專利名稱：一種用于燃料電池的集流母板與端板的復合結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池，尤其涉及一種用于燃料電池的集流母板與端板的復合結構。
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。這些導流極板上的流體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，又可用作移動式或固定式發電站。
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他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，它包括空氣進氣口1a，進水口2a，氫氣進氣口3a，電極活性區域4a，空氣出氣口5a，出水口6a，氫氣出氣口7a；如圖2是現有質子交換膜燃料電池單電池中的導流極板，它包括空氣進氣口1a，進水口2a，氫氣進氣口3a，流道8a，空氣出氣口5a，出水口6a，氫氣出氣口7a；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9a，第一集流母板10a，電池堆11a，第二集流母板12a，負載13a；質子交換膜燃料電池堆可以由數個單電池串聯方式組成，也可以數個單電池串聯構成一個單元，再將數個這種單元以并聯形式構成如圖4的燃料電池堆，該燃料電池堆包括第一集流母板10a，電池堆11a，第二集流母板12a，絕緣板14a；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5，1a、2a、3a、5a、6a、7a是流體孔，15a是電流引出端的耳子，10a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、金屬鉑或者采用其他金屬如不銹鋼、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，在其他金屬銅、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，則會產生對燃料電池危害的金屬離子。
為了克服上述技術缺陷，上海神力科技公司“一種用于燃料電池的高效防腐蝕復合集流母板”(中國專利號為02265853.X)的專利采用了一種價廉、耐腐蝕的集流母板，這種集流母板可以分為多個基本區域集流母板區域A與區域C上的材料是耐腐蝕非導電材料，例如塑料、環氧樹脂板、玻璃等，而區域B上的材料是優良的導電材料，例如鋁、銅、鋅、鈦，區域A、區域C與區域B通過一定的方式粘接在一起，并且可以通過密封材料互相隔離，使各種流體通過區域A與區域C時不會滲漏到區域B，這樣區域B可以與空氣與水等介質完全隔離、集流導電不發生電化學腐蝕反應，萬一發生腐蝕，產生的離子也不會滲漏進入各流體通道而污染燃料電池。這種復合型的集流母板的各區域在厚度上是相等的。
但是，這種高效防腐蝕復合集流母板的技術也有一定的技術缺陷1.這種高效防腐蝕復合集流母板是由不同區域的不同材料構成，在制作上比較不方便；2.在燃料電池堆裝配時，假如有燃料氫氣、氧化劑空氣、冷卻流體進、出口在燃料電池堆的前端板或后端板上時，那么燃料電池前、后端板與集流母板之間就應有密封裝置，保證讓三種進、出流體通過集流母板與端板上的導流孔時，流體不會從集流母板與端板之間泄漏出來，而這種密封裝置往往是一種橡膠密封圈，不但麻煩，而且在反復拆裝過程中容易老化失效。
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結構緊湊、密封性好的用于燃料電池的集流母板與端板的復合結構。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現一種用于燃料電池的集流母板與端板的復合結構，包括集流母板、端板，其特征在于，所述的端板內側面開有一凹形空間，所述的集流母板鑲嵌在該凹形空間內，并且嵌入后的集流母板表面與端板內側面平齊。
所述的端板包括前端板、后端板，所述的前端板的非凹形空間位置設有氫氣進出孔道、空氣進出孔道、冷卻水進出孔道。
所述的集流母板設有至少一個從上面或從左和/或右引出的電流引出耳。
所述的電流引出耳上設有至少一個連接孔。
所述的端板內側面按集流母板的形狀尺寸銑挖出一凹形空間，所述的集流母板嵌設在該凹形空間并與端板通過膠粘劑粘接固定，形成集流母板與端板復合體。
所述的集流母板置于模具內，采用澆注成型工藝形成集流母板與端板復合體。
所述的集流母板與端板材料置于模具內，采用模壓成型工藝形成集流母板與端板復合體。
所述的端板采用耐腐蝕非導電材料，包括塑料、環氧樹脂、陶瓷。
所述的集流母板采用優良的導電材料，包括鋁、銅、鋅、鈦。
所述的導電材料表面還可以鍍上一層薄金。
