專利名稱：一種高機械強度的燃料電池導(dǎo)流極板及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及一種高機械強度的燃料電池導(dǎo)流極板及其制造方法。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)浼把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導(dǎo)電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細(xì)小分散的引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)發(fā)應(yīng)過程中生成的電子，通過外電路引出，構(gòu)成電流回路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質(zhì)子交換膜，到達(dá)膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負(fù)離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質(zhì)子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負(fù)離子，并與陽極區(qū)遷移過來的氫正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達(dá)
陽極反應(yīng)陰極反應(yīng)在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導(dǎo)電的極板中間，每塊導(dǎo)流極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機械銑刻，形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)流極板可以上金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導(dǎo)流極板上的流體孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導(dǎo)流板與陰極氧化劑的導(dǎo)流板。這些導(dǎo)流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導(dǎo)流板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進(jìn)入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通?？赏ㄟ^直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進(jìn)出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池組進(jìn)行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進(jìn)出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
質(zhì)子交換膜燃料電池的用途十分廣泛，可以用作一切車、船等運載工具的動力系統(tǒng)，也可以作為發(fā)電系統(tǒng)，用作地面固定式發(fā)電站及可移動電源等。
目前，質(zhì)子交換膜燃料電池的造價較高，主要是構(gòu)成燃料電池的某些關(guān)鍵部件材料價格較高。質(zhì)子交換膜燃料電池中的導(dǎo)流極板是燃料電池中最關(guān)鍵的部件之一，其價格對整個燃料電池的造價產(chǎn)生決定性的影響。
用作質(zhì)子交換膜電池中的導(dǎo)流極板材料要求較高，主要有以下要求(1)有一定的機械強度及硬度，不易碎裂、破損；(2)優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱體；(3)容易加工成導(dǎo)流極板上的導(dǎo)流槽形狀與導(dǎo)流孔；(4)燃料電池長期工作時，不會產(chǎn)生對電池造成污染或本身受到腐蝕變質(zhì)。
目前能完全符合上述要求的材料不多，只有少數(shù)價格昂貴的材料，例如優(yōu)質(zhì)純石墨板材料、優(yōu)質(zhì)鈦合金板材料、鍍金或特種金屬板等可以用作質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)流板材料。但這些材料的價格昂貴，而且導(dǎo)流槽、導(dǎo)流孔加工時又昂貴，導(dǎo)致整個燃料電池的造價居高不下，嚴(yán)重妨礙了燃料電池產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。
