一种可用作质子交换膜燃料电池的导流极板及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种可用作质子交换膜燃料电池的导流极板及其制造方法。
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)地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的氢正离子反应，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，每块导膜电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。这些导膜电极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导膜电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的用途十分广泛，可以用作一切车辆、船只等运载工具的动力系统，也可以作为发电系统用作地面固定式的发电站和可移动电源等。
目前质子交换膜燃料电池的造价较高，主要是构成燃料电池的某些关键部件材料价格较高。质子交换膜燃料电池中的导流极板是燃料电池最关键的部件之一，其价格对整个燃料电池的造价产生决定性的影响。
用作质子交换膜燃料电池中的导流极板材料要求较高，主要有以下要求：
(1)有一定的机械强度及硬度，不易碎裂、破损；(2)优良的导电、导热体；(3)容易加工成导流极板上的导流槽形状与导流孔；(4)燃料电池长期工作时，不会产生对电池造成污染或本身受到腐蚀变质。
目前能完全符合上述要求的材料不多，只有少数价格昂贵的材料，例如优质纯石墨板材料、优质钛合金板材料、镀金或特种金属板等可以用作质子交换膜燃料电池的导流板材料。但这些材料的价格昂贵，而且导流槽、导流孔加工费时又昂贵，导致整个燃料电池的造价居高不下，严重妨碍了燃料电池产业化的进程。
为了降低质子交换膜燃料电池导流板材料的成本，目前有大量的专利申请旨在企图找到相应的廉价替代材料，这些专利综合起来主要有以下几类：
(1)采用廉价金属板，如不锈钢板等，再进行表面改性处理。例如中国科学院大连化学物理研究所申请的专利“用于质子交换膜燃料电池组的机加工金属双极板”(专利号为：99113159.2)。(2)采用石墨粉加粘接树脂，例如热固性树脂，酚醛树脂等热压成复合板材。(3)采用软石墨板进行模压成型，然后用树脂浸渍处理后硬化成双极板。例如US Patent 5,521,018所述的方法就是利用软石墨板进行模压成型的。
燃料电池导流双极板一般由二块板组合而成。这二块板功能分别是导空气槽面、导氢气槽面，并且组合后二块板中间构成导冷却流体。例如冷却流体的夹套板面与导冷却流体的槽面以及六只导流孔(空气进、空气出，氢气进、氢气出，冷却流体进、冷却流体出)组成。
例如US Patent 5,521,018的结构如图图1、图2、图3所示。图1中包括氢气槽1、导氢气流孔2、密封槽3、导流板4、导空气流孔5、导冷却流体孔6。这样由一块正面导空气槽面，反面为光板面；及由一块正面导氢气槽面，反面为导冷却流体槽面，或者由一块正面为导氢气槽面，反面为光板面，及由一块正面为导空气槽面，反面为导冷却流体槽面，二块板组成一块双极板。这种双极板特点如下：(1)由二块板组合而成；(2)二块板中间为导冷却流体。
以上现有技术存在如下缺陷：(1)采用金属板，如不锈钢、铝等廉价金属板表面改性处理难度高，用作质子交换膜燃料电池中的导流极板时，长时间运行后表面性能下降，如电阻增加或抗腐蚀性能下降，对电极造成污染。(2)用石墨粉与树脂一次成型模压导流极板，虽然技术上已较成熟，但目前要求燃料电池堆要有很高的功率密度，一种提高电堆的功率密度的主要方法是采用超薄型的导流极板，使这种一次成型模压出来的超薄型导流极板机械强度大大降低。在用作车载动力系统时，由于振动极易造成导流极板碎裂。(3)采用软石墨板一次成型模压成导流极板，再用树脂浸渍硬化处理技术也同样有与第(2)点相似的技术缺陷，在用作超薄型导流极板时，应用于燃料电池发动机或移动电源时，由于振动极易造成导流极板碎裂。(4)采用由二块板组合成的既有导空气槽面，又有导氢气槽面，又含有导冷却流体槽面的双极板技术，不但在二块板的组合密封等方面带来麻烦，而且大大地增加了构成双极板本身的厚度，降低了电池堆的功率密度。
