用于燃料电池的复合板及包含其的燃料电池电堆的制作方法

1.本实用新型涉及用于燃料电池的复合板，以及包含所述复合板的燃料电池电堆。更具体而言，本实用新型涉及以热塑性树脂材料和金属复合的燃料电池端板，以及包含该复合板的燃料电池电堆。


背景技术：

2.燃料电池电堆，例如质子交换膜燃料电池(pemfc)电堆，主要由膜电极、双极板、集流板、绝缘板、端板和紧固螺栓等组装而成。在工作过程中三种媒介，冷却液、氢气和氧气通过端板上的流体通道进入电堆内。媒介例如氢气和氧气进入电堆内，在膜电极两侧发生电化学反应。现有的燃料电池电堆是将上百片的电芯和两侧端板通过紧固件压合在一起而形成的。电堆两侧的端板和紧固螺栓对各电芯施加均匀的压力，以确保在双极板之间保持良好的接触和密闭性，避免氢气、冷却液外漏及各种媒介互窜。媒介例如氢气和氧气若在电堆里泄漏混合后会造成爆炸的危险。
3.现有燃料电池电堆的端板多采用不锈钢或铝合金材料通过铸压及数控机床(cnc)加工而成，并在金属表面镀上一层防腐蚀镀层，外加一块5～10mm的热固性材料制成的绝缘板。金属板的主要缺点：1)金属材料的密度大，重量较重，从而降低燃料电池电堆的功率及能量密度；2)金属材料会析出金属离子进入到电芯，导致电堆的绝缘性下降，破坏膜电极，大大降低燃料电池的性能和寿命；例如，发表于期刊int j energy res 2020；1-13上的文章“the synergetic effect of air pollutants and metal ions on performance of a 5kw proton exchange membrane fuel cell stack”指出金属板析出的金属离子会直接影响电池电堆的性能和寿命；3)即使在金属表面镀上防腐蚀镀层，在长期使用过程中，防腐蚀镀层会存在剥离脱落的问题；4)金属板通过螺栓紧固也会产生一定的形变，导致双极板的中心区域的接触力不足。
4.采用非金属工程塑料制作的端板，可以避免三种媒介例如冷却液、氢气和氧气与金属材质的接触，解决金属离子析出的问题。然而，非金属工程塑料制作的端板存在蠕变和应力松弛现象，在长期使用的条件下，无法保证为电芯提供恒定的夹紧力和均匀的面压力，从而无法保证电堆内的双极板保持良好的接触和各个流场通道的密闭性。
5.因此，需要不断开发一种新的具有良好刚度和强度、且蠕变和应力松弛小的电池端板以更好地适用于现代燃料电池的性能要求。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种用于燃料电池的复合板，包括：
7.热塑性塑料板、金属板以及设置在金属板和塑料板之间的弹性块，所述金属板和塑料板通过螺栓紧固在一起，其中塑料板设置有媒介的进出接口。
8.本实用新型还提供一种包含该复合板的燃料电池电堆
9.这样的复合板能够为燃料电池提供恒定的夹紧力，从而确保双极板和膜电极保持良好的接触，保证燃料电池电堆的稳定运行。
10.有益效果
11.本实用新型的以热塑性树脂材料和金属复合的电池端板能够隔绝媒介与金属材料的接触，解决了金属离子析出对电堆的污染所导致的电化学反应效率下降的问题，从而延长电堆的使用寿命。同时，复合板相比金属板能够降低重量，避免了繁杂的金属加工；媒介的接口与复合板中的塑料板一体成型，减少生产和装配流程，降低生产成本，在金属板和塑料板之间引入弹簧块能够弥补端板中心区域压合力不足，确保双极板和膜电极保持良好的接触压力。
附图说明
12.为了更清楚地说明本实用新型的实施例，下面将对实施例描述中所需要的附图作简单介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅是本实用新型的一些实施方案，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
13.图1为本实用新型的用于燃料电池的复合结构的前板的结构示意图。
