[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

说明书

本发明涉及一种一体化金属‑石墨复合双极板燃料电池轻型电堆。该电堆采用由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。本发明电堆的性能和稳定性得到显著的提升。因石墨板材料中掺杂负温度系数热敏电阻材料，能够显著缩小冷启动时间，并使得电堆能够在60℃以上的较高温度下正常应用。

技术领域

本发明属于燃料电池轻型电堆技术领域，特别涉及一种一体化金属-石墨复合双极板燃料电池轻型电堆及其制造方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)可直接将燃料中的化学能转化成电能而不经过燃烧，具有清洁、高效、节能、环保、结构简单、启动速度快、功率密度高、适用范围广等特性而得到了广泛关注，方便为交通及航空领域提供动力系统。双极板是PEMFC的核心部件，其重量占整个电堆的70％-80％，成本占电堆的50％以上。同时，双极板还起到分隔反应气体并通过流场将反应气体导入燃料电池、收集并传导电流和支撑膜电极、支撑膜电极组件、均匀分布反应气体的作用，还承担整个燃料电池系统的散热的任务，其性能优劣直接影响电池的输出功率和使用寿命。因此，开发轻型、易加工的双极板对于提高电堆比功率、降低生产成本、推动PEMFC商业化具有重要意义

双极板主要分为石墨双极板和金属双极板两大类。金属双极板具有厚度小、重量轻，易于批量生产，并可大幅提高燃料电池堆的比功率等特性而受到各界的关注。金属双极板是通过模压成型工艺将金属薄板(铝、镍、不锈钢薄板和钛带)冲压成具有各种流场的阴极、阳极单极板，再通过激光焊接将两片单极板焊接在一起构成双极板。金属板焊接只能是线接触或者是点接触，接触面窄，接触电阻大，且一般不平整。其中316L不锈钢强度高、耐腐蚀性能突出，是目前制作金属双极板最有前景的一种不锈钢材料。不锈钢材质的金属板也存在诸多问题，首先是不锈钢表面容易形成钝化膜，增加了电池的接触电阻，从而降低电池的功率输出。其次，质子交换膜燃料电池的工作环境pH＝2～4，不锈钢容易发生腐蚀产生金属铁离子、镍离子等，使催化剂中毒失去活性，降低电堆的使用寿命。石墨双极板具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性。但石墨的脆性造成了加工困难，因此石墨双极板的厚度都在2～3mm以上，其组装的电堆较金属双极板电堆的比功率降低。

燃料电池的比功率是衡量电堆性能好坏的一项重要参数。为了提高燃料电池的比功率，部分厂家选用纯钛(TA0、TA1、TA2)作为金属板材料，并将金属单极板的厚度薄化到0.1mm以下。一致为了追求电池的比功率密度，即降低金属板的厚度，而金属板薄化也带来了一系列的问题：金属板的薄化，大幅度地提高了金属板的加工费用；薄化的金属板平面一般不平整，增大接触电阻，降低电堆的性能输出；薄化的金属板制造的金属双极板也不平整，不但增大了双极板与膜电极之间的电阻，还使电堆在组装时会受力不均而影响电堆的一致性和稳定性；金属板薄化，其强度较低，给电堆的组装带来了许多困难；金属板薄化，电堆的强度不够，失去了支撑电堆和防震动的作用，使整个电堆的可靠性降低。专利CN104157895A中提到的聚合物电解质膜燃料电池轻型电堆及其制造方法，其特征是由一块金属波纹板和一块金属平板焊接构成金属双极板，双电极平板侧与膜电极的阳极接触，波纹面与膜电极的阴极接触，此专利中的所述的金属双极板空冷燃料电池的平板金属板无流场，存在诸多问题，首先，影响阳极气体在流场碳纸之间的扩散；其次阳极板无流场，易积水而造成阳极水淹；最后，金属平板与膜电极的阳极接触面积大，容易腐蚀。因此，CN104157895A中所属的双极板空冷堆的设计存在一定的技术缺陷。