CN101937997B - 质子交换膜燃料电池金属双极板及其构成的单池和电堆 - Google Patents

质子交换膜燃料电池金属双极板及其构成的单池和电堆 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池金属双极板及其构成的单池和电堆，所述的金属双极板为带有一定曲率的非平面弧形板，由金属薄板制成的阴极单极板和阳极单极板相对结合构成；两板的阴、阳极腔、冷却介质腔和流场区沟槽和凸台凸凹形状相互对应，分别组成燃料气体通道、氧化剂气体通道、冷却介质通道；将膜电极、单个双极板组合起来就可组成燃料电池单池，将多个单池叠加连接起来即可组成电堆。该双极板相对普通金属双极板有更好的机械性能，不易发生变形，安装后不易错动，稳定性高；且由于该双极板与膜电极扩散层之间接触良好从而内阻较低，能耗少，以此组成的电堆可以提供更高的输出电压和更大的输出功率。

Description

质子交换膜燃料电池金属双极板及其构成的单池和电堆
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池的双极板、以及由该双极板分别组成的燃料电池单池和电堆。
背景技术
质子交换膜燃料电池因其具有功率密度高、结构简单、启动速度快、无腐蚀等优点，适用范围广，从而成为研究热点之一。双极板是质子交换膜燃料电池的核心部件，占据电池组重量和成本的绝大部分，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的作用，同时还承担整个燃料电池系统的散热和排水功能，其性能优劣直接影响电池的输出功率和使用寿命。双极板的功能决定了它应达到以下要求：较低的面电阻、体电阻及与膜电极扩散层的接触电阻，低透气性，较好的耐腐蚀性，一定的机械强度，易于加工，较低的成本。
由于金属材料具有导电导热性好、机械强度高、容易薄片化、易加工等优点，而成为燃料电池双极板的主要材料。虽然，金属材料双极板由于良好的导电性、机械强度和低成本而成为研究热点，但是以往对金属双极板的研究普遍集中在材料的简单替代，如“竺斌，梅炳初，沈春晖所著《PEMFC复合双极板的研究进展》”中介绍了碳/碳复合双极板、聚合物/填料复合双极板及金属基复合双极饭的制备方法及其性能的研究进展，并对这些双极板材料的优缺点进行了比较；“施祥兰，倪红军，黄明宇所著《质子交换膜燃料电池双极板材料的研究进展》”中介绍了双极板材料的种类主要有石墨材料、金属或合金材料以及各种复合材料，并针对这些双极板材料的优缺点进行了比较；
“谭俊，石恭臣，毛爱清，陈林所著《PEMFC金属双极板表面改性技术》”中重点对金属双极板表面改性技术的国内外研究进展进行了较为详细的评述；“黄乃宝，衣宝廉，侯明，明平文所著《PEMFC薄层金属双极板研究进展》”中对铁基合金、镍基合金和铝、钛等轻金属三大类薄层金属板及其表面改性方法进行了详细评述，在此基础上提出了导电化合物和电化学方法对薄层不锈钢改性是今后薄层金属双极板的发展方向：
专利CN101572318A《一种质子交换膜燃料电池双极板》中所述的点状流道以使流体分配好，双极板有效使用面积高，加工简单，成本低；专利CN1889294A《用于质子交换膜燃料电池的组合式整体双极板》中所述的组合式整体双极板，重量轻，生产工艺简单，成本低廉；但是由于双极板必须满足实现单池之间电的联结功能，所以双极板必须是电的良导体，因此就要实现双极板流场区的凸台部分与膜电极扩散层的紧密接触以减小接触电阻。至今，绝大多数质子交换膜燃料电池的单池是按压滤机方式组装成为电池组，流场区的凸台部分靠电池组装力与膜电极扩散层接触。但是普通平面金属双极板由于在成形时的应力变化等因素的影响易发生翘曲变形而降低其平面度，最终导致流场区凸台部分与膜电极扩散层的接触不完全而减小接触面积，增大了接触电阻。
因而对改良双极板本身的结构以提高其机械性能和刚度并减小内阻和使其更易装配，从而使燃料电池的性能更加稳定和完善的研究就显得非常必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术不足而提供一种机械性能和刚度好、不易发生变形、安装后不易错动、稳定性高、内阻较低、能耗少、燃料利用率高的质子交换膜燃料电池金属双极板、以及由该双极板分别组成的燃料电池单池和电堆。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：
质子交换膜燃料电池金属双极板，由金属薄板制成的阴极单极板和阳极单极板相对结合构成；阴极单极板和阳极单极板的分别包括阴、阳极腔、冷却介质腔和各自的流场区沟槽和凸台；两板的阴、阳极腔、冷却介质腔和流场区沟槽和凸台相互对应，分别组成燃料气体通道、氧化剂气体通道、冷却介质通道；其特征在于：所述的金属双极板为带有一定曲率的非平面弧形板。
按上述方案，所述的燃料气体通道、氧化剂气体通道、冷却介质通道均在所述金属双极板的非平面弧形结构基础上建立。
按上述方案，所述金属双极板的非平面弧形结构包括柱面、球面、椭球面结构在内的所有非平面弧形结构。
按上述方案，两块板均为在金属薄板上成形出上述的阴、阳极腔、冷却介质腔和流场区沟槽和凸台。