【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机械强度高、重量轻、导电性能好，长期运行对质子交换膜燃料电池无毒害与污染、价格低廉的可用作质子交换膜燃料电池的导流极板及其制造方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种可用作质子交换膜燃料电池的导流极板，包括设置在正、反面的导空气流槽面、导氢气流槽面，以及设置在极板两端的进出导空气流孔、进出导氢气流孔，其特征在于，还包括设置在上述导空气流槽面与导氢气流槽面之间的导冷却流体通道，以及设置在该通道两端的进出导冷却流体孔。
所述的导冷却流体通道包括具有导冷却流体功能的加强网，该加强网的纵向线为导冷却流体的空心细管，横向线为连接各空心细管的加强条，该加强条与空心细管的厚度一致，所述的空心细管的上下两端分别与进出导冷却流体孔连通。
所述的导冷却流体通道包括具有导冷却流体功能的加强层，该加强层由两层薄型钢片以及在该两层薄型钢片之间设置的至少两条分隔条组成，所述的分隔条延纵向设置，两条分隔条之间构成可供冷却流体通过的通道，该通道的上下端分别与进出导冷却流体孔连通。
一种可用作质子交换膜燃料电池的导流极板的制造方法，其特征在于，该方法包括以下工艺步骤：
(1)制作加强网
首先将可供导冷却流体的空心细管延纵向排列，并将其上下两端分别与进出导冷却流体孔连通，然后取与上述空心细管厚度一致的加强条延横向排列，并与空心细管固接，构成一张薄型加强网；
(2)模压成型
将步骤(1)中得到的加强网的正、反面装填已经混合均匀的石墨粉与粘接树脂材料，并放入模具中模压成型，得到一种可用作质子交换膜燃料电池的导流极板。
一种可用作质子交换膜燃料电池的导流极板的制造方法，其特征在于，该方法包括以下工艺步骤：
(1)制作加强层
首先取两块薄型钢片，然后在该两块薄型钢片之间设置至少两条分隔条，该分隔条延纵向设置，每两条分隔条之间构成可供冷却流体通过的流体通道，该流体通道的上下端分别与进出导冷却流体孔连通，从而构成具有导冷却流体功能的加强层；
(2)模压成型
将步骤(1)中得到的加强层正、反两面装填已经混合均匀的石墨粉与粘接树脂材料，并放入模具中模压成型，得到一种可用作质子交换膜燃料电池的导流极板。
所述的步骤(2)中，加强网或加强层正、反两面的装填物采用软石墨板代替石墨粉与粘接树脂材料。
所述的空心细管采用不锈钢管或工程塑料管，所述的加强条采用对应的实心不锈钢条或工程塑料条。
所述的薄型钢片采用薄型不锈钢皮。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：(1)双极板内部衬垫有数根空心细管及实心细条织成的加强网，或者衬垫有两块薄型钢片与若干分隔条构成的加强层，该加强网或加强层可以很薄，这样大大提高了燃料电池堆的功率密度。(2)整块双极板由于有内部加强网或加强层衬垫，强度大大提高。(3)整块双极板是一个整体，可以一次模压成型，并兼具冷却流体导流功能，产品结构紧凑、整体性强，制造工艺简单。(4)这种双极板避免了二块极板组合成双极板的许多缺点，如二块板之间的叠合密封不好，厚度大等。
【附图说明】
图1为现有导空气槽面或导氢气槽面流场与导流孔结构示意图；
图2为现有导空气槽面或导氢气槽面的背面光板与导流孔结构示意图；
图3为现有导空气槽面或导氢气槽面的背面导冷却流体的流场与导流孔结构示意图；
图4是本发明具有导冷却流体功能的加强网结构示意图；
图5是本发明导流双极板的结构示意图；
图6是本发明具有导冷却流体功能的加强层结构示意图；
图7是图6的左视图。
【具体实施方式】
下面将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4、图5所示，一种可用作质子交换膜燃料电池的导流极板，包括设置在正、反面的导空气流槽面4a、导氢气流槽面4b，以及设置在极板两端的进出导空气流孔5，5’、进出导氢气流孔2，2’，还包括设置在上述导空气流槽面4a与导氢气流槽面4b之间的导冷却流体通道12，以及设置在该通道12两端的进出导冷却流体孔6，6’。
