CN101359742B - 质子交换膜燃料电池双极板 - Google Patents

Abstract

本发明是对质子交换膜燃料电池双极板的改进，其特征是中间冷却剂流场由柔性石墨板制成，柔性石墨板外周有硬质厚度限位框。柔性石墨的柔软及具有一定的弹性变形性，不仅可以补偿阳极流场板和阴极流场板加工不可避免的不平整偏差，可以确保流场板面接触紧密压合，有效减小了流场板间接触电阻，可以实现接触电阻最小化结合，基本上没有界面电压损失；而且其优良的平面导热性，提高了冷却效果，限制了电池堆的温升，组装电池电性能好；此外，柔性石墨，质地相对较软，水流槽深度相对可以低一些，更是使得加工容易。组合性能明显优于硬质石墨冷却流场及柔性石墨反应气体流场。三流场板分开单独制作，流场更改容易，可以实现各流场独立优化。

Description

质子交换膜燃料电池双极板

技术领域

本发明是对质子交换膜燃料电池双极板的改进，尤其是对双极板散热冷却流场的改进。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)，是一种直接将氢燃料及氧化剂中的化学能，转化成电能及其产物的发电装置。PEMFC单电池电压很低，约0.6～0.7V，为了获得有用的电流和电压，需要把多个单电池串联起来构成一个电池堆。用于分隔相邻两个单电池的隔板称双极板，为了从燃料电池堆内移出反应热，每片双极板中间均设计有冷却剂通道，因此，通常的双极板均是由含流场的阳极板、阴极板和冷却剂流场构成。为在一片电极的阳极和另一片相邻电极的阴极之间传递电流，构成双极板的三个流场板必须机械和电连接在一起，并且保证小的接触电阻，及不漏气、不漏水，同时双极板的成本也直接影响燃料电池的实用程度。

传统的双极板，通常结构有：一片板上含有阳极流场，另一片板上含有阴极流场和冷却剂流场；或一片板上含有阴极流场，另一片板上含有阳极流场和冷却剂流场；或一片板上含有阳极流场和半部分冷却剂流场，另一片板上含有阴极流场和另半部分冷却剂流场，均为两片板组合结构。两片板按所采用材料不同，有采用粘结剂粘结(石墨或树脂复合双极板)或焊接(金属双极板)，将两片板机械和电连接结合在一起。这种由硬质材料石墨或金属板组成的双极板，虽然极板有高的电导率，但主要不足是：因流场图案加工精度要求极高，带冷却剂流场硬极板加工复杂、难度大，生产成本较高，例如采用硬石墨板需要至少机械铣加工三个面，采用金属板或模压石墨板，模具压制流场，不仅模具复杂，而且因流场沟槽细小并需保持一定深度，造成脱模困难，同样生产成本也较高；其次，组合极板硬面与硬面结合，不仅硬质材料难以紧密压合，而且极板加工不可避免的不平整偏差，均导致接触电阻增大，造成组装电池电性能差；再就是，这种冷却剂流场与极板合在一起结构，造成极板更改流场受到限止，极板流场设计灵活性较低。上述均直接影响燃料电池的应用程度。

中国专利CN1675791公开的用于燃料电池的双极板，是在加工有气体通道流场图案的两金属箔层间，通过扩散结合或钎焊结合导电多孔材料(金属泡沫或碳或石墨泡沫)冷却剂流场。此虽然将两极板与冷却流场分开，提高了极板流场加工的灵活性，并降低了流场加工难度。但导电多孔材料作冷却剂流场，只是利用自身的微孔作为冷却剂通道，细小、曲折的孔径，冷却剂流畅受到阻碍，降低了冷却效果，而质子交换膜燃料电池，属于低温电堆，温度一般不宜超过80℃，如果冷却效果不佳则会影响电堆性能；其次，泡沫材料纯底相对低，则带来导电性变差，同样会影响组装电堆是性能；再就是，微孔型冷却剂通道，对冷却水要求较高，需另外增加冷却水处理系统。

中国专利CN2911972公开的复合型燃料电池双极板，采用极板与冷却剂流场独立分开贴合组合结构，并为降低极板流场加工难度，采用柔性石墨板作为反应气体流场板，硬质石墨板作为冷却剂流场板，并由密封板条封盖在柔性石墨板边缘，二片或三片结合组成双极板。但此组成的双极板只能适用于空气冷却型燃料电池双极板，并且柔性石墨板作为双极板的反应气体(氢气和空气)流场，柔性石墨的易变形性，在组合电池堆过程中受压，容易使原设计气体流场发生变形，通入的冷却空气压力，也会造成反应气体流场发生变形。反应气体流场变形，将影响反应气体的传输和扩散，造成电池性能的降低；其次，为防止反应气体流场变形，柔性石墨流场必须深加工，由于柔性石墨材质制约，深加工流场比较困难，实际降低成本作用不大。因此该双极板虽然改进了反应气体流场加工难度，但存在的其他不足，使得实际改进效果仍不理想。

