专利名称：质子交换膜燃料电池的双极板的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池技术，特别提供了一种质子交换膜燃料电池的双极板结构。
燃料电池是一种将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。它的发电方式与常规化学电源一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料(如氢等)的氧化过程，阴极催化氧化剂(如氧等)的还原过程，导电离子在阴、阳极间的电解质内迁移，电子通过外电路作功并构成总的电的回路。在电池内，化学能向电能的转化过程等温地进行，即在燃料电池内，可在其操作温度下利用反应的自由能。但是，燃料电池的工作方式又与常规的化学电源不同，它的燃料和氧化剂并非贮存在电池内，而是贮存在电池外部的贮罐内。当电池工作时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，同时排出反应产物；并且还要排出废热，以维持电池工作温度的恒定。燃料电池本身只决定输出功率的大小，而贮存的能量则由燃料和氧化剂的贮罐容量决定。自然料电池发明以来，人们已开发出碱性、磷酸型、质子交换膜型、熔融碳酸盐型和高温固体氧化物型等多种燃料电池。其中高比功率、可室温起动、快速启动的质子交换膜型燃料电池的能量转化效率已达50％，它是电动车、潜艇、野外战地等多方面的优选可移动电源。国外对各种动力电池进行的综合评定表明，能达到目前内燃机汽车水平的只有质子交换膜燃料电池。正是优良的应用前景和电解质膜的进步促进了质子交换膜燃料电池的发展。自本世纪八十年代以来，包括美国、加拿大、日本等许多发达国家均投巨资开发这一技术。目前，除将该技术进一步开发、力争投放市场外，尚有许多技术难点尚需进行深入研究，其中包括电池组件双极板的流场结构、材料、加工成本等。本专利即为解决此问题而作出的一项发明。国外对此已作过不少工作。文献[1]USP 5,300,370 Apr.5，1994采用薄片迭合而成的流畅板作双极板构成质子交换膜燃料电池。该流场板分为三层，中间为导电流分隔板，两边分别置有2片花纹状沟槽的导流板。这两种板均以石墨或石墨箔制作，也可用金属铌、镁、铜以及金与铂制作，取其导电特性。导电流分隔板为不透气液的片状板。花纹状沟槽的导流板为开有条形口作通道的片状板，进出口之间至少有一条通道，并且其通道可以是连通的，也可是不连通的。不连通时，反应气由通道相隔的平板面与电催化剂层之间的缝隙间通过。花纹状沟槽的导流板可以由冲压、铣或模压来加工。文献[2]USP 4,826,741 May.2，1989的双极板结构较复杂，先以一片不透气而导电的薄板与亲水而透液的元件压紧，再与气体分配板配合。两片气体分配板之间插入三合一(EMA)电极组件。气体分配板朝向电极一面加工有沟槽。这些分配板均以多孔石黑制作。文献[3]USP 5,382,478 Jan.17，1995所提供的图形表明该电池采用类似于文献[1]的气体流场板，但其沟槽为连续的，且为多通道并联。上述文献均存在一个共同的问题尚未解决即气体通道进气处与出气处均为一样，使反应气在电极表面分配不均匀，无法获得催化层的充分利用，且进气量在电极工作时依其长度而逐渐消耗，各处气流速度不一样，尤其是尾气处，气体已明显消耗，而通道依旧，使气体传质处于不利状态，并且加工费用高，导致电池成本增加。
本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池的双极板结构，其可以提高反应气的利用率，促进电极表面的传质，从而提高电池性能，并且加工容易、制造费用较低。
本发明提供了一种质子交换膜燃料电池的双极板，由三层薄金属板构成，中间为导电流不透气液的分隔板，两边分别置有带条状沟槽的导流板，其特征在于导流板上的条状沟槽由气体入口到气体出口是连续的；并且沟槽之间逐极并接，使得沟槽的横截面积由气体入口到气体出口逐级衰减，即并串联方式；条状沟槽占整个工作面积的1/2～4/5。
此外，本发明中分隔板和导流板最好结合为一体。
本发明所提供的双极板可以有下述两种具体形式一、导流板上的条状沟槽第一组8条并联，第二组4条并联，第三组2条并联，三组之间串联。
二、导流板上的条状沟槽第一组4条并联，第二组2条并联，两组之间串联。
总之，本发明具有下述特点1.本发明以双极板两侧流场板上气体通道的并串联方式进行反应气的分配，使电极表面各处均可得到足够的气体供应。
2.由于并串联气道的实施，使电极各处气流均处于湍流状态，促进了电极表面传质的进行，提高了电池的性能。