按上述方案，两块板按照预先设定的结合轨迹相对结合而成所述金属双极板。
按上述方案，金属双极板的流场区为蛇形流道、平行流道或交叉梳状流道。
按上述方案，所述金属双极板的非平面弧形曲率半径为5000-8000mm。
利用上述金属双极板组成的燃料电池单池，主要包括金属双极板、催化剂层和质子交换膜；其中，金属双极板从外至内依次夹合催化剂层和质子交换膜，金属双极板的阴、阳极单极板和催化剂层之间还分别设置有气体扩散层；阴极单极板的流场凸台与该侧气体扩散层之间形成阴极气体通道，阳极单极板的流场凸台与该侧气体扩散层之间形成阳极气体流道；其特征在于：所述的金属双极板为由阴、阳极单极板相对结合而成的带有一定曲率的非平面弧形金属双极板。
利用上述金属双极板组成的燃料电池电堆，由多个燃料电池单池叠加而成；其中，每个燃料电池单池由单个的包含阴、阳极单极板的金属双极板从外至内依次夹合催化剂层和质子交换膜形成；每个单池的阴极板和与其相邻的另一个单池的阳极板之间通过流场沟槽夹合形成冷却介质通道；各阴、阳极单极板和其所在单池的催化剂层之间还分别设置有气体扩散层，各单池阴极单极板的流场凸台与该侧气体扩散层之间形成阴极气体通道，各单池阳极单极板的流场凸台与该侧气体扩散层之间形成阳极气体流道；其特征在于：所述的金属双极板为由阴、阳极单极板相对结合而成的带有一定曲率的非平面弧形金属双极板。
金属双极板的板面特征包括上述的气体通道和流场区等，另外还设置有密封槽。
双极板的非平面结构包括例如柱面、球面和椭球面结构等在内的所有非平面结构，其弯曲程度由曲率半径来衡量。
把已设计或选择好的膜电极、单个双极板、端板和垫圈组合起来就可组成燃料电池单池，将多个单池叠加连接起来即可组成燃料电池电堆。
相对于现有的普通金属双极板，本发明的有益效果是：
非平面金属双极板例如柱面金属双极板或球面金属双极板等相对普通金属双极板不易发生翘曲变形，故流场凸台与膜电极扩散层之间的接触良好，不会因双极板翘曲变形而减小接触面积增大接触电阻。此外，非平面金属双极板由于有一定的曲率，故不会像普通平面金属双极板一样易发生错动使燃料气体和氧化剂气体反应效率降低。同时，非平面金属双极板也不会影响到燃料电池的散热和排水功能。
由此，非平面金属双极板相对普通金属双极板有更好的机械性能，刚度好，不易发生变形，安装后不易错动，稳定性高，可靠性好，有利于延长燃料电池的寿命；且非平面金属双极板与膜电极扩散层之间接触良好从而内阻较低，能耗少，燃料利用率高，故以此非平面金属双极板为核心部件组成的电堆，可以提供更高的输出电压和更大的输出功率。
附图说明
图1为本发明的阳极板(空气板)的板面示意图；
图2为本发明的阴极板(氢气板)的板面示意图；
图3为本发明的金属双极板及其组成的燃料电池单池流场区部分剖面分解示意图；
图4为本发明的金属双极板及其组成的燃料电池电堆的流场区部分剖面分解示意图；
附图中，各附图标记对应如下：
1-阴极气体(氢气)腔、2-阳极气体(空气)腔、3-冷却介质(水)腔、4-双极板流场区、5-阴极板流场凸台、6-阴极板流场沟槽、A-阳极板流场凸台、B-阳极板流场沟槽、7-密封槽、8-结合轨迹、9-阴极板(氢气板)、10-阳极板(空气板)、11-气体扩散层、12-质子交换膜、13-催化剂、14-氢气流道、15-空气流道、16-水流道(腔)、17-柱面金属双极板
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
金属双极板中的氢气板和空气板的板面特征分别如图1和图2所示，分别包含氢气腔1、空气腔2、冷却介质腔3、密封槽7和结合轨迹8；两者的流场区4采用交叉梳状流道，包括流场凸台5、A和流场沟槽6、B；两者的氢气腔1、空气腔2、冷却介质腔3和流场区沟槽和凸台相互对应，分别组成燃料气体通道、氧化剂气体通道、冷却介质通道；氢气板和空气板按照预先设定的结合轨迹8以焊接或粘结等其它方式结合后其斜交叉的流道可将氢气与空气分流到各个平行的流道中参与反应，从而完成燃料电池的工作功能。
图3为本发明的双极板及其构成的燃料电池单池的剖面分解示意图，从外至内依次为空气板10和氢气板9、催化剂13和质子交换膜12，氢气板9的流场凸台与该侧气体扩散层11之间形成氢气流道14，空气板10的流场凸台与该侧气体扩散层之间形成空气流道15；空气板10、氢气板9和整个单池都有一定曲率，并采用柱面结构。金属双极板由两块大小为190×90mm、厚度为0.1mm的薄板成形所述板面特征和整体结构，曲率半径为6000mm，也可以在5000-8000mm的范围内确定其它半径。
图4为本发明的双极板及其组成的燃料电池电堆的剖面分解示意图，其中，燃料电池单池由带有一定曲率的非平面柱面金属双极板17从外至内依次夹合催化剂13和质子交换膜12形成，每个单池的氢气板和其相邻的另一个单池的空气板之间通过流场沟槽6、B夹合形成用于冷却的水流道16；各氢气板、空气板和其所在单池的催化剂13之间还分别设置有气体扩散层11，氢气板的流场凸台5与该侧气体扩散层11之间形成氢气流道14，空气板10的流场凸台A与该侧气体扩散层之间形成空气流道15。双极板的非平面结构使得极板之间和双极板17与质子交换膜12之间接触良好不易错动从而内阻低，反应效率高。

