專利名稱：一種廉價高效防腐蝕的燃料電池集流母板的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池的部件，尤其涉及一種廉價高效防腐蝕的燃料電池集流母板。
背景技術：
電化學燃料電池是一種能夠將氫及氧化劑轉化成電能及反應產物的裝置。該裝置的內部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細小分散的引發電化學反應的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導電物體將發生電化學發應過程中生成的電子，通過外電路引出，構成電流回路。
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生電化學反應，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質子交換膜，到達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生電化學反應得到電子，形成負離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發生反應，形成反應產物。
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)的質子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區的催化電化學反應就產生了氫正離子(或叫質子)。質子交換膜幫助氫正離子從陽極區遷移到陰極區。除此之外，質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生爆發式反應。
在陰極區，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負離子，并與陽極區遷移過來的氫正離子反應，生成反應產物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質子交換膜燃料電池中，陽極反應與陰極反應可以用以下方程式表達
陽極反應陰極反應在典型的質子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導電的極板中間，每塊導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流槽。這些導流極板可以上金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導流極板上的導流孔道與導流槽分別將燃料和氧化劑導入膜電極兩邊的陽極區與陰極區。在一個質子交換膜燃料電池單電池的構造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導流板與陰極氧化劑的導流板。這些導流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導流板上的導流槽又作為燃料與氧化劑進入陽極、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。
為了增大整個質子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通常可通過直疊的方式串聯成電池組或通過平鋪的方式聯成電池組。在直疊、串聯式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面，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流進口和導流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經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、陰極面的導流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內冷卻通道中，將燃料電池內氫、氧電化學放熱反應生成的熱吸收并帶出電池組進行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應的導流通道，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、汽態的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
質子交換膜燃料電池既可以用作車船等運載工具的動力系統，又可以用作移動式或固定式的發電站。
質子交換膜燃料電池一般由若干個單電池組成，將這些單電池以串聯或并聯的方式連接起來構成質子交換膜燃料電池堆，將質子交換膜燃料電池堆與其它運行支持系統組合起來構成整個質子交換膜燃料電池發電系統。
如圖1是現有質子交換膜燃料電池單電池中的膜電極，它包括空氣進口1，進水口2，氫氣進氣口3，電極活性區域4；空氣出氣口5，出水口6，氫氣出氣口7。如圖2是現有質子交換膜燃料電池單電池中的導流極板，它包括空氣進口1，進水口2，氫氣進氣口3，流道8；空氣出氣口5，出水口6，氫氣出氣口7。如圖3是一種數個單電池以串聯方式連接的燃料電池堆，它包括面板9，第一集流母板10，電池堆11，第二集流母板12，負載13；質子交換膜燃料電池堆可以由數個單電池以串聯方式組成，也可以由數個單電池串聯構成一個單元，再將數個這種單元以并聯的形式構成如圖4的燃料電池堆，該燃料電池堆包括第一集流母板10，電池堆11，第二集流母板12，絕緣板14。
