一种风冷超轻型燃料电池阳极板及其制备方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种风冷超轻型燃料电池阳极板及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种可以室温快速启动的低噪音、高能量转换效率的零排放发电装置。质子交换膜燃料电池可用于移动电源、便携电源、航空动力电源、车用动力电源、固定式电站等，可以满足多领域的用电需要，是最接近于实际应用的燃料电池之一。

双极板是质子交换膜燃料电池的重要部件之一，起到分隔氧化剂和还原剂、分布流体、收集电流、管理生成水和管理生成热的重要作用，维持电池处于良好的工作状态。在质子交换膜燃料电池中，传统的双极板主要有石墨双极板、金属双极板和复合双极板等。石墨双极板、复合双极板都存在一些限制其应用环境和提高性能的因素，如石墨双极板抗震性差，无法制造得更轻薄，装配力难于控制，成本高；复合双极板虽然在机械强度方面有了长足进步，但由于其采用的材料及零部件较多，加工装配相对繁琐，其质量比功率、体积比功率也难于进一步提高，成本也难于进一步降低。相对而言，金属双极板可以加工非常轻薄，在质量比功率、体积比功率方面均有大幅提高，同时能够满足导电性优良、传热性好、机械强度高等要求。而且采用冲压加工极板，适于大规模生产，可以严格控制其成本。

在风冷型燃料电池中，普遍采用石墨双极板。在中国专利201510449567.1和201610333293.4中，用了多孔石墨板(也可用多孔金属板)作阴极板，以减轻阴极板的重量。在中国专利201010217390.X中，描述了制备石墨双极板的原料和制备双极板的方法。与采用薄金属板做双极板相比，这两项技术都无法降低双极板的重量。在中国专利200710056414.6中，使用冲压技术制备了阳极流场板和阴极流场板(不锈钢板板厚为0.1-0.2mm)，阳极板和阴极板中间使用了轻质铝合金作为支撑板，阴极板为边长1.5mm的正方形，或为半径为0.75mm的半圆形。阳极流场板、支撑板和阴极板直接叠合组合在一起，靠密封圈加以密封，面电阻较大，重量较重，结构较为复杂，不适合大批量生产。在中国专利200820153416.7中，双极板由三部分构成，一个是阳极流场冲压板(金属板板厚为0.05-0.2mm)，一个是阴极流场冲压板，还有带孔的塑料构件，阳极流场板和阴极流场板靠焊接或粘结连在一起，塑料构件和阳极流场板是靠焊接连在一起，在这里能够将塑料构件和金属流场板焊接在一起是常用技术难以实现的，焊接不实，会导致密封不住氢气，氢气泄漏。在中国专利201611012620.2中，是将氢侧板与截面呈弧面的空气流场板焊接起来，再将空气流场板两端的支撑体与氢侧板粘结在一起形成氢气的公共管道，结构复杂，并多处使用胶体粘结技术，在密封、使用寿命和环境适应性等方面需要提供更多的技术保障。

由于金属双极板所具有的优势，其应用越来越广泛。采用的零件越多，材料种类越多，则加工、装配的成本会越高，在加工、装配和运行过程中出现问题的几率也会提高，同时会增加后续维护、维修成本，对燃料电池的连续运行不利。所以本发明就是为克服上述这些缺点而产生的。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种风冷超轻型燃料电池阳极板，其制备材料为厚度0.03-1mm金属板，利用模具冲压得到阳极板，以此阳极板再与阴极板等组合成双极板，可以组装成风冷型燃料电池电堆。因此，本发明的超薄超轻燃料电池阳极板可以进一步降低双极板的加工成本，进一步提高燃料电池电堆的质量比功率和体积比功率。

本发明提供了一种风冷超轻型燃料电池阳极板，所述阳极板1包括阳极板公共管道2、阳极流场3和密封区域4，所述阳极板1的两端设有阳极板公共管道2，中间区域为阳极流场3，四周为密封区域4，所述阳极板1的厚度为0.03-1mm，材质为钛合金或不锈钢。

进一步地，上述技术方案中，所述阳极流场3的一面为有若干道平行布置的条状导流槽，每道导流槽的高度为0.4mm，宽度为1mm，相邻导流槽之间的距离为1mm。其中导流槽的数量为至少3道。

进一步地，上述技术方案中，所述阳极板上设有密封垫7，所述密封垫7上设有密封垫公共管道9，所述密封垫7一面设有导气通道8，所述导气通道8为若干道平行布置的条状导流槽，每道导流槽的一端连通密封垫公共管道9，另一端连通阳极流场3，所述导气通道8中的气流方向与流经密封垫公共管道9的气流方向垂直，所述密封垫公共管道9与阳极板公共管道2形状大小相同且相对应设置。其中导流槽的数量为至少3道。

