一种质子交换膜燃料电池堆集流面板及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池堆集流面板及其制造方法。
背景技术
电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。
在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。
在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。
在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来地氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：
阳极反应：
阴极反应：
在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导流极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导流极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。
为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。
一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。
质子交换膜燃料电池既可以用作车、船等运载工具的动力系统，又可以用作移动式或固定式发电站。
质子交换膜燃料电池一般由若干个单电池通过串联或并联组装在一起成为燃料电池堆。如图1～3所示，图1是燃料电池堆中单电池导流极板的结构示意图，图2是燃料电池堆中单电池三合一电极的结构示意图，图3是燃料电池堆的结构示意图。燃料电池单电池的导流极板与三合一电极上一般都有六个〔或小于六个〕导流孔，这六个导流孔分别是燃料〔氢气〕进口，燃料〔氢气〕出口；氧化剂〔空气〕进口，氧化剂〔空气〕出口；冷却流体〔水〕进口，冷却流体〔水〕出口。将若干个燃料电池单电池的导流极板与三合一电极组装成燃料电池堆后，以上导流极板与三合一电极上面的六个导流孔就构成了燃料电池堆中的六条导流通道，这六条导流通道分别统一导氧化剂〔空气〕进入，通过这一导流通道将氧化剂〔空气〕均匀地分布在每个单电池的导流极板上，并在电极上发生反应，反应生成的产物水及过量的氧化剂〔空气〕，统一汇集到燃料电池堆中的氧化剂〔空气〕排出通道，其它分别是导燃料〔氢气〕进入通道，燃料〔氢气〕汇集排出通道，导冷却流体〔水〕进入通道，冷却流体〔水〕汇集排出通道。
如图4～5所示，目前燃料电池堆的工程设计一般将上面六条导流通道直接汇集到燃料电池堆前端的同一块面板上〔图4〕，也有将上面六条导流通道分别汇集到燃料电池堆前、后端的二块面板上，例如前、后端每块面板分别汇集三条通道〔图5〕。前者设计技术产生的燃料电池堆所有六条通道都集成在同一块面板上，后者设计技术产生的燃料电池堆六条通道集成在前、后二块面板上。
还有上海神力科技公司的“一种集成式燃料电池”〔发明专利申请号：02136045.6；实用新型专利号：02265512.3〕将燃料电池堆各个导流通道集中在燃料电池堆中间的一块集流板上〔图6〕，中间集流板见图7、图8；或将多组，如四组燃料电池堆各个导流通道集中在各个燃料电池堆中间总集流板上〔如图9〕。
以上几种燃料电池堆的面板制造有以下几种方法：
1.将燃料电池堆中六条导流通道直接引出；汇集在燃料电池堆前端的同一块面板上，面板采用金属材料板，工程塑料材料板、复合材料板等。如图3、4。这种燃料电池堆集流面板上的燃料〔氢气〕进、出连接端口，氧化剂〔空气〕进、出连接端口，冷却流体进、出连接端口，总共六个端口的位置与燃料电池堆中的六条导流通道完全一致或完全相对应，与每块导流极板或电极上的六个导流孔完全一致或完全相对应，是直接相通的。但有以下技术缺陷：由于燃料电池堆集流面板上各个流体进、出端口与燃料电池堆中每块导流极板上的六个导流进、出孔完全对应、一致，当导流极板上的六个导流进、出孔采用上、下分布或四角分布时，都会有以下不良情况〔如图1、图10〕：
(1).各个相邻的流体孔之间的距离很近，因此体现在燃料电池堆集流面板上的各相邻的流体孔之间距离很近，直接导致各相邻流体端口之间十分拥挤，连接管路十分困难。
(2).将燃料电池堆中的三条进、三条出导流通道分别在燃料电池堆前端集流面板与后端集流面板上直接引出，如图5与上面第一条相类似，也有同样的技术缺陷，即导致各相邻流体端口之间十分拥挤，连接管路十分困难。
2.上海神力科技公司“一种集成式燃料电池”将燃料电池堆各个导流通道集中在燃料电池堆中间的一块集流板上，或将多组燃料电池堆各个导流通道集中在中央整块总集流板上，也采用金属材料板、工程塑料材料板、复合材料板等用作中央总集流板。这种集成式燃料电池堆中的中间集流板或中央总集流板上的三进流体端口与三出流体端口是设在集流板前面或前、后面上的，无法与各组燃料电池堆中的各流体通道完全相对应，各组燃料电池堆中的各流体通道不是象前面第一、二条燃料电池堆集流面板制造方法那样，将燃料电池堆中各流体通道直接引出，并直接在燃料电池堆集流面板上设各种流体端口。
【发明内容】