所述的导冷却流体通道12包括具有导冷却流体功能的加强网，该加强网的纵向线为导冷却流体的空心细管7，横向线为连接各空心细管的加强条8，该加强条8与空心细管7的厚度一致，所述的空心细管7的上下两端分别与进出导冷却流体孔6，6’连通。
上述可用作质子交换膜燃料电池的导流极板的制造方法，该方法包括以下工艺步骤：
第一步：制作具有导流冷却流体功能的加强网，如图4所示，首先将可供导冷却流体的空心细管7延纵向排列，并将其上下两端分别与进出导冷却流体孔(模具)6，6’连通，然后取与上述空心细管7厚度一致的加强条8延横向排列，并与空心细管7固接，构成一张薄型(0.5mm)加强网；所述的空心细管7采用不锈钢管或工程塑料管，所述的加强条8采用对应的实心不锈钢条或工程塑料条。
第二步：制作导流双极板，将第一步得到的很薄的具有导流冷却流体功能的加强网正、反面装填已经混合均匀的石墨粉与粘接树脂填料，并放入模具中一次性模压成型，得到导流双极板。该导流双极板如图5所示，其正、反面为导空气流槽面及导氢气流槽面，在双极板的上下端分别设有六只导流孔，它们是导氢气流孔2，2’、导空气流孔5，5’、导冷却流体孔6，6’，其中中间的导流孔6，6’是导冷却流体孔，冷却流体，如水等通过冷却流体孔6进，沿双极板内部衬垫的各空心细管的加强网重新汇流到流体孔6’。
这样的双极板结构具有以下特点：(1)双极板内部衬垫有数根空心细管及实心细条织成的加强网，网很薄，一般只有0.5mm左右。(2)整块双极板由于有内部加强网衬垫，强度大大增加。(3)整块双极板是一个整体，可以一次模压成型，并兼具冷却流体导流功能，可以很薄，大约1.0mm左右。这样大大提高了燃料电池堆的功率密度。(4)这种双极板避免了二块极板组合成双极板的许多缺点，如二块板之间的叠合密封，及增加了厚度等。
实施例2
如图5、图6、图7所示，一种可用作质子交换膜燃料电池的导流极板，包括设置在正、反面的导空气流槽面4a、导氢气流槽面4b，以及设置在极板两端的进出导空气流孔5，5’、进出导氢气流孔2，2’，还包括设置在上述导空气流槽面4a与导氢气流槽面4b之间的导冷却流体通道12，以及设置在该通道12两端的进出导冷却流体孔6，6’。
所述的导冷却流体通道12包括具有导冷却流体功能的加强层，该加强层由两层薄型钢片10以及在该两层薄型钢片之间设置的若干条分隔条9组成，所述的分隔条9延纵向设置，两条分隔条9之间构成可供冷却流体通过的通道11，该通道11的上下端分别与进出导冷却流体孔6，6’连通。
上述可用作质子交换膜燃料电池的导流极板的制造方法，该方法包括以下工艺步骤：
第一步：制作具有导流冷却流体功能的加强层，如图6所示，首先取两片不锈钢皮10，然后在该两片不锈钢皮之间设置若干条分隔条9，该分隔条9延纵向设置，每两条分隔条之间构成可供冷却流体通过的流体通道，该流体通道的上下端分别与进出导冷却流体孔(模具)6，6’连通，从而构成具有导冷却流体功能的加强层；该加强层由两层很薄的不锈钢皮组成，层与层之间有许多条分隔条，既起到支撑两层不锈钢皮的作用，又可以使冷却流体在两层不锈钢皮之间流动，可以按照隔条之间的地带流动，不会互相窜流，每块由两条隔条分割的分割地带面积大约都相等，这样可以保证冷却流体在每块分割地带流动的流量均匀相等。
第二步：制作导流双极板，将第一步得到的很薄的具有导流冷却流体功能的加强层正、反面装填已经混合均匀的石墨粉与粘接树脂填料，并放入模具中一次性模压成型，得到导流双极板。该导流双极板如图5所示，其正、反面为导空气流槽面及导氢气流槽面，在双极板的上下端分别设有六只导流孔，它们是导氢气流孔2，2’、导空气流孔5，5’、导冷却流体孔6，6’，其中中间的导流孔6，6’是导冷却流体孔，冷却流体，如水等通过冷却流体孔6进，沿双极板内部衬垫双层夹层分割通道，重新汇流到流体孔6’。本实施例的导流双极板同样具有上述实施例1中双极板的特点。
实施例3
将上述实施例1、实施例2中的具有导流功能的加强网或加强层上、下放置两块薄的软石墨板，并放入模具内进行模压成型，然后用树脂浸渍处理后硬化成双极板。本实施例同样具有上述实施例1、实施例2中的双极板功能及特点。