CN102544519A - 一种质子交换膜燃料电池双极板结构 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池双极板结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池领域，特别是涉及一种质子交换膜燃料电池的双极板结构。由三层构成，中间为导电流、不透气液的分隔板，分隔板的两侧分别置有导流板，导流板为具有带流道的导流板外框和多孔性导电材料的导流板内腔两部分组成，其流场由导流板外框的上下两侧流道和导流板内腔多孔材料孔隙共同组成。本发明将传统的双极板三层结构中分隔板两侧的导流板分为外框和内腔两部分，内腔的多孔性导电材料，解决了带条状沟槽结构反应气分配不均和加工困难的问题，外框则由于其面积较小的特点，除选用导电材料外，也可选用非导电材料，使选材更加广泛，降低了加工难度，设计更加灵活。

Description

一种质子交换膜燃料电池双极板结构
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，特别是涉及一种质子交换膜燃料电池的双极板结构。
背景技术
燃料电池是一种将贮存在燃料和氧化剂中化学能直接转化为电能的发电装置。当电池工作时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，同时排出反应产物；并且还要排出废热，以维持电池工作温度的恒定。燃料电池本身只决定输出功率的大小，而贮存的能量则由燃料和氧化剂的储罐容量决定。
自燃料电池发明以来，人们已开发出碱性、磷酸型、质子交换膜型、熔融碳酸盐型和高温固体氧化物型等多种燃料电池。其中，质子交换膜燃料电池以其高比功率、可室温启动、快速启动等特点，成为电动车、潜艇、野外战地等多方面的优选电源。
质子交换膜燃料电池尚有许多问题亟待解决，其中包括双极板的流场结构、材料、加工成本等。美国专利USP 5,300,370 Apr.5，1994采用薄板迭合而成的流场板作双极板构成质子交换膜燃料电池，该流场板分为三层，中间为导电流分隔板，两边分别置有2片花纹状沟槽的导流板。美国专利USP4,826,741 May.2，1989的双极板结构复杂，先以一片不透气而导电的薄板与亲水而透液的元件压紧，再与气体分配板配合。两片气体分配板之间插入三合一(EMA)电极组件。气体分配板朝向电极一面加工有沟槽。中国专利98114178.1公开了一种双极板结构，由三层金属板构成，中间为导电流不透气液的分隔板，两边分别为带有带条状沟槽的导流板。上述专利存在着共同的问题：导流场为带条状沟槽，不仅对材料机械性能要求高、加工难度大、成本高，而且由于加工限制，沟槽面积占双极板总面积的比例较小，反应气在电极表面不易分配均匀。
虽然一些一次成型的双极板，如中国专利01118343.8，制作工艺简单，成本较低，但不能解决带条状沟槽的导流场带来的反应气分配不均问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池双极板结构，解决了带条状沟槽结构反应气分配不均和加工困难的问题。
本发明的技术方案是：
一种质子交换膜燃料电池双极板结构，由三层构成，中间为导电流、不透气液的分隔板，分隔板的两侧分别置有导流板，导流板为具有带流道的导流板外框和多孔性导电材料的导流板内腔两部分组成，其流场由导流板外框的上下两侧流道和导流板内腔多孔材料孔隙共同组成。
所述的质子交换膜燃料电池双极板结构，导流板外框的流道为与多孔性导电材料的导流板内腔相通的带条状沟槽。
所述的质子交换膜燃料电池双极板结构，导流板外框采用导电或非导电材料制成。
所述的质子交换膜燃料电池双极板结构，导流板内腔的多孔性导电材料为炭毡、石墨毡、泡沫镍、多孔不锈钢、经导电处理的海绵或硅藻土，其平均孔径为2-50μm，孔隙率为10-99％。
所述的质子交换膜燃料电池双极板结构，导电、不透气液的分隔板为金属、石墨板、导电塑料或导电橡胶。
所述的质子交换膜燃料电池双极板结构，分隔板和导流板外框密封，密封方式为线密封、面密封、粘结或焊接；分隔板和导流板内腔紧密接触，接触方式为粘结、热压或直接接触。
所述的质子交换膜燃料电池双极板结构，导流板外框厚度在0.5mm～10mm之间，导流板内腔多孔性导电材料的厚度为导流板外框的1～2倍，使用时压缩至与外框同厚。
所述的质子交换膜燃料电池双极板结构，导流体外框和导流板内腔面积比在1∶1～1∶20之间。
本发明的特点在于：
1、本发明将传统的双极板三层结构中的分隔板两侧的导流板分为外框和内腔两部分，使两者的材料和性能可以分开考虑。内腔为多孔性导电材料，解决了带条状沟槽结构反应气分配不均和加工困难的问题。外框则由于其面积较小的特点，除选用导电材料外，也可选用非导电材料，使选材更加广泛，降低了加工难度，设计更加灵活。
2、本发明内腔的多孔性导电材料使反应气在电极表面分配更均匀。
3、由于内腔的多孔性导电材料整体作为双极板的流场，使流场的面积几乎占到电极工作面积的100％。
附图说明
图1(a)为双极板的结构示意图。
图1(b)为双极板剖面图。
图中，1分隔板；2导流板外框；3导流板内腔；4流道。
图2为本发明双极板应用于质子交换膜燃料电池后的电池性能。图中的电池位置是指电堆中从正极到负极的第1至第20个单电池。