為了降低質(zhì)子交換膜燃料電池導(dǎo)流板材料的成本，目前有大量的專利申請旨在找到相應(yīng)的廉價替代材料，這些專利綜合起來主要有以下幾類(1)采用廉價金屬板，如不銹鋼板等，再進(jìn)行表面改性處理。例如中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所申請的專利“用于質(zhì)子交換膜燃料電池組的機加工金屬雙極板”(專利號99113159.2)。(2)采用石墨粉加粘接樹脂。例如熱固性樹脂，酚醛樹脂等熱壓成復(fù)合板材。(3)采用軟石墨板進(jìn)行模壓成型，然后用樹脂浸漬處理后硬化成雙極板。例如US Patent 5,521,018所述的方法就是利用軟石墨板進(jìn)行模壓成型的。(4)上海神力科技公司的專利“一種可用作質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)流極板”(實用新型專利號03231865.0，發(fā)明專利號03129070.1)，該專利公開了一種可用作質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)流極板，包括設(shè)置在正、反面的導(dǎo)空氣流槽面、導(dǎo)氫氣流槽面，以及設(shè)置在極板兩端的進(jìn)出導(dǎo)空氣流孔、進(jìn)出導(dǎo)氫氣流孔，其特征在于，還包括設(shè)置在上述導(dǎo)空氣流槽面與導(dǎo)氫氣流槽面之間的導(dǎo)冷卻流體通道，以及設(shè)置在該通道兩端的進(jìn)出導(dǎo)冷卻流體孔；所述的導(dǎo)冷卻流體通道包括具有導(dǎo)冷卻流體功能的加強網(wǎng)，該加強網(wǎng)的縱向線為導(dǎo)冷卻流體的空心細(xì)管，橫向線為連接各空心細(xì)管的加強條，該加強條與空心細(xì)管的厚度一致，所述的空心細(xì)管的上下兩端分別與進(jìn)出導(dǎo)冷卻流體孔連通。
以上現(xiàn)有技術(shù)存在如下缺陷(1)采用金屬板，如不銹鋼、鋁等廉價金屬板表面改性處理難度高，用作質(zhì)子交換膜燃料電池中的導(dǎo)流極板時，長時間運行后表面性能下降，如電阻增加或抗腐蝕性能下降，對電極造成污染。(2)用石墨粉與樹脂一次成型模壓導(dǎo)流極板，雖然技術(shù)上已較成熟，但目前要求燃料電池堆要有很高的功率密度，一種提高電堆的功率密度的主要方法是采用超薄型的導(dǎo)流極板，使這種一次成型模壓出來的超薄型導(dǎo)流極板機械強度大大降低。在用作車載動力系統(tǒng)時，由于振動極易造成導(dǎo)流極板碎裂。(3)采用軟石墨板一次成型模壓成導(dǎo)流極板，再用樹脂浸漬硬化處理技術(shù)也同樣有與第(2)點相似的技術(shù)缺陷，在用作超薄型導(dǎo)流極板時，應(yīng)用于燃料電池發(fā)動機或移動式電源時，由于振動極易造成導(dǎo)流極板碎裂。(4)采用上海神力科技公司專利“一種可用作質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)流極板”方法，在制造工藝上較麻煩，該專利技術(shù)必須先制作有導(dǎo)冷卻流體功能的加強網(wǎng)，制作的技術(shù)難度較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種重量輕、導(dǎo)電性性能好、長期運行對質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)o毒害與污染、價格低廉的高機械強度的燃料電池導(dǎo)流極板及其制造方法。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種高機械強度的燃料電池導(dǎo)流極板，包括設(shè)置在該導(dǎo)流極板正反面上的導(dǎo)空氣流場，或?qū)錃饬鲌?，或?qū)Ю鋮s流體流場，以及設(shè)置在該導(dǎo)流極板上的各流體的進(jìn)出流體口，一般是氫氣進(jìn)、空氣進(jìn)、冷卻流體進(jìn)，氫氣出、空氣出、冷卻流體出共六個流體進(jìn)出口；該導(dǎo)流極板既可以是正反面分別是導(dǎo)空氣流場或?qū)錃饬鲌龅碾p極板，也可以是正面是導(dǎo)空氣流場或氫氣流場，反面是導(dǎo)冷卻流體場的導(dǎo)流極板；其特征在于，所述的導(dǎo)流極板采用石墨粉加粘接樹脂通過模具一次性熱壓成型制得，該導(dǎo)流極板分為二個區(qū)域，中間為活性導(dǎo)電區(qū)域，周邊為高機械強度的非活性區(qū)域，所述的活性導(dǎo)電區(qū)域采用石墨粉以及有利于該石墨粉導(dǎo)電的熱固性樹脂為原料，所述的非活性導(dǎo)電區(qū)域采用石墨粉以及有利于提高機械強度的熱固性樹脂為原料。