14.图2为本实用新型的用于燃料电池的复合结构的后板的结构示意图。
15.图3为本实用新型的复合结构的前板中的塑料板的结构示意图。
16.图4为本实用新型的包含前板和后板的燃料电池电堆的结构示意图。
17.图5为在图4的基础上增加了金属支撑杆和蝶形弹簧的燃料电池电堆的结构示意图。
18.图6为现有技术的燃料电池电堆的结构示意图。
19.图7为现有技术的前板的结构示意图。
20.图8-1为对比例1的燃料电池电堆的偏移量测量点位置。
21.图8-2为实施例1的燃料电池电堆的偏移量测量点位置。
22.图8-3为实施例2的燃料电池电堆的偏移量测量点位置。
23.在图中的标识具有如下含义：
24.1.复合结构的前板中的塑料板
25.2.镶嵌金属螺母
26.3.蝶形弹簧
27.4.复合结构的前板中的金属板
28.5.螺丝
29.6.复合结构的后板中的塑料板
30.7.复合结构的后板中的金属板
31.8.金属垫片
32.9.螺栓杆
33.10.集流板
34.11.第一双极板
35.12.质子交换膜
36.13.第二双极板
37.14.金属支撑杆
38.15.小型蝶形弹簧
39.16.螺母
40.17.绝缘板
41.20.复合结构的前板
42.21.复合结构的后板
43.30.金属前端板组
44.31.金属后端板
45.32.金属前端板
46.33.输入氢气和氧气接口
47.34.输入冷却液接口
48.35.输出冷却液接口
49.36.输出氢气和氧气接口
50.37.现有技术的燃料电池电推的边缘测量点
51.38.现有技术的燃料电池电推的中心测量点
52.39.实施例1的燃料电池电推的边缘检测点
53.40.实施例1的燃料电池电推的中心测量点
54.41.实施例2的燃料电池电推的边缘检测点
55.42.实施例2的燃料电池电推的中心测量点。
具体实施方式
56.下文将结合本实用新型的附图，对本实用新型中的实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
57.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“内”、“外”、“左”、“右”、“上”、“下”、“横向”、“纵向”、“垂直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的构件或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“若干个”的含义是一个或多个。另外，术语“包括”及其任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
58.本实用新型提供了一种用于燃料电池的复合板，包括：
59.热塑性塑料板、金属板以及设置在金属板和塑料板之间的弹性块，所述金属板和塑料板通过若干个螺栓紧固在一起，其中塑料板设置有媒介的进出接口。
60.在本实用新型的一个具体实施方案中，所述热塑性塑料板由已知的材料制成，例如由选自聚苯硫醚(pps)、聚碳酸酯(pc)、聚丙烯(pp)、聚酰胺(pa)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(abs)、前述材料的玻纤增强材料或其共混物制成，优选由聚碳酸酯、聚碳酸酯共混物、玻纤增强的聚碳酸酯制成。
61.在本实用新型的一个具体实施方案中，所述塑料板的厚度为10mm～25mm。其长宽
可以根据需要确定。
62.在本实用新型的一个具体实施方案中，所述塑料板设置有氢气进出接口、氧气进出接口、冷却剂进出接口。所述塑料板与所述进出接口为一体成型的整体，例如通过注塑。塑料板采用一体化的接口设计并具有绝缘性，因此在应用于燃料电池电堆组装时不需要在前板、后板和集流板之间再设置绝缘板，使燃料电池电堆结构更简化，安装更方便，绝缘的同时也防止了流体长期经过端板引起腐蚀，避免流体带入金属离子对催化剂造成毒害作用。
