专利名称:便携式燃料电池极板的制作方法
技术领域：
本发明涉及便携式质子交换膜燃料电池及电池的双极板及流道。
背景技术：
燃料电池技术是将氢气和氧气在发生电化学反应时所产生的电能、热能和水予以利用的一种清洁的、可再生的能源技术。燃料电池根据电介质不同，可以分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池等。而质子交换膜燃料电池由于其功率密度大、工作温度低、电池结构简单、对压力变化不敏感等特点，已经在全球范围内得到了普遍的关注，其产品也逐渐进入市场。
质子交换膜燃料电池的电解质为质子交换膜，目前广泛使用的是杜邦公司生产的Nafion系列全氟磺酸膜。膜的作用是双重的，作为电解质提供氢离子通道，作为隔膜隔离两极反应气体。优化膜的离子和水传输性能及适当的水管理，是保证电池性能的关键。在隔膜的两侧，各有一层催化剂层。催化剂主要是由Pt/C组成，在催化层中再加入Nafion溶液，以增加质子传导性能以及催化层与电解质的接触性能。催化层是燃料电池气体区域。在催化层的两侧，各有一层气体扩散层，主要作用是作为催化层的支撑体、电池内部的导电、气体在电极表面的分布、反应产物的排出等。目前，扩散层的材料主要是碳纸、碳布或者金属网。扩散层的孔隙率、疏水特性、厚度以及组分对燃料电池性能有很大的影响。扩散层的这几个变量都是互相关联地影响燃料电池的性能。孔隙率大有利于气体的扩散，可是过大则气体分布不均、容易发生堵水现象。一般来说疏水性高较好，可是过高就会使孔分布不均、加工成本过高。电解质膜、催化层和气体扩散层共同组成膜电极(MEA)。
在膜电极的两侧，各有一块双极板，其作用是电流收集和传送、气体分布以及热管理。目前主要用石墨为材料，但是其价格高、密度大，而且由于石墨的脆性，不能做得很薄，增加了电堆的重量和体积。所以各研究者也在寻求石墨的替代品，比如导电塑料、不锈钢等。在双极板上，都刻有气体流道，目的是使反应气体能够均匀分布于整个电极表面。气体流道的形状很多，比较常见的是蛇行流道(见美国专利号6099984)。在双极板上还必须有气体输入通道，燃料电池外部反应气体通过气体输入通道，均匀分流到每个单电池的双极板；电池反应结束后，剩余的尾气要从各自的单电池进入气体排出通道，再排到燃料电池外部而排放或者进行循环利用，再次通过气体输入通道进入双极板的流道而参与反应。
一般的燃料电池，必须有一个压缩机(或空气泵、轴流风扇、离心风机)对燃料电池的阴极提供反应所需要的氧气(或空气)。同时，作为液体冷却系统，需要一个水泵为燃料电池的冷却提供必须的冷却液体；作为空气冷却系统，需要一个空气压缩机(或空气泵、轴流风扇、离心风机)为燃料电池的冷却提供必须的冷却空气。这样，流体系统复杂，机械部件多而故障率高，电池的体积和重量都较大。而将燃料电池作为便携式电源、移动电源，就要尽可能的简化燃料电池系统。本发明就是在设计上解决这个问题，冷却方式为空气冷却，使用同一个压缩机(或空气泵、轴流风扇、离心风机)为燃料电池提供冷却空气和反应空气或氧气。
发明内容本发明的目的是提出一种质子交换膜燃料电池双极板、流道及加工工艺方法，使得可以用同一个压缩机(或空气泵、轴流风扇、离心风机)为燃料电池提供冷却空气和反应空气/氧气，并可以根据温度和湿度控制反应空气/氧气和冷却空气的流量。这样可以简化燃料电池系统，增大燃料电池的体积比功率和重量比功率，并降低机械部件的故障率，降低燃料电池成本。尤其是适用于便携质子交换膜燃料电池的双极板流道。
本发明具体内容如下燃料电池用极板，在膜电极的两侧，各有一块双极板，用于电流收集、气体分布以及热管理；在双极板上，都刻有气体反应流道，并设有气体输入和输出通道，燃料电池外部反应气体通过气体输入通道，均匀分流到每个单电池的双极板，经过气体流道后通过气体输出通道排放到燃料电池外部；在双极板上，都刻有散热流道，用于电池散热介质的传输。
在所述的双极板的两侧，分别设有反应流道的开口和散热流道的开口。开口可以是矩形、椭圆行或其它形状。散热流道的开口截面积和反应流道的开口截面积的比例为100-200∶1。前述的散热流道可以是直通型、蛇行、波浪型或其它形状。前述的反应流道是有多个菱形、矩形或椭圆形的脊(台阶)的间隔构成的，这样可以保证极板的强度，使反应气体在电极表面能够均匀分布，反应产生的水能够顺利排出到电池外部。
本发明的改进还包括在所述的双极板一侧，设有散热流道的开口。在散热流道中，设有通孔，通孔可以是圆形、椭圆形、菱形或其它形状。反应气体随着散热气体进入散热流道，然后通过散热流道中的通孔进入反应面。这种双极板厚度可以减小，从而减小的电池的体积和重量。同时可以增加极板和电极的接触面积，使得接触电阻减小。反应气体通过通孔在电极表面形成漫流，能够顺利将电池产生的水排出，并能够降低反应气体进出口的压降，从而降低空气泵、轴流风扇或离心风机的成本。