本發明由于采用了以上技術方案，即集流母板采用單一材料(優良的導電材料)制成并鑲嵌在端板中，因此它克服了現有技術中集流母板與端板需要密封以及集流母板采用兩種材料制作所產生的缺陷。與現有技術相比，本發明具有結構緊湊、密封好、成本低等優點。
圖1為現有燃料電池單電池中膜電極的結構示意圖；圖2為現有燃料電池單電池中導流極板的結構示意圖；圖3為現有以串聯方式連接的數個單電池構成燃料電池堆的結構示意圖；圖4為現有以并聯方式連接的數個單電池構成燃料電池堆的結構示意圖；圖5為現有集流母板的結構示意圖；圖6為本發明一種集流母板與前端板復合的結構示意圖；圖7為圖6的右視圖；圖8為本發明另一種集流母板與前端板復合的結構示意圖；圖9為圖8的右視圖；圖10為本發明一種集流母板與后端板復合的結構示意圖；圖11為圖10的A-A剖視圖；
圖12為本發明集流母板與端板的復合結構與數個單電池一起構成燃料電池堆的結構示意圖。
在上述附圖中，圖6～圖10的斜線部分表示端板，圖11的斜線既表示端板，也作為剖面線。
具體實施例方式
下面將結合附圖及具體實施例對本發明作進一步說明。
實施例1如圖6、圖7所示，一種用于燃料電池的集流母板與前端板的復合體。該復合體包括一導電活性塊1、非導電材料環氧樹脂板2，所述的非導電材料環氧樹脂板2作為燃料電池堆的前端板，其中空氣進孔道21、冷卻水進孔道22、氫氣進孔道23、空氣出孔道25、冷卻水出孔道26、氫氣出孔道27都設在前端板的上下部分，在前端板中間部分銑挖出一矩形狀，大約長20cm，寬10cm，深3mm的凹形空間；所述的導電活性塊1作為集流母板，該集流母板長20cm，寬10cm，大約2.9mm厚，恰好可以放進上述凹形空間，并在左、右兩端對稱設有電流引出耳11，該電流引出耳上設有連接孔111；將集流母板(紫銅材料)涂上環氧膠放進上述凹形空間并在高溫80℃固化后再磨平，使端板與集流母板處于同一平面，即可。
另外后端板與集流母板的復合方式與上同，如圖10、圖11，由前端板與集流母板復合體、數個單電池、后端板2’與集流母板1’復合體一起構成一燃料電池堆，如圖12。
實施例2如圖8、圖9所示，另一種用于燃料電池的集流母板與前端板的復合體。該復合體包括一導電活性塊1、非導電材料環氧樹脂板2；該非導電材料環氧樹脂板2作為燃料電池堆的前端板，其中空氣進孔道21，冷卻水進孔道22，氫氣進孔道23，空氣出孔道25，冷卻水出孔道26，氫氣出孔道27，都設在前端板(2)的四角上。
所述的復合體是由帶二個對稱的電流引出耳子11的六角體紫銅板1(即上述導電活性塊1)放入一模具中，用環氧樹脂澆注后，固化成形，經磨平后，復合體二個部分成為同一平面。其他方面與實施例1相同。
權利要求
1.一種用于燃料電池的集流母板與端板的復合結構，包括集流母板、端板，其特征在于，所述的端板內側面開有一凹形空間，所述的集流母板鑲嵌在該凹形空間內，并且嵌入后的集流母板表面與端板內側面平齊。
2.根據權利要求1所述的一種用于燃料電池的集流母板與端板的復合結構，其特征在于，所述的端板包括前端板、后端板，所述的前端板的非凹形空間位置設有氫氣進出孔道、空氣進出孔道、冷卻水進出孔道。
3.根據權利要求1所述的一種用于燃料電池的集流母板與端板的復合結構，其特征在于，所述的集流母板設有至少一個從上面或從左和/或右引出的電流引出耳。
4.根據權利要求3所述的一種用于燃料電池的集流母板與端板的復合結構，其特征在于，所述的電流引出耳上設有至少一個連接孔。
5.根據權利要求1所述的一種用于燃料電池的集流母板與端板的復合結構，其特征在于，所述的端板內側面按集流母板的形狀尺寸銑挖出一凹形空間，所述的集流母板嵌設在該凹形空間并與端板通過膠粘劑粘接固定，形成集流母板與端板復合體。
6.根據權利要求1所述的一種用于燃料電池的集流母板與端板的復合結構，其特征在于，所述的集流母板置于模具內，采用澆注成型工藝形成集流母板與端板復合體。
7.根據權利要求1所述的一種用于燃料電池的集流母板與端板的復合結構，其特征在于，所述的集流母板與端板材料置于模具內，采用模壓成型工藝形成集流母板與端板復合體。
8.根據權利要求1或5或6或7所述的一種用于燃料電池的集流母板與端板的復合結構，其特征在于，所述的端板采用耐腐蝕非導電材料，包括塑料、環氧樹脂、陶瓷。
9.根據權利要求1或5或6或7所述的一種用于燃料電池的集流母板與端板的復合結構，其特征在于，所述的集流母板采用優良的導電材料，包括鋁、銅、鋅、鈦。
10.根據權利要求9所述的一種用于燃料電池的集流母板與端板的復合結構，其特征在于，所述的導電材料表面還可以鍍上一層薄金。
全文摘要
本發明涉及一種用于燃料電池的集流母板與端板的復合結構，包括集流母板、端板，所述的端板內側面開有一凹形空間，所述的集流母板鑲嵌在該凹形空間內，并且嵌入后的集流母板表面與端板內側面平齊。與現有技術相比，本發明具有結構緊湊、密封好、成本低等優點。
文檔編號H01M4/86GK1815789SQ20051002372
公開日2006年8月9日 申請日期2005年2月1日 優先權日2005年2月1日
發明者胡里清, 夏建偉, 龔松濤 申請人:上海神力科技有限公司