3.由于本发明促进了反应气的充分利用，减少了尾气排放，节约了反应气的供应，提高了反应气的利用率。
4.并串联的气道设计使气体在通道中的速度始终如一，持续的湍流促进了氧化剂侧水的排出。
5.采用线切割或电火花法加工流场板通道，使电池加工得以大批量生产，制造费用降低。
下面结合附图通过实施例详述本发明。
附
图1为双极板截面剖示图。
附图2为双极板的空气流场板侧结构示意图。
附图3为双极板的氢气流场板侧结构示意图。
附图4为双极板的氧气流场板侧结构示意图。
附图5为双极板的氢气流场板侧结构示意图。
附图6为电池组性能图。
实施例11.采用三层由316#不锈钢板制备的双极板(如图1)，工作面积为135cm2，工作面积的宽长比为黄金分割比例0.618，中间一层为双极板的导电流分隔板1，厚0.3mm，两边分别为0.5mm的空气和氢气流场板2、3，以线切割法加工出气体流场板1再与分隔板结合为一体制成双极板。空气流场板侧如图2所示，4为空气进口，5为空气出口，6为氢气进口，7为氢气出口，条状沟槽宽为1mm，梗为0.4mm，图中未表明槽及梗的宽度，在空气进口4处为8空气通道并联进入，到1/2处串接为4通道，至3/4处串接2通道，直到空气出口5处。图3为氢气流场板侧结构，其中4为空气进口，5为空气出口，6为氢气进口，7为氢气出口，氢气进口6处并联进入处为4通道，至中部串接为2通道并联，直到氢气出口7处，由氢气出口7排出。
2.采用Dupont 117膜，两侧分别加置多孔气体电极，Pt/C催化剂，Pt担量为0.4mg/cm2，组装出8对电池。
3.电池运行时，入口设在上端。温度80℃，H2/空气压力分别为0.35/0.4 MPa。H2/空气尾气排放量均为化学计量的1.15倍/2倍时，进出口压力差分别为0.012/0.015MPa。电流密度400mA/cm2，电池输出电压6V，平均每个单电池0.75V。
实施例21.采用三层薄1Cr18Ni9Ti不锈钢板材制备双极板(参见图1)，工作面积为135cm2，宽长比按黄金分割比例0.618，三层以钎焊方式焊接成一体，中间层为导电流分隔板1，0.5mm厚，两面氧气和氢气流场板2、3亦为0.5mm厚，以电火花法加工条状通道。沟槽宽度为1.0mm，梗为0.35mm。氢气流场板结构与图2相同(见图5)，氧气进口4，氧气出口5，氢气进口为6，氢气出口为7。所不同的是氢气进口6为8通道并联进入，至1/2处串接4通道并联，至3/4处串接2通道并联至出口处，由氢气出孔7排出。氧气流场板示于图4，其中4为氧气进口，5为氧气出口，氧气进口4处16通道并联进入，1/3处串接8通道并联，2/3处改串按4通道并联，1/6处改串接2通道并联接至出口处，由出口5排出。
2.Dupont 117膜两侧置有Pt/C电极，Pt担量为0.4mg/cm2，组装出35对电池组。
3.温度80℃。H2/O2进口压力0.35/0.4MPa，进出口压力差分别为0.020/0.018MPa。H2/O2尾气排放量分别为化学计量的1.15倍/2倍。电池组性能见图7。
权利要求
1.一种质子交换膜燃料电池的双极板，由三层薄金属板构成，中间为导电流不透气液的分隔板，两边分别置有带条状沟槽的导流板，其特征在于导流板上的条状沟槽由气体入口到气体出口是连续的；并且沟槽之间逐极并接，使得沟槽的横截面积由气体入口到气体出口逐级衰减；条状沟槽占整个工作面积的1/2～4/5。
2.按权利要求1、2所述质子交换膜燃料电池的双极板，其特征在于导流板上的条状沟槽第一组8条并联，第二组4条并联，第三组2条并联，三组之间串联。
3.按权利要求1、2所述质子交换膜燃料电池的双极板，其特征在于导流板上的条状沟槽第一组4条并联，第二组2条并联，两组之间串联。
4.按权利要求1所述质子交换膜燃料电池的双极板，其特征在于分隔板和导流板结合为一体。
全文摘要
一种质子交换膜燃料电池的双极板,由三层薄金属板构成,中间为导电流不透气液的分隔板,两边分别置有带条状沟槽的导流板,其特征在于:导流板上的条状沟槽由气体入口到气体出口是连续的;并且沟槽之间逐极并接,使得沟槽的横截面积由气体入口到气体出口逐级衰减;条状沟槽占整个工作面积的1/2～4/5。本发明可以提高反应气的利用率,促进电极表面的传质,从而提高电池性能,并且加工容易、制造费用较低。
文档编号H01M4/94GK1242614SQ98114178
公开日2000年1月26日 申请日期1998年7月22日 优先权日1998年7月22日
发明者衣宝廉, 张恩浚, 韩明, 曲天锡, 王德和 申请人:中国科学院大连化学物理研究所