Claims (7)

1.一种质子交换膜燃料电池金属双极板，由厚度为0.1mm的金属薄板制成的阴极单极板和阳极单极板相对结合构成；阴极单极板和阳极单极板分别包括阴、阳极腔、冷却介质腔和各自的流场区沟槽和凸台；两板的阴、阳极腔、冷却介质腔和流场区沟槽和凸台凹凸形状相互对应，分别组成燃料气体通道、氧化剂气体通道、冷却介质通道；其特征在于：所述的金属双极板为带有一定曲率的非平面弧形弯曲板, 所述金属双极板的非平面弧形曲率半径为5000-8000mm；所述的燃料气体通道、氧化剂气体通道、冷却介质通道均在所述金属双极板的非平面弧形结构基础上建立。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述金属双极板的非平面弧形结构包括球面、椭球面、非平面弧形柱面。
3.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于阴极单极板和阳极单极板均为在厚度为0.1mm的金属薄板上成形出上述的阴、阳极腔、冷却介质腔和流场区沟槽和凸台。
4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于阴极单极板和阳极单极板按照预先设定的结合轨迹相对结合而成所述金属双极板。
5.根据权利要求4所述的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于金属双极板的流场区为蛇形流道、平行流道或交叉梳状流道。
6.一种利用权利要求1-5之一所述金属双极板组成的燃料电池单池，其特征在于：主要包括金属双极板、催化剂层和质子交换膜；其中，金属双极板从外至内依次夹合催化剂层和质子交换膜，金属双极板的阴、阳极单极板和催化剂层之间还分别设置有气体扩散层；阴极单极板的流场凸台与该侧气体扩散层之间形成阴极气体通道，阳极单极板的流场凸台与该侧气体扩散层之间形成阳极气体流道。
7.一种利用权利要求1-5之一所述金属双极板组成的燃料电池电堆，其特征在于：由多个燃料电池单池叠加而成；其中，每个燃料电池单池由单个的包含阴、阳极单极板的金属双极板从外至内依次夹合催化剂层和质子交换膜形成；每个单池的阴极板和与其相邻的另一个单池的阳极板之间通过流场沟槽夹合形成冷却介质通道；各阴、阳极单极板和其所在单池的催化剂层之间还分别设置有气体扩散层，各单池阴极单极板的流场凸台与该侧气体扩散层之间形成阴极气体通道，各单池阳极单极板的流场凸台与该侧气体扩散层之间形成阳极气体流道。
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