所述的活性導(dǎo)電區(qū)域的原料中石墨粉的比例高于有利于該石墨粉導(dǎo)電的熱固性樹脂。
所述的非活性導(dǎo)電區(qū)域的原料中石墨粉的比例低于有利于提高機械強度的熱固性樹脂。
所述的有利于石墨粉導(dǎo)電的熱固性樹脂為馬來酸酐接枝的樹脂。
所述的有利于提高機械強度的熱固性樹脂為酚醛樹脂或環(huán)氧樹脂。
所述的活性導(dǎo)電區(qū)域還可通過絕緣體將其等分為至少二塊互相絕緣分隔的活性區(qū)。
所述的絕緣體包括塑料樹脂或橡膠。
一種高機械強度的燃料電池導(dǎo)流極板的制造方法，其特征在于，所述的導(dǎo)流極板采用石墨粉加粘接樹脂通過模具一次性熱壓成型制得，該導(dǎo)流極板分為二個區(qū)域，中間為活性導(dǎo)電區(qū)域，周邊為高機械強度的非活性區(qū)域，上述二個區(qū)域的原料采用石墨粉與不同的粘結(jié)樹脂結(jié)合，或者采用石墨粉與相同的粘結(jié)樹脂按不同的比例結(jié)合，所述的熱壓成型的溫度為100℃～400℃。
這些經(jīng)過模具高溫(100℃～400℃)一次性熱壓成型的燃料電池導(dǎo)流極板明顯分為二個或數(shù)個區(qū)域，分成二個區(qū)域情況(如圖1、圖2)主要是導(dǎo)流極板活性導(dǎo)電區(qū)域，與導(dǎo)流板非活性、非導(dǎo)電加強區(qū)域。導(dǎo)流極板活性的導(dǎo)電區(qū)域內(nèi)的石墨粉與粘接樹脂配料上主要是達(dá)到高導(dǎo)電性，與防電化腐蝕的目的，而非活性、非導(dǎo)電加強區(qū)域內(nèi)的石墨粉與粘接樹脂配料上主要是達(dá)到高機械強度目的，可以允許導(dǎo)電性差，甚至絕緣。在配料上，既可以增加樹脂比例，也可以用于活性區(qū)域不同的粘接樹脂，以強化機械強度。


圖1a為本發(fā)明實施例1導(dǎo)流雙極板的導(dǎo)電活性區(qū)域與非活性區(qū)域的結(jié)構(gòu)示意圖；圖1b為本發(fā)明實施例1導(dǎo)流雙極板的導(dǎo)空氣流場的結(jié)構(gòu)示意圖；圖1c為本發(fā)明實施例1導(dǎo)流雙極板的導(dǎo)氫氣流場的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2a為本發(fā)明實施例2導(dǎo)流雙極板的導(dǎo)電活性區(qū)域與非活性區(qū)域的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2b為本發(fā)明實施例2導(dǎo)流雙極板的導(dǎo)空氣流場的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2c為本發(fā)明實施例2導(dǎo)流雙極板的導(dǎo)氫氣流場的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3a為本發(fā)明實施例3導(dǎo)流雙極板的導(dǎo)電活性區(qū)域與非活性區(qū)域的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3b為本發(fā)明實施例3導(dǎo)流雙極板的導(dǎo)空氣流場的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
經(jīng)過模具高溫一次性熱壓成型的燃料電池導(dǎo)流極板，分二個區(qū)域，中間為活性導(dǎo)電區(qū)域，周邊為高機械強度的開設(shè)密封槽及六個導(dǎo)流流體孔的非活性區(qū)域。
實施例1如圖1a、圖1b、圖1c所示，將高純石墨粉與不同類型的粘接樹脂調(diào)配好二種漿料A、B；漿料A中的石墨粉比例較高，而且采用有利于石墨粉導(dǎo)電的熱固性樹脂，如馬來酸酐等，而漿料B中的石墨粉比例較低，而且采用有利于提高機械強度的熱固性樹脂，如酚醛、環(huán)氧樹脂等。將漿料A放入鋼模具的活性中央?yún)^(qū)域，將漿料B放入鋼模具的周邊區(qū)域，并將二個鋼模具合模在壓機上高溫100～400℃經(jīng)程序化升溫，壓模成形制得導(dǎo)流雙極板。該導(dǎo)流雙極板結(jié)構(gòu)包括空氣進(jìn)導(dǎo)流孔1，空氣出導(dǎo)流孔1’，冷卻流體進(jìn)導(dǎo)流孔2，冷卻流體出導(dǎo)流孔2’，氫氣進(jìn)導(dǎo)流孔3，氫氣出導(dǎo)流孔3’。