63.在本实用新型的一个具体实施方案中，金属板具有通孔，所述通孔的形状和数量与塑料板上媒介的进出接口相适配。
64.在本实用新型中，当提及“适配”一词时，就形状而言，其是指金属板上通孔的横截面与塑料板上媒介的进出接口的横截面彼此对应，使得通孔与进出接口能接合在一起；就数量而言，其是指金属板上通孔的数量等于塑料板上媒介的进出接口的数量。
65.在本实用新型的一个具体实施方案中，所述金属板由已知的材料制成，例如由选自铝合金、钛合金或不锈钢的金属材料制成。可以采用此类板材的已有加工方法制得。
66.在本实用新型的一个具体实施方案中，所述金属板的厚度为10mm～20mm。其长宽可以根据需要确定，并优选与塑料板对应。
67.在本实用新型的一个具体实施方案中，所述弹性块的数量为若干个，例如，1个，2个或3个，优选3个。
68.在本实用新型的一个具体实施方案中，所述弹性块为蝶形弹簧，蝶形弹簧由不锈钢制成。蝶形弹簧可以弥补塑料材料蠕变和应力松弛现象带来的弊端。
69.在本实用新型的一个具体实施方案中，在金属板和塑料板之间设置1至4组蝶形弹簧，其中每组的数量为1个或2个。
70.在本实用新型的一个具体实施方案中，所述复合板的金属离子析出率＜15ppm。
71.本实用新型还提供一种燃料电池电堆，其包括如上所述的复合板作为前板。
72.在本实用新型的燃料电池电堆中，所述电堆还包括复合结构的后板，所述后板包括塑料板、金属板以及设置在金属板和塑料板之间的弹性块，所述金属板和塑料板通过螺栓紧固在一起。设置在金属板和塑料板之间的弹性块为蝶形弹簧。具体地，在金属板和塑料板之间设置1至4组蝶形弹簧，其中每组的数量为1个或2个。适用于前述作为前板的复合板中的塑料板或金属板的合成材料和厚度，同样适用于作为后板的复合板中的塑料板或金属板。
73.在本实用新型的燃料电池电堆中，前板和后板通过电堆两侧的螺栓杆与螺母拧紧来施加预紧力，压合集流板和数百片的电芯，其中电芯是由第一双极板、质子交换膜和第二双极板组成。
74.在本实用新型的一个具体的实施方案中，在螺栓杆外套有金属支撑杆，并且金属支撑杆的一端的端面与小型蝶形弹簧贴合，小型蝶形弹簧的另一面与金属垫片贴合。燃料电池电堆采用金属支撑杆和蝶形弹簧的组合的紧固方式，可以弥补热塑性工程塑料的蠕变和应力松弛现象，平衡和抵消金属板和塑料板的变形，减少端板组件的弯曲形变，使双极板上获得更均匀的平面压力以及长期稳定的夹紧力。蝶形弹簧可以帮助减少分布在电堆两侧8个螺栓杆施加的预紧力带来的端板形变。具体地，所述金属支撑杆的数量为若干个，例如4
至12个。所述小型蝶形弹簧共计有1至6组，其中每组的数量为1个或2个。
75.在本实用新型的一个优选实施方案中，在前板和集流板之间以及在后板和集流板之间不设置绝缘板。燃料电池电堆在不使用绝缘板的情形下，提高了其体积功率密度。
76.在本实用新型的一个具体的实施方案中，所述燃料电池电堆为质子交换膜燃料电池(pemfc)电堆。
77.以下结合附图，对本实用新型的具体实施方案作说明，但是，本实用新型不受这些具体实施方案的限制。
78.图1示例了本实用新型的用于燃料电池的复合结构的前板的结构示意图。如图1所示，复合结构的前板20包括塑料板1和金属板4，通过螺丝5与嵌在塑料板1上的螺母2相连接，并且在金属板4和塑料板1之间设置三组(共6个)蝶形弹簧3。
79.图2示例了本实用新型的用于燃料电池的复合结构的后板的结构示意图。如图2所示，复合结构的后板21包括塑料板6和金属板7，通过螺丝5与嵌在塑料板6上的螺母2相连接，并且在金属板7和塑料板6之间设置三组(共6个)蝶形弹簧3。
80.图3示例了本实用新型的复合结构的前板中的塑料板的结构示意图。
81.如图3所示，复合结构的前板20中的塑料板1上直接集合了氢气进出接口、氧气进出接口、冷却剂进出接口，共计六个接口。塑料板和接口通过注塑一体化成型，因此，媒介管路可以直接与端板对接，不需要在前板20、后板21和集流板10之间再设置绝缘板17。