世界专利WO2005/006472A1公开了一种在两片极板间设置柔性石墨层冷却剂流场，其目的是解决极板间叠合平整问题。但中间石墨层流场周边缺少密封及限位组件，因无法密封只适用空气作冷却介质的空气冷却型燃料电池，不能用冷却效率高的水作冷却介质，限制了组装电堆功率的增大，给应用带来限制，只能做一些小型电池，不能做大功率的动力电池；其次，在单片叠合组装压力下，各片流场深度难以保证，从而使得组装电堆的均匀性难以保证。仍有值得改进的地方。

发明内容

本发明的目的在于克服上述种种已有技术的不足，提供一种既能有效保证反应气体流场，且极板流场加工、更改相对容易，流场板接触紧密，接触电阻小，组装电池性能好的质子交换膜燃料电池双极板。

本发明目的实现，主要改进是将冷却剂流场独立采用富有弹性的柔性石墨板制作，从而克服上述现有技术的不足，实现本发明目的。具体说，本发明质子交换膜燃料电池双极板，有分立的阳极流场、冷却剂流场和阴极流场组合成一体，其特征在于所说冷却剂流场由柔性石墨板制成，柔性石墨板外周有硬质厚度限位框，所说柔性石墨板厚度大于厚度限位框。

本发明中，阳极流场板和阴极流场板及流场，与通常双极板相似，可以为金属，也可以为石墨，还可以为树脂复合材料，流场图案形状可以根据设计需要确定，流场的加工也按现有技术实施。

柔性石墨板外周的硬质厚度限位框，主要是在组装极板和电堆时，为确保中间柔性石墨冷却剂流场保持一定厚度，所说厚度限位框，如果阳极和阴极流场板为金属，则中间柔性石墨流场四周厚度限位框采用金属框；如果阳极和阴极流场板为石墨，则在中间柔性石墨流场四周厚度限位框采用非金属框。厚度限位框通过焊接或粘结方式，粘结在一块流场极板反面。

为确保阳极流场板、冷却剂流场板、阴极流场板贴面叠合有很好的导电性能和导热性能，应使柔性石墨冷却剂流场的厚度厚于厚度限位框厚度，例如比厚度限位框厚50-100微米，柔性石墨冷却剂流场板厚度过盈，可以在压合时使柔性石墨发生压缩变形，并保持一定的回弹力，从而有利于流场板间紧密结合，以及弥补各流场板加工可能造成的不平整偏差，使三片流场板保持优良的面接触，从而提高流场板间接触导电性能，使双极板具有较小的接触电阻，以及优良的导热性能，同时必然也具有很好的密封性能。微小量的厚度过盈，其变形基本不会影响冷却流场变形，而且冷却流场精度要求远低于气体流场。柔性石墨冷却剂流场加工，可以采用与极板流场相似的雕刻加工方法，也可以采用模压方式。

本发明质子交换膜燃料电池双极板，由于选择采用柔性石墨作双极板中间冷却水流场，柔性石墨的柔软及具有一定的弹性变形性，不仅可以补偿阳极流场板和阴极流场板加工不可避免的不平整偏差，可以确保流场板面接触紧密压合，有效减小了流场板间接触电阻，可以实现接触电阻最小化结合，基本上没有界面电压损失；而且其优良的平面导热性，提高了冷却效果，限制了电池堆的温升，组装电池电性能好；此外，柔性石墨，质地相对较软，水流槽深度又相对可以低一些，更是使得加工容易。本发明双极板克服了现有技术双极板种种不足，组合性能明显优于硬质石墨冷却流场及柔性石墨反应气体流场。三流场板分开单独制作，流场加工及更改容易，并可以实现各流场独立优化。

以下结合二个具体实施方式，示例性说明本发明。

具体实施方式

实施例1：本发明质子交换膜燃料电池双极板，分别用涂有防腐蚀层的不锈钢，压制阳极流场和阴极流场制成极板流场，取厚度5mm的柔性石墨板，模压或雕刻流场图案，将厚度为4.5mm金属厚度限位框焊接于一流场极板背面，三者定位叠合，放入压装机中压合组成双极板。

实施例2：如实施例1，极板采用硬质石墨板，厚度限位框也采用硬质石墨制成，用导电粘合剂粘结于一流场极板背面。

Claims (1)

1.质子交换膜燃料电池双极板，由阳极流场板、冷却剂流场板以及阴极流场板组合成一体并分别形成分立的阳极流场、冷却剂流场和阴极流场，其特征在于所说冷却剂流场由柔性石墨板制成，柔性石墨板外周有硬质厚度限位框，所说柔性石墨板厚度大于厚度限位框，柔性石墨板厚度较厚度限位框厚50-100微米。