在所述的双极板一侧，同时设有散热流道和反应通道的开口。散热流道的开口截面积和反应通道的开口截面积的比例为100-200∶1。在反应通道中，设有通孔，和双极板另一侧的反应流道相连。反应通道中的气体经过通孔进入背面的反应流道。反应流道可以是直通型、蛇型、波浪型或其它形状。反应流道和散热流道是垂直方向或近垂直方向，不能是平行方向。这样可以确保极板的强度，并达到反应气体和散热气体的均匀分布。在反应流道的出口，设有节气门，根据环境湿度以及电池的功率，自动调节节气门的大小，从而调节反应气体的流量。同时，可以通过调节空气泵、轴流风扇或离心风机的转速，从而控制电池的温度。
图1是本发明质子交换膜燃料电池阴极板的横截面图。
图2是阴极板的散热面。
图3A、图3B是阴极板的两种反应面的正面图。
图4是另一种阴极板的横截面图。
图5A、图5B分别是图4阴极板的散热面和反应面图。
图6是另一种阴极板的横截面图。
图7是图6阴极板的散热面。
图8是图6阴极板的反应面示意图具体实施方式
图1是质子交换膜燃料电池阴极板的截面图。图中，11是散热面，用来提供散热介质，如水、空气等。图21是极板的反应面，用于给电池提供电化学反应所需的空气或氧气。31是极板的主要部分，用于电池的电流收集，以及反应气体和散热介质的分离，其材料可以是石墨板、各种耐腐蚀金属板等。当介质气体从极板的截面流入时，由于31的隔离作用，将气体分成两部分，一部分流入散热面用作散热介质，一部分流入反应面用作反应空气或氧气。
图2是图1所示双极板散热面的正面图。图中41为流道的脊，宽度为0.5-2.5mm，流道的脊需和取电板接触，保证较低的接触电阻和良好的导热系数。51是流道的槽，槽的宽度为0.2-2.5mm，深度为0.3-2.0mm。槽的截面形状可以是矩形、椭圆形。A1为槽的入口，61为截流器。散热介质通过入口，在截流器的作用下产生湍流，以增大传热系数。然后通过B1流出极板。槽的深度可是均一的，也可以是不同的。
图3A是图1所示的阴极板的反应面正面图。图中42为反应流道的脊，宽度为0.5-2.5mm，流道的脊需和电极接触，保证较低的接触电阻和良好的导热系数。52是反应流道的槽，槽的宽度为0.2-2.5mm，深度为0.3-1.5mm。槽的截面形状可以是矩形、椭圆形。A2为槽的入口，62为截流器。反应介质通过入口，在截流器的作用下产生湍流，以增大扩散系数。然后通过B2流出极板。槽的深度可是均一的，也可是不同的。反应槽的取向和图2的散热槽的取向一致。
图3B中，22是图1所示极板的另一种反应面正面图。43是脊，形状一般为菱形，也可以是矩形或椭圆形。53是反应槽。当气体通过入口A3进入反应槽的时候，在脊43的作用下，产生湍流或涡流，增大气体的扩散系数，降低电池的浓差极化。同时，反应产生的水很容易随着反应气流通过B3排出极板外，避免了电池的堵水现象。反应气体在入口A3和出口B3之间的压降很小，只有50-400Pa，这样对散热和反应介质的供应机构如空气泵、轴流风扇或离心风机等的要求就很低，从而降低了电池成本，减小了电池体积和重量。同时，这种结构由于反应槽的取向和散热槽的取向不一致，所以保证了极板的强度，可以通过提高组装压力降低极板间以及极板与电极的接触电阻。
图4是另一种质子交换膜燃料电池阴极板的截面图。12是极板的散热面。32也是极板的主要部分，用于电池的电流收集，以及反应气体和散热介质的分离，侧面看其反应面是一平面。
图5A中12是图4所示极板的散热面正面图。图中44为流道的脊，宽度为0.5-2.5mm，流道的脊需和取电板接触，保证较低的接触电阻和良好的导热系数。54是流道的槽，槽的宽度为0.2-2.5mm，深度为0.3-2.0mm。槽的截面形状可以是矩形、椭圆形。散热介质通过入口，在截流器64的作用下产生湍流，以增大扩散系数。槽54中，有很多通孔7，可以是圆形、矩形、椭圆形或其它形状。散热介质进入反应槽中，流经通孔7而到达极板12的背面23，并进一步扩散到与反应面23相接触的电极表面。介质通过A4进入散热流道54，一部分直接流经54而通过出口B4排出，作为散热介质；一部分经过通孔7扩散到反应面，参加电化学反应后再经过通孔7流回到槽54，然后通过出口B4排出，这部分气体作为反应空气/氧气。因此，通过这种结构实现了散热介质和反应介质的分离。图5B中，由于极板的反应面为平面，所以简化了加工和组装工艺，极板厚度减小，从而降低电池成本。同时，通孔7可以达到提高气体扩散系数的目的，不仅有利于电化学反应，而且有利于反应产物水的排出。气体在入口A3和出口B3之间的压降很小，只有50-400Pa，这样对散热和反应介质的供应机构如空气泵、轴流风扇或离心风机等的要求就很低，从而降低了电池成本，减小了电池体积和重量。