82.图4示例了本实用新型的包含前板和后板的燃料电池电堆的结构示意图。如图4所示，燃料电池电堆侧面包括螺栓杆9与螺母16，用于将前板20和后板21之间拧紧来施加预紧力，压合集流板10和数百片的电芯，其中电芯是由第一双极板11、质子交换膜12和第二双极板13组成。即，复合结构的前板20和复合结构的后板21通过电堆两侧的螺栓杆9与螺母16拧紧来施加高的预紧力，压合两片集流板10和数百片的电芯，其中电芯是由第一双极板11、质子交换膜12和第二双极板13组成，施加在螺栓杆9上的预紧力使电堆内的双极板紧密的面接触。
83.图5示例了在图4的基础上增加了金属支撑杆和蝶形弹簧的燃料电池电堆的结构示意图。如图5所示，在螺栓杆9外套有金属支撑杆14(本身为空心的，下同)，并且金属支撑杆14一端的端面与小型蝶形弹簧15贴合，蝶形弹簧15的另一面与金属垫片8贴合，这种方式避免在塑件上有过高的应力集中。
84.图6示例了现有技术的燃料电池电堆的结构示意图。如图6所示，金属前端板组30和金属后端板31通过螺栓杆9与螺母16拧紧来施加高的预紧力，压合两片绝缘板17、两片集流板10和数百片的电芯在一起，其中电芯是由第一双极板11、质子交换膜12和第二双极板13组成，施加在螺栓杆9上的预紧力使电堆内的双极板紧密的面接触。螺栓杆位于电堆的两侧，在预紧力的作用下金属前端板组30和金属后端板31产生一定的弯曲形变。金属前端板上一共有6个进出口接头与媒介管路对接。氢气、氧气和冷却液三种媒介通过各个进出口进入电堆内，再通过每一片的双极板上的流道均匀分散在每一层。
85.图7示例了现有技术的金属前端板的结构示意图。如图7所示，现有技术的金属前端板32设置有输入氢气和氧气接口33、输入冷却液接口34、输出氢气和氧气接口36、输出冷却液接口35，总共6个进出接口。在现有技术的燃料电池电堆中，氢气、氧气和冷却液与金属板有直接的接触。
86.图8示例了分别针对对比例1、实施例1、实施例2的燃料电池电堆的偏移量测量点位置。
87.下面通过具体实施方式来进一步说明本实用新型，以下实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受下述实施例的限制。
88.对比例1
89.金属前端板
90.全金属的前端板32(如图7所示)由不锈钢s136制成，厚度为25mm，密度为7.8g/cm3。所述金属前端板32包含输入氢气和氧气接口33、输入冷却液接口34、输出氢气和氧气接口36、输出冷却液接口35。
91.金属后端板
92.全金属的后端板31由不锈钢s136制成，厚度为25mm，密度为7.8g/cm3。
93.包含金属板的燃料电池电堆
94.如图6所示，金属前端板组30和金属后端板31通过螺栓杆9与螺母16拧紧来施加高的预紧力，压合两片绝缘板17、两片集流板10和数百片的电芯在一起，其中电芯是由第一双极板11、质子交换膜12和第二双极板13组成，施加在螺栓杆9上的预紧力使电堆内的双极板紧密的面接触(如图6所示)。螺栓杆位于电堆的两侧，在预紧力的作用下金属前端板组30和金属后端板31产生一定的弯曲形变。金属前端板上一共有6个进出口接头与媒介管路对接。氢气、氧气和冷却液三种媒介通过各个进出口进入电堆内，再通过每一片的双极板上的流道均匀分散在每一层。在现有技术的燃料电池电堆中，氢气、氧气和冷却液与金属板有直接的接触。
95.实施例1
96.复合结构的前板
97.复合结构的前板20采用塑料和金属复合板(如图1所示)，其包含塑料板1和金属板4，通过螺丝5与嵌在塑料板1上的螺母2相连接，并且在金属板4和塑料板1之间设置三组(共6个)蝶形弹簧3。其中塑料板1由购自科思创的聚碳酸酯树脂注塑加工而制成，厚度为25mm；金属板由不锈钢s136制成，厚度为15mm。如图3所示，复合结构的前板20中的塑料板1上直接集合了氢气进出接口、氧气进出接口、冷却剂进出接口，共计六个接口。媒介管路可以直接与端板对接，不需要在前板20、后板21和集流板10之间再设置绝缘板17，使结构简化，安装更方便，绝缘的同时也防止了流体长期经过端板引起腐蚀，避免流体带入金属离子对催化剂造成毒害作用。