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种端口排列合理、管路连接方便的一种质子交换膜燃料电池堆集流面板及其制造方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种质子交换膜燃料电池堆集流面板，该集流面板是设在燃料电池堆一端或二端汇集各导流通道的集流板，或者是设在集成式燃料电池堆中央的总集流板，所述的集流面板与燃料电池堆的各导流通道相连的内侧面设有与该导流通道一一对应的进出氢气端口、进出空气端口、进出冷却水端口，所述的集流面板与外管相连的外侧面也相应地设有进出氢气端口、进出空气端口、进出冷却水端口，其特征在于，所述的集流面板与外管相连的外侧面的各端口与其内侧面相对应的各端口为非同轴设置，所述的外侧面的各端口与内侧面相对应的各端口之间设有一条或多条互不串流的非直线状的绕流道，该绕流道将内、外侧面相对应的端口连通。
一种质子交换膜燃料电池堆集流面板的制造方法，其特征在于，该集流面板由多块板叠加胶接在一起，在胶接之前，每块板上加工一个或多个互不串流的绕流斜孔，将这些加工好的板叠加胶接在一起即构成一集流面板，其中，每块板上的绕流斜孔拼接后即构成一条或多条非直线状的绕流道。
一种质子交换膜燃料电池堆集流面板的制造方法，其特征在于，该集流面板采用热固性工程塑料模压而成，先在模具中预设好各流体绕流道的可溶性材料，再填充热固性工程塑料树脂进行热固化成型，再将里面的各条绕流道中的材料进行溶解性脱模即成。
所述的热固性工程塑料包括环氧树脂、酚醛树脂。
所述的的热固性工程塑料还包括玻璃纤维增强材料。
所述的可溶性材料为粘土材料。
与现有技术相比，本发明对集流面板的内部结构进行了重要改进，本发明就是将燃料电池堆中的各流体通道在各流体集流面板内部进行绕道，间接引出后，再在集流面板上设各流体进、出端口，可以使各流体在集流面板上进行合理绕道，间接引出，既互相不串流，又可使引至集流面板上的各个端口之间，位置互相不拥挤，排列合理。由于各流体在集流面板内部的绕流道一般都是非直线状的，所以这种非直线状的绕流道加工具有一定的难度，然而，通过实施本发明的技术方案，取得了令人满意的效果。
【附图说明】
图1是现有燃料电池堆中单电池导流极板的结构示意图；
图2是现有燃料电池堆中单电池三合一电极的结构示意图；
图3是现有燃料电池堆的结构示意图；
图4是现有一端设集流面板燃料电池堆的结构示意图；
图5是现有两端设集流面板燃料电池堆的结构示意图；
图6是现有中央设集流面板燃料电池堆的结构示意图；
图7是现有中央集流面板结构示意图；
图8是图7内部结构示意图；
图9是现有设集流面板的集成式燃料电池堆的结构示意图；
图10是现有燃料电池堆导流极板流体孔道的结构示意图；
图11是本发明实施例1燃料电池堆集流面板内侧面流体端口的结构示意图；
图12是本发明实施例1燃料电池堆集流面板外侧面流体端口及内部绕流道的结构示意图；
图13是本发明实施例2燃料电池堆集流面板流体端口及内部绕流道的结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图及具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1
如图11、12所示，一种质子交换膜燃料电池堆集流面板，该集流面板是设在燃料电池堆一端的汇集各导流通道的集流板，所述的集流面板与燃料电池堆的各导流通道相连的内侧面设有与该导流通道一一对应的进出氢气端口1、2，进出空气端口3、4，进出冷却水端口5、6，所述的集流面板与外管相连的外侧面也相应地设有进出氢气端口1′、2′，进出空气端口3′、4′，进出冷却水端口5′、6′，所述的集流面板与外管相连的外侧面的各端口与其内侧面相对应的各端口为非同轴设置，即，端口1与1′、2与2′、3与3′、4与4′、5与5′不是在同一轴线上直通的，而是有一错位，也就是说，各流体在集流面板内部进行绕道，间接引出，所述的外侧面的各端口与内侧面相对应的各端口之间设有一条或多条互不串流的非直线状的绕流道，即，曲线状的绕流道，包括进氢气绕流道7、出氢气绕流道8、进空气绕流道9、出空气绕流道10、进冷却水绕流道11、出冷却水绕流道12，这些绕流道将内、外侧面相对应的各端口连通。
上述质子交换膜燃料电池堆集流面板的制造方法，该方法包括将燃料电池堆的导流极板(如图10)组装成为燃料电池堆后，再将燃料电池堆中的六条导流通道均在同一前端集流面板上进行集流，其中集流面板由二块板组成，第一块板上的导流端口与燃料电池导流极板上的导流孔完全相对应，作直接引出，如图11。第二块板上有六条绕流道，并且分别通向背面六个各流体管道连接端口，如图12。将这二块板胶接在一起后成为一完整的集流面板，上面六个各流体进出管道连接端口分别进出，通过第一块板上的绕流道再进、出第二块板上的导流端口，并直接进、出与之相对应的燃料电流堆中的六条导流通道。这种集流面板制造方法使各流体管路连接端排列整齐，互相不拥挤，管路连接方便、整齐。
实施例2
如图13所示，一种质子交换膜燃料电池堆集流面板，该集流面板是设在集成式燃料电池堆中央的总集流板，所述的集流面板与燃料电池堆的各导流通道相连的内侧面设有与该导流通道一一对应的进出氢气端口、进出空气端口、进出冷却水端口，所述的集流面板与外管相连的外侧面也相应地设有进出氢气端口、进出空气端口、进出冷却水端口，所述的外侧面的各端口与内侧面相对应的各端口之间设有一条或多条互不串流的非直线状的绕流道，该绕流道将内、外侧面相对应的端口连通。
上述质子交换膜燃料电池堆集流面板的制造方法，该方法包括将四组燃料电池堆集成在一块中央总集流板上，该总集流板设计与制造方法如下：
每组燃料电池堆导流极板的导流孔位置如图10，总集流板由热压模压而成，模具内预设好非常容易溶解于水的粘土材料，并成各流体绕流道状，如图13；再填充热固化的工程塑料树脂，如酚醛树脂，并经过热压固化成型；再将里面的各条绕流道中的粘土材料用水进行溶解掉，即得到整块模压总集流板。