷却极板的结构如图3、图4所示。图3为冷却极板A面2A的连通异位 通孔供料结构示意图，该面布置有冷却液、冷却气进料及排料异位通孔12。
图4为冷却极板B面2B的连通异位通孔供料结构示意图，该面布置有密 封垫密封槽4，冷却极板冷却液、冷却气进料异位通孔12，冷却极板冷却液、 冷却气流道13，氧化剂进料主通道与氧化剂进料异位通孔的连接通道14。冷 却液、冷却气进料及排料异位通孔12贯穿冷却极板，其一端通过布置在阳极 板上的连接通道10与冷却气、冷却液的主通道8相连通，另一端与布置在冷 却极板上的冷却液、冷却气流道13相连通。冷却气或冷却液依次经过冷却气进料及排料主通道通孔8 、布置在阳极 板上的冷却气、冷却液的主通道与异位通孔的连接通道10、冷却极板冷却液、 冷却气进料及排料异位通孔12，进入冷却极板冷却液、冷却气流道13，然后 由另一侧的冷却气进料及排料主通道通孔8排出。
阴极极板的结构如图5、图6所示。图5是阴极极板A面3A的连通异位 通孔供料结构示意图，该面上布置有氧化剂进料异位通孔15。
图6是阴极极板B面3B的连通异位通孔供料结构示意图，布置有密封垫 密封槽4，氧化剂进料异位通孔15，氧化剂流道16。
氧化剂依次经过氧化剂进料及排料主通道通孔9、布置在冷却极板上的氧 化剂进料主通道与氧化剂进料异位通孔的连接通道14、氧化剂进料异位通孔 15，进入氧化剂流道16，然后由另一侧的氧化剂进料及排料主通道通孔9排 出。
本实施例中的异位通孔采用圆形通孔，异位通孔的形状也可以为椭圆形、 方形、长方形、三角形、蜂巢形、菱形或多边形。采用阴极、阳极及冷却水 碳板厚度3mm，其中，阳极板燃料进料流道的宽与高的尺寸分别为lmm和2mm; 阴极进料流道的宽与高的尺寸分别为2mm和2mm;冷却板进料流道的宽与高的 尺寸分别为2mm和2mm。阴极及阳极板的进料异位连接通道的流道数与相应的 阴极及阳极板的流道数相同。阳极板采用两进两出流道设计，阴极板采用三 进三出流道设计，冷却板采用贯通式流道设计。膜电极面积lOOcni2。燃料气 为氢气，氧化剂为空气，冷却剂为水。单电池在80。C，气体压力2atm，阴极 和阳极100%加湿的条件下，在0.6V时功率达到IIOW，与未采用异位通孔进 料结构设计的碳板所组装的单电池性能相当。当燃料为20%甲醇，氧化剂为氧 气，冷却剂为水。单电池在90。C，气体压力latm，在0. 4V时功率达到20W，
与未采用异位通孔进料结构设计的碳板所组装的单电池性能相当。 实施例2
本实施例与实施例l的结构基本相同，不同指出仅在于冷却气、冷却
液进料及排料主通道与异位通孔的连接通道io布置在冷却极板上，并且连接通道10和冷却液、冷却气流道13分别位于冷却极板相对的两个侧面上。阳 极极板上的进料或排料主通道与该极板上异位通孔的连接通道，布置在与阳 极板相邻的极板上，并且该连接通道在该极板流道的另一侧。 实施例3
本实施例与实施例1的结构基本相同，不同指出仅在于氧化剂进料主 通道与氧化剂进料异位通孔的连接通道14布置在阴极极板上，并且连接通道
14和氧化剂流道16分别位于阴极极板相对的两个侧面上。 实施例4
按照附图l，图2，图5，图6结构设计燃料电池阴极、阳极进料孔结构， 采用空气冷却，冷却气碳板采用直通式结构，通孔采用圆形通孔，阴极、阳 极碳板厚度3mm，其中，阳极板燃料进气流道的宽与高的尺寸分别为lmm和 2皿；阴极进气流道的宽与高的尺寸分别为2mm和2mm;阴极及阳极板的进气 异位连接通道的流道数与相应的阴极及阳极板的流道数相同。阳极板采用两 进两出流道设计，阴极板采用四进四出流道设计。膜电极面积50cm2。燃料气 为氢气，氧化剂为空气，冷却气为空气。单电池在50。C，阴极和阳极无外加 湿的条件下，气体压力0.5atm，在0. 6V时功率达到20W，与未采用异位通孔
进料结构设计的碳板所组装的单电池性能相当。 实施例5