98.复合结构的后板
99.复合结构的后板21采用塑料和金属复合板(如图2所示)，其包含塑料板6和金属板7，通过螺丝5与嵌在塑料板6上的螺母2相连接，并且在金属板7和塑料板6之间设置三组(共6个)蝶形弹簧3。
100.包含复合板的燃料电池电堆
101.如图4所示，复合结构的前板20和复合结构的后板21通过电堆两侧的螺栓杆9与螺母16拧紧来施加高的预紧力，压合两片集流板10和数百片的电芯，其中电芯是由第一双极板11、质子交换膜12和第二双极板13组成，施加在螺栓杆9上的预紧力使电堆内的双极板紧密的面接触。
102.实施例2
103.本实施例的燃料电池电堆与发明例1的燃料电池电堆结构类似，不同之处在于在螺栓杆9外套有8个金属支撑杆14(由金属铝制成)，并且金属支撑杆14一端的端面与8个小型蝶形弹簧15贴合，蝶形弹簧15的另一面与金属垫片8贴合，这种方式避免在塑件上有过高的应力集中。
104.通过solidworks(达索系统，dassault systemes s.a)创建各个实施例1-2和对比例1的3d数模，然后在计算模拟软件abaqus(达索系统，dassault systemes s.a)中建立分析模型，根据实际电堆的工况设定约束条件，输入材料物理性能如表1，输入载荷条件，8个螺栓杆上施加5000n的预紧力，在电堆内的双极板上施加6720n的双向对外的载荷力，来模拟电堆内的工作气压和液压。蝶形弹簧的膨胀力为1473n。通过分析结构可以读取到中心偏移量和边缘的偏移量，测量点位置如图8所示。
105.测量金属离子析出率的方法为，成型非金属的拉伸样条或是金属样条，将其分别浸泡在独立盛有离子水中的密闭容器中，放入环境箱内，加热至100℃，持续1000小时后，分析浸泡溶液中所含金属离子的重量百分比。主要看al,fe,cu,cl,ca,ag,pd等元素的重量百分比。
106.表1.实施例和对比例的电池电堆的性能
[0107][0108]
从表1中可知，实施例1相比对比例1，复合结构的前板20相比金属前端板32减重明显，同时体积也更小。此外，复合结构的前板20中的塑料板能够隔绝媒介与金属材料的接触，使得复合结构的前板20的金属离子析出率＜15ppm。
[0109]
此外，实施例1中，复合结构的前板20中的塑料板采用一体化的接口设计并具有绝缘性，因此在应用于燃料电池电堆组装时不需要在前板20、后板21和集流板10之间再设置绝缘板17，使燃料电池电堆结构更简化，安装更方便，绝缘的同时也防止了流体长期经过端板引起腐蚀，避免流体带入金属离子对催化剂造成毒害作用。
[0110]
实施例2相比实施例1，在螺栓杆9外套有金属支撑杆14，并且金属支撑杆14的一端和金属垫片8之间使用小型蝶形弹簧15，端板的中心偏移量和边缘的偏移量都大幅变小了，甚至比金属板的中心偏移量和边缘的偏移量都要低。这主要是因为复合结构的前板20中的蝶形弹簧3可以弥补塑料材料蠕变和应力松弛现象带来的弊端，即，随着时间的推移，夹紧力变小的问题。蝶形弹簧15可以进一步帮助减少分布在电堆两侧8个螺栓杆9施加的预紧力带来的端板形变。
[0111]
以上描述了本实用新型的基本原理和示例性实施方案。本领域技术人员应了解到，本实用新型不受上述实施例的限制。以上描述只是为了说明本实用新型的目的。在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还可以有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本实用新型要求保护的范围内。