以上圖3、圖4所指的質子交換膜燃料電池堆都涉及到二塊或多塊集流母板，分別是燃料電池堆中的正、負或負、正集流母板。這二塊集流母板有以下二種功效1.將數個串聯或并聯的燃料電池單電池或整個燃料電池堆的電流引出來，構成導通外電路電流的正、負極；2.集流母板上也有各種流體道孔，可以讓燃料電池各種流體自由通過，如圖5，1、2、3、5、6、7是流體孔，15是電流引出端的耳子，10是集流母板，所以集流母板除了二個電流引出端的耳子外，大小基本上與燃料電池堆中的導流極板大小相同，上面的流體孔也與導流極板上的導流孔一樣大小，以構成整個燃料電池堆的各個導流通道。
目前，各種燃料電池堆中的集流母板為了達到以上二種功效，都采用非常特殊的材料，例如金屬金、金屬鉑或者采用其它金屬如不銹鋼、銅、鋁、鍍金、鉑的方法。采用這些材料，導電性能非常優良，并且在各種流體通過集流母板時不會發生電化學腐蝕反應而產生對燃料電池危害的金屬離子。但這些材料如金、鉑等貴金屬非常昂貴，在其它金屬銅、不銹鋼、鋁等材料上電鍍，價格也較貴，并且不方便。
如果直接采用不銹鋼、金屬銅、鋁材料作為集流母板，在各種流體通過集流母板時會發生電化學腐蝕，這就會產生對燃料電池危害的金屬離子。還有一種方法是采用上海神力科技公司的專利“一種用于燃料電池的高效防腐蝕復合集流母板”〔專利號02265853.X〕，該專利技術將集流母板分為二部分，一部分是導電活性快，這一部分是集流母板電流引出耳子〔端子〕的部分；另一部分是非導電孔道塊，至少由一至六塊這種非導電孔道塊組成，材料由非金屬抗腐蝕的材料構成。這種復合型導電集流母板具備成本低、抗腐蝕的特點，但是這種集流母板技術需要有二種材料復合在一起，實施過程有一定的難度，不利于大規模產業化生產。
發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種價廉、耐腐蝕并且適合于大規模生產的廉價高效防腐蝕的燃料電池集流母板。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現一種廉價高效防腐蝕的燃料電池集流母板，其特征在于，該集流母板采用純石墨材料或鈮材料，其設有與導流極板相對應的流體道孔，并且設有至少一個電流引出端的耳子。
所述的集流母板采用二塊較薄的石墨板或鈮板用膠粘劑膠粘在一起。
所述的集流母板采用一塊較薄的石墨板或鈮板與另一塊較薄的增強材料板用膠粘劑膠粘在一起。
所述的增強材料板為環氧樹脂板或工程塑料板。
本發明仍然采用導電性能非常優異的純石墨材料或鈮材料，加工成與導流極板〔如圖2〕，具有相對應的相同的各種流體道孔，并且有一個或二個以上電流引出端的耳子〔如圖5〕的電流集流母板，而導電線連接端直接與電流集流母板的耳子相連。與現有技術相比，本發明具有價廉、耐腐蝕并且適合于大規模生產等優點。
圖1為現有燃料電池單電池中的膜電極；圖2為現有燃料電池單電池中的導流極板；圖3為數個單電池以串聯方式連接的燃料電池堆；圖4為將數個電池單元以并聯的形式連接構成的燃料電池堆；
圖5為本發明集流母板的結構示意圖；圖6為本發明實施例2、實施例3的分體結構示意圖；圖7為本發明實施例2、實施例3的整體結構示意圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖對本發明作進一步說明。
為了防止本發明純石墨材料或鈮材料的耳子拆斷，本發明采用以下二種實施方法來增強集流母板材料的耳子強度。
實施例1如圖5所示，一種廉價高效防腐蝕的燃料電池集流母板，該集流母板采用純石墨材料或鈮材料，其設有與導流極板相對應的流體道孔，包括空氣進口1，進水口2，氫氣進氣口3，集流母板10，空氣出氣口5，出水口6，氫氣出氣口7，在集流母板10的二端各設有一個電流引出端的耳子15。對燃料電池堆體積功率密度要求不高時，可采用較厚的純石墨材料或鈮板，例如1～2厘米的板材，直接加工成上述集流母板，耳子強度就已經非常足夠了。
實施例2如圖5、圖6、圖7所示，一種廉價高效防腐蝕的燃料電池集流母板，該集流母板采用純石墨材料或鈮材料，其設有與導流極板相對應的流體道孔，包括空氣進口1，進水口2，氫氣進氣口3，集流母板10，空氣出氣口5，出水口6，氫氣出氣口7，在集流母板10的二端各設有一個電流引出端的耳子15。
所述的集流母板10采用二塊較薄的石墨板或鈮板10a、10b用膠粘劑16膠粘在一起，構成一整體的集流母板10。
實施例3如圖5、圖6、圖7所示，一種廉價高效防腐蝕的燃料電池集流母板，該集流母板采用純石墨材料或鈮材料，其設有與導流極板相對應的流體道孔，包括空氣進口1，進水口2，氫氣進氣口3，集流母板10，空氣出氣口5，出水口6，氫氣出氣口7，在集流母板10的二端各設有一個電流引出端的耳子15。
所述的集流母板10采用一塊較薄的石墨板或鈮板10a與另一塊較薄的增強材料板10b〔形狀與集流母板完全一樣〕用膠粘劑16膠粘在一起，構成一整體的集流母板10，所述的增強材料板為環氧樹脂板或工程塑料板，它可以使膠合后的集流母板10耳子強度足夠強。
權利要求
1.一種廉價高效防腐蝕的燃料電池集流母板，其特征在于，該集流母板采用純石墨材料或鈮材料，其設有與導流極板相對應的流體道孔，并且設有至少一個電流引出端的耳子。
2.根據權利要求1所述的廉價高效防腐蝕的燃料電池集流母板，其特征在于，所述的集流母板采用二塊較薄的石墨板或鈮板用膠粘劑膠粘在一起。
3.根據權利要求1所述的廉價高效防腐蝕的燃料電池集流母板，其特征在于，所述的集流母板采用一塊較薄的石墨板或鈮板與另一塊較薄的增強材料板用膠粘劑膠粘在一起。
4.根據權利要求3所述的廉價高效防腐蝕的燃料電池集流母板，其特征在于，所述的增強材料板為環氧樹脂板或工程塑料板。
全文摘要
本發明涉及一種廉價高效防腐蝕的燃料電池集流母板，該集流母板采用純石墨材料或鈮材料，其設有與導流極板相對應的流體道孔，并且設有至少一個電流引出端的耳子。與現有技術相比，本發明具有價廉、耐腐蝕并且適合于大規模生產等優點。
文檔編號H01M8/02GK1581552SQ0314204
公開日2005年2月16日 申請日期2003年8月4日 優先權日2003年8月4日
發明者夏建偉 申請人:上海神力科技有限公司