按照附图1至附图6结构设计燃料电池阴极、阳极及冷却水碳板的进料 孔结构，按照附图7组装电池，通孔采用圆形通孔，阴极、阳极及冷却水碳 板厚度3mm，其中，阳极板燃料进气通道的宽与高的尺寸分别为lnrai和lmm; 阴极进气通道的宽与高的尺寸分别为1. 5mm和1. 5mm;冷却水板进水通道的宽 与高的尺寸分别为2mm和2mm。阴极及阳极板的进气异位连接通道的流道数与 相应的阴极及阳极板的流道数相同。阳极板采用两进两出流道设计，阴极板 采用三进三出流道设计，冷却水板采用贯通式流道设计。膜电极面积100cm2。 燃料气为氢气，氧化剂为空气，冷却剂为水。单电池在80。C，气体压力2atm， 阴极和阳极100%加湿的条件下，在0. 6V时功率达到105W，与未采用异位通孔进料结构设计的碳板所组装的单电池性能相当。
实施例6
按照附图l，图2，图5，图6结构设计燃料电池阴极、阳极进料孔结构， 采用空气冷却，冷却气碳板采用直通式结构，通孔采用圆形通孔，阴极、阳 极碳板厚度3ram，其中，阳极板燃料进气通道的宽与高的尺寸分别为lmm和 2mm;阴极进气通道的宽与高的尺寸分别为2mm和2mm;阴极及阳极板的进气 异位连接通道的流道数均为l。阳极板采用两进两出流道设计，阴极板采用三 进三出流道设计。膜电极面积50cm2。燃料气为氢气，氧化剂为空气，冷却剂 为空气。单电池在50T，阴极和阳极无外加湿的条件下，气体压力0.5atm， 在0. 6V时功率达到22W，与未采用异位通孔进料结构设计的碳板所组装的单 电池性能相当。
实施例7
按照附图l，图2，图5，图6结构设计燃料电池阴极、阳极进料孔结构， 采用空气冷却，冷却气碳板采用直通式结构，通孔采用圆形通孔，阴极、阳 极碳板厚度3mm，其中，阳极板燃料进气通道的宽与高的尺寸分别为lmm和 2mm;阴极进气通道的宽与高的尺寸分别为2mm和2mm;阳极板的进气异位连 接通道的流道数与异位通孔数为1。阳极板采用两进两出流道设计，阴极板为 敞开直通式结构流道设计，由风机直接送气。膜电极面积50cm2。燃料气为氢 气，氧化剂为空气，冷却剂为空气。单电池在50。C，阴极和阳极无外加湿的 条件下，气体压力常压，在0. 6V时功率达到20W，与未采用异位通孔进料结 构设计的碳板所组装的单电池性能相当。
权利要求
1、燃料电池双极板，其特征在于贯穿阳极板、阴极板和冷却极板的进料或排料主通道分别通过异位通孔与各自极板上的流道相连通，具体为异位通孔贯穿极板，其一端与进料或排料主通道相连通，另一端与极板上的流道相连通。
2、 根据权利要求l所述的燃料电池双极板，其特征在于冷却极板上的进料 或排料主通道与该极板上异位通孔的连接通道布置在与其相邻的极板上，或 者布置在该冷却极板上与冷却流道相对的侧面上。
3、 根据权利要求l所述的燃料电池双极板，其特征在于阴极极板上的迸料 或排料主通道与该极板上异位通孔相连通的通道布置在与其相邻的极板上， 或者布置在该阴极板上与阴极流道相对的侧面上。
4、 根据权利要求l所述的燃料电池双极板，其特征在于阳极极板上的进料 或排料主通道与该极板上异位通孔相连通的通道布置在与其相邻的极板上， 或者布置在该阳极板上与阳极流道相对的侧面上。
5、 根据权利要求l所述的燃料电池双极板，其特征在于所述的异位通孔的 截面形状为圆形、椭圆形、方形、长方形、三角形、蜂巢形、菱形或多边形。
6、 根据权利要求l所述的燃料电池双极板，其特征在于所述的各极板上的 流道的深度均为极板厚度的4/5至1/10。
7、 根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于所述的各极板上的流道的深度为0.2 3.0mm，流道的宽度为0.2 3.0mm。
8、 根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于所述的各极板上的 流道的深度为为0.3 2.5mm，流道的宽度为0.3 2.5mm。
全文摘要
本发明涉及一种燃料电池极板，属于燃料电池领域。贯穿阳极板、阴极板和冷却极板的进料或排料主通道分别通过异位通孔与各自极板上的流道相连通，具体为异位通孔贯穿极板，其一端与主进料或排料通道相连通，另一端与极板上的流道相连通。本发明的极板可用于制作小功率至大功率不同流场结构的燃料电池，并可以提高燃料电池膜电极使用寿命，适合燃料电池规模化生产。
文档编号H01M4/86GK101414683SQ20081022534
公开日2009年4月22日 申请日期2008年10月31日 优先权日2008年10月31日
发明者兵 曹, 蓉 曾, 李培金 申请人:北京化工大学