[发明专利]质子交换膜燃料电池电堆的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池技术领域的电池电堆制造方法，具体是一种质子交换膜燃料电池电堆的制造方法。

背景技术

以氢气为原料的燃料电池不是传统意义上的蓄电池，而是目前世界公认的有前途的高效、清洁的新型发电技术。本世纪内，它有可能大量替代常规火力发电，成为水电、火电、核电之后第四种主要发电方式。但目前居高不下的制造成本以及较低的功率密度阻碍燃料电池的推广应用。

典型的质子交换膜燃料电池主要由双极板、质子交换膜、催化剂等组成。目前，燃料电池每千瓦的制造成本在500美元左右，国内石墨基双极板每片(200 X 200cm²)约200～300元人民币，而同样大小双极板的材料和加工总成本的目标值小于15元人民币。昂贵的制造成本阻碍着燃料电池大规模应用。据Direct Technologies公司调查统计，电池极板的重量占到燃料电池电堆总重量的80％以上，其制造成本占到总成本的29％。

高昂的燃料电池制造成本主要是由于目前极板与MEA(Membrane Electrode Assembly膜电极组件)的制造方式决定的。通常极板采用石墨材料，通过铣削或刻蚀方式加工。运用铣削方式加工石墨材料极板，因石墨本身的脆性和极板流道特征的复杂性，难以达到高生产率要求，而且石墨电极在振动环境下的可靠性受到限制。金属薄板(如#316不锈钢等)导电性好、抗振动失效能力强，只要配合先进涂层技术就能解决抗腐蚀问题，是燃料电池极板的潜在替代材料，也成为目前研究的热点。然而，由于传统的燃料电池均采用平面MEA膜，当反应气体流经平板极板上的沟槽时，在MEA膜两侧发生发应，这要求极板具备一定的厚度才能满足沟槽足够大在极板上制造沟槽，然后进行装配。制造工艺要求燃料电池金属极板必须具有一定的厚度，限制燃料电池轻量化、低成本设计要求。

经对现有技术文献的检索发现，目前燃料电池高效、轻量化研究主要从以下两方面着手：一是改变膜电极空间构架，如在美国通用公司的一项专利技术中(中国专利公开号为CN 1623244A，公开日期2005年6月1日，发明人：G.W.弗利、B.K.布拉迪等)提出了一种具有旋转结构的膜电极，该膜电极组件包括传送膜，催化阳极和催化阴极分别在膜的两个面上；阳极和阴极层上具有导电分布层，该分布层延伸通过每个催化层的气体流动区域。绕旋结构增加了膜面积与燃料电池平面面积的比率，从而增加了燃料电池的电输出量。

二方面是改变极板形式，如天津大学申请的名为“聚合物膜燃料电池的复合层双极板及其制造方法”(中国专利公开号为CN 1355573A，公开日期2002～6～26，发明人：王宇新等)中提出一种采用石墨蠕虫与金属薄板以及聚吡咯或聚苯胺类导电聚合物构成的双极板。该专利的特征自述为：双极板的整体结构由石墨蠕虫构成，在其外表面是聚吡咯或聚苯胺膜层，在板壁石墨蠕虫层中间掺和聚吡咯或聚苯胺网络层，或者是在板壁石墨蠕虫层中间夹附着金属薄板。

然而，上述两方面都未能从根本上改变传统燃料电池的膜和极板的形式，第一种方法虽然参与了绕旋结构的MEA，但是仍然采用平面极板，体积比功率并未能提高，同时带来MEA支撑难题；第二种方法虽然解决了腐蚀问题，但是燃料气体与MEA的接触面积并未增加，反应效率未能得到提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供质子交换膜燃料电池电堆的制造方法。本发明反应效率高、能量密度高、轻量化以及耐腐蚀。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：

(1)常温下，市售的“五合一”MEA较脆，延展性较差，但加热温度，可以进行热压成形而不影响其整体化学物理性能。本发明采用热压法将平面MEA加工成波状，以利于提高反应气体与MEA的接触面积，从而提高反应效率。

(2)采用微细冲压工艺将平面超薄金属极板冲孔，致密的网孔有利于气体通过极板进入扩散层进而在PEM两侧发生反应。再将带孔的极板冲压成与波状MEA相匹配的波浪型，得到单极板。

(3)采用激光焊接技术将一对单极板焊接成双极板。本发明采用光纤激光器能显著提高激光焊接效率。

(4)采用循环伏安法在金属表面电镀一层导电聚合物聚苯胺，即起到保护金属极板的作用，又能起到导电作用，较小程度上影响接触电阻。解决了质子交换膜燃料电池工作在酸性环境，金属极板极易腐蚀的问题。