进一步地，上述技术方案中，所述阳极流场3和阳极板公共管道2之间设有导气口6，所述导气口6与阳极板公共管道2平行且长度相等。

本发明提供了一种风冷超轻型燃料电池阳极板的制备方法，包括如下步骤：

利用模具冲压制备阳极板，在冲出的公共管道和阳极流场之间同时冲压得到导气口，采用胶线压合方法或粘结方法将阳极板的密封区域与膜电极密封合围形成燃料气体通道，将带有内置导气通道的密封垫对公共管道和导气口进行密封。

本发明还提供了一种风冷超轻型燃料电池阳极板的制备方法，包括如下步骤：

利用模具冲压制备阳极板，冲出公共管道和阳极流场，阳极流场直接延至公共管道，采用胶线压合方法或粘结方法将阳极板的密封区域与膜电极密封合围形成燃料气体通道。

按照本发明，该薄金属阳极板具有如下优点：

1、结构简单，易于加工制造，适于大规模生产，大幅度降低成本；

2、组装电堆工序和要求相对简单，提高了电堆一致性，同时降低了欧姆阻抗，利于提高电池性能；

3、双极板超轻超薄，大幅度降低了双极板的质量和厚度，大幅度提高电堆的质量比功率，对于航空用电源和便携式电源，是最佳选择。

附图说明

图1为本发明实施例1的阳极板和膜电极。

图2为本发明实施例2的带有导气口的阳极板。

图3为本发明实施例1的带有导气通道的密封垫。

图4为本发明实施例1的燃料电池性能。

示意图说明，1、阳极板；2、阳极板公共管道；3、阳极流场；4、密封区域；5、膜电极；6、导气口；7、密封垫；8、导气通道；9、密封垫公共管道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

按照图1所示，一种风冷超轻型染料电池阳极板，包括阳极板公共管道2、阳极流场3和密封区域4，所述阳极板1选取厚度为0.05mm的不锈钢，利用模具冲压制备而成。阳极板1的两端是气体的阳极板公共管道2，中间区域部分为阳极流场3，阳极流场3的一面为有若干道(至少3道)平行布置的条状导流槽，每道导流槽的高度为0.4mm，宽度为1mm，相邻导流槽之间的距离为1mm。阳极板1的四周为密封区域4，采用胶线压合方法将阳极板的密封区域4与膜电极5密封合围形成燃料气体通道。

使用时，燃料气体通过一端的公共管道进入阳极流场，再从另一端的公共管道流出。

采用此阳极板组装成150节电堆，在室温20℃、相对湿度35％时，当燃料氢气分压(表压)为0.05MPa，采用风冷散热时，电流密度达到0.7A/cm

实施例2

如图2和3所示，一种风冷超轻型燃料电池阳极板，包括阳极板1和密封垫7，所述阳极板1选取厚度为0.9mm的钛合金，利用模具冲压制备而成。阳极板1的两端是气体的阳极板公共管道2，中间区域部分为阳极流场3，阳极流场3的一面为有若干道(至少3道)平行布置的条状导流槽，每道导流槽的高度为0.4mm，宽度为1mm，相邻导流槽之间的距离为1mm。在阳极板公共管道2和阳极流场3之间同时冲压得到导气口6，阳极板1的四周为密封区域4，采用粘结方法将密封区域4与膜电极5密封合围形成燃料气体通道。如图3所示，所述阳极板上还设有密封垫7，所述密封垫7上设有密封垫公共管道9，所述密封垫7一面设有导气通道8，所述导气通道8为若干道(至少3道)平行布置的条状导流槽，每道导流槽的一端连通密封垫公共管道9，另一端连通阳极流场3，所述导气通道8中的气流方向与流经密封垫公共管道9的气流方向垂直，所述密封垫公共管道9与阳极板公共管道2形状大小相同且相对应设置。使用密封垫7对阳极板公共管道2和导气口6进行密封，保障氢气从公共管道2通过导气通道8和导气口6到达阳极流场3，同时保障过量氢气和生成水返回阳极板公共管道2。以此阳极板1组装成70节电堆，在室温25℃、相对湿度40％时，当燃料氢气分压(表压)为0.05MPa，采用风冷散热时，电流密度达到0.5A/cm

上面描述了本发明的超薄型金属冲压阳极板，本发明所属领域的技术人员应当可以理解，所述仅仅为本发明的具体实施例，并非用于限制本发明。凡是本发明的精神及原则内所做的任何修改、尺寸结构的缩放、等同替换或者改进，均应包含在本发明保护范围之内。