實施例2如圖2a、圖2b、圖2c所示，制作步驟同實施例1，但用不同模具，制得導(dǎo)流雙極板。該導(dǎo)流雙極板包括空氣進(jìn)導(dǎo)流孔1，空氣出導(dǎo)流孔1’，冷卻流體進(jìn)導(dǎo)流孔2，冷卻流體出導(dǎo)流孔2’，氫氣進(jìn)導(dǎo)流孔3，氫氣出導(dǎo)流孔3’。
實施例3如圖3a、圖3b所示，制作步驟同實施例1，但用不同模具，制得導(dǎo)流板，活性區(qū)域用絕緣樹脂或絕緣塑料片C分隔成為四個區(qū)域。該導(dǎo)流板包括空氣進(jìn)導(dǎo)流孔1，空氣出導(dǎo)流孔1’，冷卻流體進(jìn)導(dǎo)流孔2，冷卻流體出導(dǎo)流孔2’，氫氣進(jìn)導(dǎo)流孔3，氫氣出導(dǎo)流孔3’。
權(quán)利要求
1.一種高機械強度的燃料電池導(dǎo)流極板，包括設(shè)置在該導(dǎo)流極板正反面上的導(dǎo)空氣流場，或?qū)錃饬鲌?，或?qū)Ю鋮s流體流場，以及設(shè)置在該導(dǎo)流極板上的各流體的進(jìn)出流體口，一般是氫氣進(jìn)、空氣進(jìn)、冷卻流體進(jìn)，氫氣出、空氣出、冷卻流體出共六個流體進(jìn)出口；該導(dǎo)流極板既可以是正反面分別是導(dǎo)空氣流場或?qū)錃饬鲌龅碾p極板，也可以是正面是導(dǎo)空氣流場或氫氣流場，反面是導(dǎo)冷卻流體場的導(dǎo)流極板；其特征在于，所述的導(dǎo)流極板采用石墨粉加粘接樹脂通過模具一次性熱壓成型制得，該導(dǎo)流極板分為二個區(qū)域，中間為活性導(dǎo)電區(qū)域，周邊為高機械強度的非活性區(qū)域，所述的活性導(dǎo)電區(qū)域采用石墨粉以及有利于該石墨粉導(dǎo)電的熱固性樹脂為原料，所述的非活性導(dǎo)電區(qū)域采用石墨粉以及有利于提高機械強度的熱固性樹脂為原料。
2.如權(quán)利要求1所述的高機械強度的燃料電池導(dǎo)流極板，其特征在于，所述的活性導(dǎo)電區(qū)域的原料中石墨粉的比例高于有利于該石墨粉導(dǎo)電的熱固性樹脂。
3.如權(quán)利要求1所述的高機械強度的燃料電池導(dǎo)流極板，其特征在于，所述的非活性導(dǎo)電區(qū)域的原料中石墨粉的比例低于有利于提高機械強度的熱固性樹脂。
4.如權(quán)利要求1或2所述的高機械強度的燃料電池導(dǎo)流極板，其特征在于，所述的有利于石墨粉導(dǎo)電的熱固性樹脂為馬來酸酐接枝的樹脂。
5.如權(quán)利要求1或3所述的高機械強度的燃料電池導(dǎo)流極板，其特征在于，所述的有利于提高機械強度的熱固性樹脂為酚醛樹脂或環(huán)氧樹脂。
6.如權(quán)利要求1所述的高機械強度的燃料電池導(dǎo)流極板，其特征在于，所述的活性導(dǎo)電區(qū)域還可通過絕緣體將其等分為至少二塊互相絕緣分隔的活性區(qū)。
7.如權(quán)利要求6所述的高機械強度的燃料電池導(dǎo)流極板，其特征在于，所述的絕緣體包括塑料樹脂或橡膠。
8.一種高機械強度的燃料電池導(dǎo)流極板的制造方法，其特征在于，所述的導(dǎo)流極板采用石墨粉加粘接樹脂通過模具一次性熱壓成型制得，該導(dǎo)流極板分為二個區(qū)域，中間為活性導(dǎo)電區(qū)域，周邊為高機械強度的非活性區(qū)域，上述二個區(qū)域的原料采用石墨粉與不同的粘結(jié)樹脂結(jié)合，或者采用石墨粉與相同的粘結(jié)樹脂按不同的比例結(jié)合，所述的熱壓成型的溫度為100℃～400℃。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高機械強度的燃料電池導(dǎo)流極板及其制造方法，該導(dǎo)流極板分為二個區(qū)域，中間為活性導(dǎo)電區(qū)域，周邊為高機械強度的非活性區(qū)域，所述的活性導(dǎo)電區(qū)域采用石墨粉以及有利于該石墨粉導(dǎo)電的熱固性樹脂為原料，所述的非活性導(dǎo)電區(qū)域采用石墨粉以及有利于提高機械強度的熱固性樹脂為原料；該導(dǎo)流極板的制造方法包括采用石墨粉加粘接樹脂通過模具一次性熱壓成型制得，所述的熱壓成型的溫度為100℃～400℃。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有重量輕、導(dǎo)電性性能好、長期運行對質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)o毒害與污染、價格低廉以及高機械強度等優(yōu)點。
文檔編號H01M8/02GK1661834SQ200410016610
公開日2005年8月31日 申請日期2004年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月27日
發(fā)明者胡里清 申請人:上海神力科技有限公司