[发明专利]一体化金属-石墨复合双极板燃料电池轻型电堆及其制造方法

权利要求书

1.一体化金属-石墨复合双极板燃料电池轻型电堆，主要包括膜电极、双极板、采电板、端板和燃料气体进出管道，所述膜电极是在聚合物电解质膜的两侧分别依次布有催化层和气体扩散层，其特征在于，所述双极板为金属波纹板和石墨板构成的一体化金属-石墨复合双极板，其中金属波纹板为阴极板，金属波纹板上凸起的脊内腔为氧气流场，凸起的脊同时兼顾散热肋片；石墨板为阳极板，其是在石墨板本体的一侧表面具有氢气流场，并在该侧表面的边缘设有密封槽，石墨板本体的另一侧为石墨板波纹结构；石墨板通过石墨板波纹结构嵌入金属波纹板中并连接为一体；

N+1片一体化金属-石墨复合双极板和N片膜电极依次堆叠，其中石墨板的密封槽中设有密封垫，使石墨板与膜电极之间形成氢气的电化学反应密闭空间；金属波纹板与膜电极之间为与大气贯通的敞开空间；

在堆叠体上下两侧分别依次布置采电板和端板，并由螺杆连接紧固。

2.根据权利要求1所述的一体化金属-石墨复合双极板燃料电池轻型电堆，其特征在于，所述石墨板的原料组成以质量百分含量计为：68％～78％的石墨基材，10％～20％的粘结剂，5％的增强剂，2％的导电填料和5％的负温度系数热敏电阻材料。

3.根据权利要求2所述的一体化金属-石墨复合双极板燃料电池轻型电堆，其特征在于，所述石墨基材选自天然石墨、人造石墨、膨胀石墨；所述粘结剂选自酚醛树脂、环氧氟乙烯基树脂；所述增强剂选自碳纳米管、碳纤维；所述导电填料选自炭黑、金属粉；所述的负温度系数热敏电阻材料采用Mn-Cu-X系列的热敏电阻。

4.根据权利要求1所述的一体化金属-石墨复合双极板燃料电池轻型电堆，其特征在于，所述石墨板本体的厚度为0.4～1mm。

5.根据权利要求1所述的一体化金属-石墨复合双极板燃料电池轻型电堆，其特征在于，所述氢气流场为氢气的扩散和电化学反应生成的水的排出提供通道，氢气流场为平行直流场、蛇形流场、交织流场或点状流场，氢气流场的深度为0.05～0.5mm。

6.根据权利要求1所述的一体化金属-石墨复合双极板燃料电池轻型电堆，其特征在于，所述金属波纹板的板材厚度为0.05～0.2mm。

7.根据权利要求1所述的一体化金属-石墨复合双极板燃料电池轻型电堆，其特征在于，所述金属波纹板与膜电极接触的表面采用表面改性处理技术进行良导电和耐腐蚀涂层处理，具体是在金属波纹板表面覆盖贵金属层、氮化钛层、碳化钛层或镍基金属层。

8.根据权利要求1所述的一体化金属-石墨复合双极板燃料电池轻型电堆，其特征在于，所述膜电极中，在聚合物电解质膜的边缘设有护卡膜。

9.一体化金属-石墨复合双极板燃料电池轻型电堆的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)一体化金属-石墨复合双极板的制备：

①将金属薄板的一侧表面覆盖贵金属层、氮化钛层、碳化钛层或镍基金属层进行表面的良导电和耐腐蚀涂层改性处理；

②经表面改性处理的一面朝下将金属薄板放在具有波纹面的下模具上，用20MPa的力将金属薄板预压成型；

③以质量百分含量计，将68％～78％的石墨基材，10％～20％的粘结剂，5％的增强剂，2％的导电填料和5％的负温度系数热敏电阻材料充分混合得到石墨复合粉体，将石墨复合粉体填入下模具中，使金属波纹板上侧的波纹腔填充满，并继续填充一定厚度，然后盖上具有微型流道的上模具，采用模压成型方法加热加压一次成型，制得一体化金属-石墨复合双极板；

2)膜电极的制备：通过热压的方法将两侧带有催化层的聚合物电解质膜、气体扩散层和护卡膜封装成一体电芯；

3)燃料气体进气管和燃料气体出气管分别垂直固定在下端板两端的孔中，采电板套入燃料气体进气管和燃料气体出气管并覆盖在下端板上，按照一体化金属-石墨复合双极板、密封垫、膜电极、一体化金属-石墨复合双极板的顺序，将N片膜电极和N+1片一体化金属-石墨复合双极板依次套入燃料气体进气管和燃料气体出气管堆叠在采电板上，然后在上端依次设置采电板和上端板，再通过螺杆紧固，组装成一体化金属-石墨复合双极板燃料电池轻型电堆。