图6是另一种质子交换膜燃料电池阴极板的截面图。13是极板的散热面，24是极板的反应面。33起到了分隔反应介质和散热介质的作用，从而达到分流的目的。
图7中，13是图6所示极板的散热面正面图。45是流道的脊，宽度为0.5-2.5mm，流道的脊需和取电板接触，保证较低的接触电阻和良好的导热系数。55是流道的槽，槽的宽度为0.2-2.5mm，深度为0.3-2.0mm。槽的截面形状可以是矩形、椭圆形。散热介质通过入口，在截流器65的作用下产生湍流，以增大扩散系数。C是在散热面上用于分流反应介质的槽。流经55的介质，为散热介质；流经C的介质为反应介质。反应介质流经C后，通过通孔8进入极板的反应面24。参见图8阴极板的反应面示意图，通孔8的面积可以是一致或者不一致，形状可以是圆形、椭圆形、菱形等。反应气体在反应面通过反应流道到达出口。在出口处，有节气门9，用于自动调节反应气体的流量。如果空气湿度比较大，电极有“水淹”的可能，就可以通过调节节气门9，降低反应流道的阻力，从而增大反应气的流量；同样，如果空气湿度比较低，则增大节气门的阻力，从而减小反应气的流量，以避免电极的不会因过度干燥而性能降低。反应气体的流量调节可以独立于散热气体的流量调节，达到电池的优化运行。由于反应流道的取向和散热流道的取向相互垂直，两者不一致，因此可以保证极板33的强度，可以通过组装压力的增大而减小接触电阻。
流道中设计有截流器是在流道中的阻隔物，如1/8-半高档板用以增强气体的湍流，提高传热效率。
权利要求
1.便携式燃料电池极板，在燃料电池膜电极的两侧，各有一块双极板，用于电流收集、气体分布以及热管理；其特征是在双极板上，都刻有散热流道，用于电池散热介质的传输。
2.根据权利要求
1所述的便携式燃料电池极板，其特征是在双极板的两侧分别刻有气体反应流道和散热流道，并在入口处双极板的两侧，分别设有反应流道的开口和散热流道的开口；散热流道的开口截面积和反应流道的开口截面积的比例为100-200∶1；开口是矩形、椭圆行或其它形状；所述的散热流道可以是直通型、蛇行、波浪型或其它形状。
3.根据权利要求
1或2所述的便携式燃料电池极板，其特征是散热流道为直通型，宽度为0.2-2.5mm，深度为0.3-2.0mm；流道中设计有截流器以增强气体的湍流，提高传热效率。
4.根据权利要求
1、2或3所述的燃料电池极板，其特征是在散热流道的背面，设计有反应流道，形状是直通型，宽度为0.2-2.5mm，深度为0.3-1.5mm；反应流道的取向和散热流道的取向相互平行
5.根据权利要求
1、2或3所述的便携式燃料电池极板，其特征是在散热流道的背面，设计有反应流道；流道由多个独立的菱形、矩形或椭圆形的脊的间隔组成。
6.根据权利要求
1、2或3所述的便携式燃料电池极板，其特征是在双极板的一侧刻有散热介质流道，另一侧为平面；散热流道为直通型，宽度为0.2-2.5mm，深度为0.3-2.0mm。
7.根据权利要求
6所述的便携式燃料电池极板，其特征是散热流道中，设计有圆形、矩形、椭圆形或其它形状的通孔，介质流经通孔，形成反应介质的分流。
8.根据权利要求
1、2或3所述的燃料电池极板，其特征是在散热面上设有反应介质的分流槽，在分流槽中设计有圆形、椭圆形或菱形的通孔。
9.根据权利要求
1、2或8所述的便携式燃料电池极板，其特征是反应流道的取向和散热流道的取向相互垂直；气体通过散热面上设有的分流槽进入反应流道。
10.根据权利要求
9所述的便携式燃料电池极板，其特征是在反应流道的出口，设有节气门。
专利摘要
便携式燃料电池极板，在燃料电池膜电极的两侧，各有一块双极板，用于电流收集、气体分布以及热管理；在双极板上，都刻有散热流道，用于电池散热介质的传输。在双极板的两侧分别刻有气体反应流道和散热流道，并在入口处双极板的两侧，分别设有反应流道的开口和散热流道的开口；散热流道的开口截面积和反应流道的开口截面积的比例为100－200∶1；开口是矩形、椭圆型或其它形状；所述的散热流道可以是直通型、蛇型、波浪型或其它形状。
文档编号H01M8/02GK1996646SQ200610161262
公开日2007年7月11日 申请日期2006年12月18日
发明者顾军, 于涛, 祝梅, 邹志刚 申请人:南京大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan