氢气极板、单电池、电堆以及燃料电池的制作方法

1.本技术涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种氢气极板、单电池、电堆以及燃料电池。


背景技术：

2.氢空燃料电池是一种以氢气作还原剂，氧气作氧化剂，通过氧化还原反应将化学能转变为电能的装置，其具有能量转化率高、清洁环保、噪音低等优点。目前，氢空燃料电池在汽车、电站、便携式移动电源、应急电源以及家庭电源等领域得到了广泛的应用。
3.在氢空燃料电池的结构中，氢气极板是重要组成部分之一，其对电池的性能具有较大的影响。因此，改善氢气极板的结构组成，对氢空燃料电池的电学性能提升具有重要意义。


技术实现要素：

4.基于此，有必要提供一种改善氢空燃料电池电学性能的氢气极板，以及包括所述氢气极板的单电池、电堆和燃料电池。
5.为了解决以上技术问题，本技术的技术方案为：
6.一种氢气极板，包括层叠设置的金属扩散板、泡沫金属层以及金属流道板；所述泡沫金属层位于所述金属扩散板和所述金属流道板之间。
7.在其中一些实施例中，所述金属流道板上设有容纳槽，所述容纳槽的槽口朝向所述金属扩散板，所述泡沫金属层位于所述容纳槽内。
8.在其中一些实施例中，所述泡沫金属层的孔隙率为60％～90％。
9.在其中一些实施例中，所述泡沫金属层的厚度为0.2mm～0.5mm。
10.在其中一些实施例中，所述泡沫金属层为泡沫不锈钢层、泡沫钛层或者泡沫钛合金层。
11.在其中一些实施例中，所述金属扩散板的厚度为0.05mm～0.2mm。
12.在其中一些实施例中，所述金属扩散板为不锈钢扩散板、钛扩散板或者钛合金扩散板。
13.在其中一些实施例中，所述金属流道板的厚度为0.1mm～0.3mm。
14.在其中一些实施例中，所述金属流道板为不锈钢流道板、钛流道板或者钛合金流道板。
15.在其中一些实施例中，所述氢气极板还包括耐腐蚀层，所述耐腐蚀层位于所述金属扩散板的远离所述金属流道板的表面。
16.一种单电池，包括膜电极、气体流路件以及上述任一实施例中所述的氢气极板，所述膜电极连接于所述氢气极板，所述气体流路件位于所述金属流道板的远离所述金属扩散板的表面。
17.在其中一些实施例中，所述气体流路件为泡沫金属气体流路件。
18.在其中一些实施例中，所述泡沫金属气体流路件的孔隙率为60％～90％。
19.在其中一些实施例中，所述泡沫金属气体流路件为泡沫不锈钢气体流路件、泡沫钛气体流路件或者泡沫钛合金气体流路件。
20.在其中一些实施例中，所述流路件具有弯折结构。
21.一种电堆，包括多个上述任一实施例中所述的单电池，多个所述单电池层叠设置，其中，所述氢气极板和所述气体流路件依次交替设置。
22.一种燃料电池，包括上述任一实施例中所述的单电池或者上述电堆。
23.上述氢气极板中，通过金属扩散板、泡沫金属层以及金属流道板的层叠设置，并使泡沫金属层位于金属扩散板和金属流道板之间，金属扩散层、泡沫金属层以及金属流道板都是金属材质，具有良好的导电性能。泡沫金属层具有多孔结构，可以作为氢气流路，这样可以在利于氢气均匀扩散的基础上，提高氢气极板的导电性能，进而改善氢空燃料电池的电学性能。
24.进一步地，上述氢气极板中，金属扩散层、泡沫金属层以及金属流道板都是金属材质。相较于传统的石墨氢气极板而言，上述氢气极板具有更好的机械强度，可以使氢空燃料电池保持更加稳定的结构和性能。
25.同时，上述氢气极板中，泡沫金属层的引入有利于氢气极板的轻量化设计，可以在使氢气极板在具有良好电学性能的基础上，兼顾质量轻的特点，有利于改善氢气极板的综合性能。
附图说明
26.图1为本技术一实施例中氢气极板的结构示意图。
27.图2为图1对应的氢气极板的爆炸图。
28.图3为本技术一实施例中单电池的结构示意图。
29.图4为图3对应的单电池的爆炸图。
30.图5为本技术一实施例中空冷电堆的结构示意图。
31.图6为图5对应的空冷电堆的爆炸图。
32.图7为本技术一实施例中放电等离子烧结的示意图。
33.图中标记说明：
34.10、氢气极板；101、金属扩散板；1011、第一固定孔；102、泡沫金属层；103、金属流道板；1031、容纳槽；1032、第二固定孔；20、单电池；201、膜电极；202、气体流路件；30、电堆。
具体实施方式
35.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本技术的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术。但是本技术能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本技术内涵的情况下做类似改进，因此本技术不受下面公开的具体实施例的限制。
36.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或
位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
37.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
38.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
39.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
40.请参阅图1和图2，本技术一实施方式提供了一种氢气极板10。该氢气极板10包括层叠设置的金属扩散板101、泡沫金属层102以及金属流道板103；泡沫金属层102位于金属扩散板101和金属流道板103之间。
41.在上述实施方式的氢气极板10中，通过金属扩散板101、泡沫金属层102以及金属流道板103的层叠设置，并使泡沫金属层102位于金属扩散板101和金属流道板103之间，金属扩散层101、泡沫金属层102以及金属流道板103都是金属材质，具有良好的导电性能。泡沫金属层102具有多孔结构，可以作为氢气流路，这样可以在利于氢气均匀扩散的基础上，提高氢气极板10的导电性能，进而改善氢空燃料电池的电学性能。
42.进一步地，上述氢气极板10中，金属扩散层101、泡沫金属层102以及金属流道板103都是金属材质。相较于传统的石墨氢气极板而言，上述氢气极板10具有更好的机械强度，可以使氢空燃料电池保持更加稳定的结构和性能。
43.同时，上述氢气极板10中，泡沫金属层102的引入有利于氢气极板10的轻量化设计，可以在使氢气极板10在具有良好电学性能的基础上，兼顾质量轻的特点，有利于改善氢气极板的综合性能。
44.可以理解的是，金属扩散板101具有多孔结构(图中未示出)。进一步地，金属扩散板101的多孔结构为均匀多孔结构。
45.请再次参阅图2，金属流道板103上设有容纳槽1031，容纳槽1031的槽口朝向金属扩散板101，泡沫金属层102位于容纳槽1031内。在金属流道板103上设置容纳槽1031，可以将泡沫金属层102容纳在容纳槽1031内，便于泡沫金属层102的定位和稳定成型。可选地，容纳槽1031的深度与泡沫金属层102的厚度相等。
46.在一些实施方式中，泡沫金属层102的孔隙率为60％～90％。可选地，泡沫金属层102的孔隙率为60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％等。泡沫金属层102具有较大的孔隙率，便于氢气流通，可以为氢气提供更为丰富的流路。可以理解的是，泡沫金属层102的孔隙率还可以在60％～90％范围内做其他合适的选择。
47.在一些实施方式中，泡沫金属层102的厚度为0.2mm～0.5mm。可选地，泡沫金属层102的厚度为0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm、0.5mm等。可以理解的是，泡沫金属层102的厚度还可以在0.2mm～0.5mm范围内做其他合适的选择。
48.在一些实施方式中，金属流道板103的厚度为0.1mm～0.3mm。比如，金属流道板103的厚度可以是但不限定为0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm等。可以理解的是，金属流道板103的厚度还可以在0.1mm～0.3mm范围内做其他合适的选择。
49.在一些实施方式中，金属扩散板101的厚度为0.05mm～0.2mm。例如，金属扩散板101的厚度可以是但不限定为0.05mm、0.1mm、0.15mm、0.2mm等。可以理解的是，金属扩散板101的厚度还可以在0.05mm～0.2mm范围内做其他合适的选择。
50.可选地，金属扩散板101上设有第一固定孔1011，金属流道板103上设有第二固定孔1032，可以通过第一固定孔1011和第二固定孔1032配合固定件(图中未示出)对氢气极板10进行安装。比如，可以通过第一固定孔1011和第二固定孔1032配合固定件将氢气极板10安装到其他元件上，也可以通过第一固定孔1011和第二固定孔1032配合固定件将其他元件安装到氢气极板10上。再比如，当需要在氢气极板上安装膜电极(mea)时，可以通过第一固定孔1011和第二固定孔1032配合固定件将膜电极安装到氢气极板10上。可以理解的是，固定件可以是但不限定为螺钉、螺杆、铆钉、销钉等。还可以理解的是，第一固定孔1011和第二固定孔1032配合固定件是将固定件穿过第一固定孔1011和第二固定孔1032，进而实现固定。
51.在一些实施方式中，泡沫金属层102为泡沫不锈钢层、泡沫钛层或者泡沫钛合金层。可选地，泡沫金属层102的制备材料包括泡沫不锈钢、泡沫钛以及泡沫钛合金中的至少一种。可选地，不锈钢为316l不锈钢。
52.在一些实施方式中，金属流道板103为不锈钢流道板、钛流道板或者钛合金流道板。可选地，金属流道板103的制备材料包括不锈钢、钛以及钛合金中的至少一种。可选地，不锈钢为316l不锈钢。
53.在一些实施方式中，金属扩散板101为不锈钢扩散板、钛扩散板或者钛合金扩散板。可选地，金属扩散板101的制备材料包括不锈钢、钛以及钛合金中的至少一种。可选地，不锈钢为316l不锈钢。
54.在一些实施方式中，氢气极板10还包括耐腐蚀层(图中未示出)，耐腐蚀层位于金属扩散板101的远离金属流道板103的表面。可选地，耐腐蚀层的材料包括石墨。进一步可选地，耐腐蚀层为石墨层。再进一步可选地，耐腐蚀层的厚度为5μm～10μm。耐腐蚀层的厚度太小可能导致致密性较差，耐腐蚀层太厚则可能给氢气极板10的导电性带来不利影响。可以理解的是，耐腐蚀层的厚度可以是但不限定为5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm等。还可以理解的是，耐腐蚀层的厚度还可以在5μm～10μm厚度范围内做其他合适的选择。
55.请参阅图3和图4，本技术一实施方式提供了一种单电池20，该单电池20包括膜电极(mea)201、气体流路件202以及上述氢气极板10，膜电极201连接于氢气极板10，气体流路件202位于金属流道板103的远离金属扩散板101的表面。在本实施方式的单电池20中，氢气极板10具有良好的导电性能，并且通过氢气极板10可以为氢气提供丰富的流路，通过气体流路件202可以为空气或氧气提供丰富的流路，使得单电池20具有良好的电学性能。同时，上述氢气极板10具有良好的机械强度和较轻的质量，使得单电池20也具有良好的机械强度
和较轻的质量，为燃料电池的轻量化设计提供了一种思路。
56.在一些实施方式中，膜电极202连接于金属流道板103的远离金属扩散板101的表面。可选地，膜电极202分为多个子电极，气体流路件202位于多个子电极之间。可选地，可以通过第一固定孔1011和第二固定孔1032以及固定件的配合将膜电极202固定在氢气极板10上，可选地，固定件可以是但不限定为螺钉、螺杆、铆钉、销钉等。
57.在一些实施方式中，气体流路件202为泡沫金属气体流路件。采用泡沫金属气体流路件，可以进一步降低单电池20的质量，并且可以为空气或氧气提供更为丰富的流路，有利于进一步改善单电池20的综合性能。可选地，气体流路件202的材料为泡沫金属。
58.可选地，泡沫金属气体流路件的孔隙率为60％～90％。比如，泡沫金属气体流路件的孔隙率为60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％等。泡沫金属气体流路件具有较大的孔隙率，便于空气或氧气流通，可以为空气或氧气提供更为丰富的流路。可以理解的是，泡沫金属气体流路件的孔隙率还可以在60％～90％范围内做其他合适的选择。
59.进一步可选地，泡沫金属气体流路件为泡沫不锈钢气体流路件、泡沫钛气体流路件或者泡沫钛合金气体流路件。可选地，泡沫金属气体流路件的制备材料包括泡沫不锈钢、泡沫钛以及泡沫钛合金中的至少一种。可选地，不锈钢为316l不锈钢。
60.请再次参阅图4，在一些实施方式中，气体流路件202具有弯折结构，以形成更加丰富的气体流路。
61.请参阅图5和图6，本技术一实施方式提供了一种电堆30。该电堆30包括多个上述单电池20，多个单电池20层叠设置，其中，氢气极板10和气体流路件202依次交替设置。通过多个单电池20的层叠设置，可以形成满足功率要求的电堆30，使电堆30满足使用要求。
62.可以理解的是，上述实施方式的电堆30可以作为空冷电堆使用。此时，电堆为空冷电堆，即空冷电堆包括多个上述单电池20，多个单电池20层叠设置，其中，氢气极板10和气体流路件202依次交替设置。在空冷电堆使用时，不需要强制高压辅助设备，只需要配置12v风机即可为电堆提供反应物空气或氧气，同时风机也可为电堆散热。另外，反应物氢气的使用压力也很低，也不需要强制高压辅助设备。
63.除了上述氢气极板10、单电池20以及电堆30，本技术还有一实施方式提供了一种燃料电池，该燃料电池包括上述单电池20或者上述电堆30。可以理解的是，燃料电池可以使空冷燃料电池。
64.另外，本技术还有一实施方式提供了一种氢气极板的制备方法。该氢气极板的制备方法包括如下步骤：将金属流道板、泡沫金属以及金属扩散板层叠放置，使泡沫金属位于金属流道板和金属扩散板之间，得到预成品；将预成品进行放电等离子烧结。采用本实施方式中的方法制备氢气极板时，通过放电等离子烧结(sps)，可以使金属流道板和金属扩散板很好地结合，形成稳定的氢气极板。另外，在放电等离子烧结时，金属流道板和金属扩散板可以通过表面原子扩散融合为一体，可以实现良好的结合效果，不需要额外使用密封胶等密封材料来实现金属流道板和金属扩散板之间的结合。同时，传统的密封胶得到的氢气极板结合性能欠佳，耐久性较低。采用放电等离子烧结得到的氢气极板在具有良好的结合效果的基础上，耐久性也大大提高。
65.在一些实施方式中，放电等离子烧结的温度为730℃～850℃。可选地，放电等离子烧结的温度为730℃、740℃、750℃、760℃、770℃、780℃、790℃、800℃、810℃、820℃、830
℃、840℃、850℃等。可理解的是，放电等离子烧结的温度还可以在730℃～850℃范围内做其他合适的选择。
66.在一些实施方式中，放电等离子烧结的压力为0.5kg/cm2～5kg/cm2。可选地，放电等离子烧结的压力为0.5kg/cm2、1kg/cm2、1.5kg/cm2、2kg/cm2、2.5kg/cm2、3kg/cm2、3.5kg/cm2、4kg/cm2、4.5kg/cm2、5kg/cm2等。可理解的是，放电等离子烧结的压力还可以在0.5kg/cm2～5kg/cm2范围内做其他合适的选择。
67.在一些实施方式中，放电等离子烧结的时间为5min～25min。可选地，放电等离子烧结的时间为5min、6min、7min、8min、9min、10min、11min、12min、13min、14min、15min、16min、17min、18min、19min、20min、21min、22min、23min、24min、25min等。可理解的是，放电等离子烧结的时间还可以在5min～25min范围内做其他合适的选择。
68.可以理解的是，放电等离子烧结在真空条件下进行。
69.可以理解的是，将预成品放入石墨夹具内，然后将石墨夹具和预成品放入放电等离子烧结设备中进行放电等离子烧结。可选地，可以通过选择合适的石墨夹具，同时装入多个预成品进行烧结，以提高氢气极板的制备效率，有利于大批量生产。可选地，在石墨模具中同时装入1～10个预成品，可以同时得到1～10个氢气极板。
70.可以理解的是，将金属流道板、泡沫金属以及金属扩散板层叠放置时，将泡沫金属铺在金属流道板的表面。可选地，金属流道板上开设有容纳槽，将泡沫金属铺在容纳槽内。
71.在一些实施方式中，放电等离子烧结时，对预成品的上下表面分别施加0.5kg/cm2～5kg/cm2的压力。可选地，对预成品的上下表面施加相等的压力。进一步可选地，对上下表面同时施加相同的压力。可以理解的是，预成品的上下表面表示垂直于预成品厚度方向的表面。
72.在一些实施方式中，在放电等离子烧结之前，在金属扩散板的远离金属流道板的表面涂覆耐腐蚀材料。然后在放电等离子烧结过程中，耐腐蚀耐材料在金属扩散板的远离金属流道板的表面形成耐腐蚀层。可选地，耐腐蚀材料为石墨。
73.请参阅图7，在进行放电等离子烧结时，将预成品放入石墨夹具内，然后在真空条件下进行烧结。放电等离子烧结时，对预成品的上下表面分别施加压力。
74.以下为具体实施例。
75.实施例中氢气极板的制备步骤为：将金属流道板、泡沫金属以及金属扩散板层叠放置，使泡沫金属位于所述金属流道板和金属扩散板之间，得到预成品；将预成品放入石墨夹具中，在真空条件下进行放电等离子烧结。其中，金属流道板为钛板，厚度为0.2mm。泡沫金属为泡沫钛，泡沫金属层的厚度为0.3mm。金属扩散板为钛板，厚度为0.1mm。
76.在放电等离子烧结时，各实施例的烧结温度、压力以及时间如表1和表2所示。在放电等离子烧结时，对预成品的上下表面同时施加相同的压力。
77.通过实施例对放电等离子烧结的效果进行了测试。其中，烧结时在不同的烧结条件下，得到的氢气极板的性能如表1和表2所示。
78.表1
[0079][0080]
表2
[0081][0082]
在表1和表2中，
“×”
代表有泄漏，不合格。
“○”
代表无泄漏且极板形状完整，合格。
“△”
代表无泄露但泡沫金属层的流路中空部有变形现象。
[0083]
由表1和表2可以看出：
[0084]
(1)当烧结温度为700℃时，改变压力和时间，得到的氢气极板均有泄漏，为不合格。
[0085]
(2)当烧结温度为730℃～830℃、压力为0.5kg/cm2～5kg/cm2、时间为5min以上，得到的氢气极板无泄漏且极板形状完整，为合格。
[0086]
(3)当烧结压力为7kg/cm2时，得到的氢气极板无泄露但泡沫金属层的流路中空部有变形现象。
[0087]
(4)当烧结温度为860℃，得到的氢气极板无泄露但泡沫金属层的流路中空部有变形现象。
[0088]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0089]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准，说明书可以用于解释权利要求的内容。

技术特征：
1.一种氢气极板，其特征在于，包括层叠设置的金属扩散板、泡沫金属层以及金属流道板；所述泡沫金属层位于所述金属扩散板和所述金属流道板之间。2.根据权利要求1所述的氢气极板，其特征在于，所述金属流道板上设有容纳槽，所述容纳槽的槽口朝向所述金属扩散板，所述泡沫金属层位于所述容纳槽内。3.根据权利要求1所述的氢气极板，其特征在于，所述泡沫金属层满足以下特征中的至少一个：(1)所述泡沫金属层的孔隙率为60％～90％；(2)所述泡沫金属层的厚度为0.2mm～0.5mm；(3)所述泡沫金属层为泡沫不锈钢层、泡沫钛层或者泡沫钛合金层。4.根据权利要求1～3中任一项所述的氢气极板，其特征在于，所述金属扩散板满足以下特征中的至少一个：(1)所述金属扩散板的厚度为0.05mm～0.2mm；(2)所述金属扩散板为不锈钢扩散板、钛扩散板或者钛合金扩散板。5.根据权利要求1～3中任一项所述的氢气极板，其特征在于，所述金属流道板满足以下特征中的至少一个：(1)所述金属流道板的厚度为0.1mm～0.3mm；(2)所述金属流道板为不锈钢流道板、钛流道板或者钛合金流道板。6.根据权利要求1～3中任一项所述的氢气极板，其特征在于，还包括耐腐蚀层，所述耐腐蚀层位于所述金属扩散板的远离所述金属流道板的表面。7.一种单电池，其特征在于，包括膜电极、气体流路件以及权利要求1～6中任一项所述的氢气极板，所述膜电极连接于所述氢气极板，所述气体流路件位于所述金属流道板的远离所述金属扩散板的表面。8.根据权利要求7所述的单电池，其特征在于，所述气体流路件满足以下特征中的至少一个：(1)所述气体流路件为泡沫金属气体流路件；(2)所述泡沫金属气体流路件的孔隙率为60％～90％；(3)所述泡沫金属气体流路件为泡沫不锈钢气体流路件、泡沫钛气体流路件或者泡沫钛合金气体流路件；(4)所述流路件具有弯折结构。9.一种电堆，其特征在于，包括多个权利要求7～8中任一项所述的单电池，多个所述单电池层叠设置，其中，所述氢气极板和所述气体流路件依次交替设置。10.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求7～8中任一项所述的单电池或者权利要求9所述的电堆。

技术总结
本申请涉及一种氢气极板、单电池、电堆以及燃料电池。氢气极板中，通过金属扩散板、泡沫金属层以及金属流道板的层叠设置，并使泡沫金属层位于金属扩散板和金属流道板之间，金属扩散层、泡沫金属层以及金属流道板都是金属材质，具有良好的导电性能。泡沫金属层具有多孔结构，可以作为氢气流路，这样可以在保持氢气正常流通的基础上，提高氢气极板的导电性能，进而改善氢空燃料电池的电学性能。进而改善氢空燃料电池的电学性能。进而改善氢空燃料电池的电学性能。


技术研发人员：江川益博
受保护的技术使用者：广州合之源氢能科技有限公司
技术研发日：2022.12.28
技术公布日：2023/8/26