具体实施方式
如图1(a)-图1(b)所示，本发明质子交换膜燃料电池双极板结构，双极板由三层构成，中间为导电流、不透气液的分隔板1，分隔板1的两侧分别置有导流板，导流板由具有流道4(带条状沟槽)的导流板外框2和多孔性导电材料的导流板内腔3两部分组成，其流场由导流板外框2的上下两侧流道4(带条状沟槽)和导流板内腔3多孔材料的孔隙共同组成，导流板外框2的流道4与导流板内腔相通。分隔板1为金属、石墨板、导电塑料或导电橡胶等导电、不透气液材料。导流板的外框可以由导电或非导电材料制成，内腔由多孔性导电材料制成，多孔性导电材料为炭毡、石墨毡、泡沫镍、多孔不锈钢、经导电处理的海绵或硅藻土等，其平均孔径为2-50μm，孔隙率为10-99％。导流板外框2和导流板内腔3不必粘结。分隔板1和导流板外框2密封，分隔板1和导流板内腔3连接方式为粘结、热压或直接接触。
本发明中，导流板外框厚度在0.5mm～10mm之间，导流板内腔多孔性导电材料的厚度为外框的1～2倍，使用时压缩至与外框同厚，导流体外框和导流板内腔面积比一般在1∶1～1∶20之间。
本发明的实施方案如下：
1、双极板在质子交换膜燃料电池中处于夹紧状态。
2、导流板外框2预先刻好流道，如采用线密封，需刻密封槽。
3、如导流板外框2与分隔板1采用粘结或焊接等方式，则需预先将其做为一体，如采用线密封或面密封等方式，则无需预先处理。
4、如导流板内腔3与分隔板1采用热压或粘结等方式，则需预先将其做为一体，如采用直接接触方式，则无需预先处理。
5、双极板在电池中叠放次序为导流板-分隔板-导流板，如预先已作为一体，则整体叠放。
实施例1
1、双极板的分隔板使用SUS316不锈钢板，厚0.3mm。导流板外框为SUS316不锈钢板，厚1.5mm，其上刻有流道，导流板内腔为炭毡，其平均孔径为20μm，孔隙率为60％，厚2mm。双极板的面积为400cm2，导流板内腔面积270cm2。分隔板和导流板外框采用焊接方式密封，分隔板和导流板内腔连接方式为直接接触。
2、采用Nafion117膜，两侧置气体扩散电极，Pt/C催化剂，Pt担量0.4mg/cm2，组装5组电池。
3、电池运行时，入口在上端，温度80℃。电池电流密度300mA/cm2，输出电压4V，电池平均电压0.8V。
实施例2
1、双极板的分隔板使用SUS316不锈钢板，厚0.3mm。导流板外框为PVC材质，厚1.5mm，其上刻有流道，内腔为石墨毡，其平均孔径为10μm，孔隙率为40％，厚2mm。双极板的面积为400cm2，导流板内腔面积270cm2。分隔板和导流板外框采用线密封，分隔板和导流板内腔连接方式为直接接触。
2、采用Nafion117膜，两侧置气体扩散电极，Pt/C催化剂，Pt担量0.4mg/cm2，组装10组电池。
3、电池运行时，入口在上端，温度80℃。电池电流密度300mA/cm2，输出电压7.8V，电池平均电压0.78V。
实施例3
1、双极板的分隔板使用石墨板，厚2mm。导流板外框为SUS316不锈钢板，厚1.5mm，其上刻有流道，内腔为泡沫镍，其平均孔径为15μm，孔隙率为80％，厚2mm。双极板的面积为400cm2，导流板内腔面积270cm2。分隔板和导流板外框采用线密封，分隔板和导流板内腔连接方式为用导电胶粘结。
2、采用Nafion117膜，两侧置气体扩散电极，Pt/C催化剂，Pt担量0.4mg/cm2，组装20组电池。
3、电池运行时，入口在上端，温度80℃。电池电流密度300mA/cm2，输出电压15V，电池平均电压0.75V。
实施例4
1、双极板的分隔板使用导电塑料板，厚1mm。导流板的外框为PVC材质，厚1.5mm，其上刻有流道，内腔为石墨毡，其平均孔径为10μm，孔隙率为40％，厚2mm。双极板的面积为1600cm2，导流板内腔面积1258cm2。分隔板和导流板外框及内腔连接方式为热压。
2、采用Nafion117膜，两侧置气体扩散电极，Pt/C催化剂，Pt担量0.4mg/cm2，组装20组电池。
3、电池运行时，入口在上端，温度80℃。电池电流密度500mA/cm2，输出电压12.6V，电池平均电压0.63V。
如图2所示，本发明双极板应用于质子交换膜燃料电池后的电池性能，可以看出电池的工作电流密度和输出电压较高，并且由于双极板流场的改进，反应气分配均匀，各单电池的电压表现出良好的均一性。

Claims (8)

1.一种质子交换膜燃料电池双极板结构，由三层构成，中间为导电流、不透气液的分隔板，分隔板的两侧分别置有导流板，其特征在于：导流板为具有带流道的导流板外框和多孔性导电材料的导流板内腔两部分组成，其流场由导流板外框的上下两侧流道和导流板内腔多孔材料孔隙共同组成。
2.按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板结构，其特征在于：导流板外框的流道为与多孔性导电材料的导流板内腔相通的带条状沟槽。
3.按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板结构，其特征在于：导流板外框采用导电或非导电材料制成。
4.按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板结构，其特征在于：导流板内腔的多孔性导电材料为炭毡、石墨毡、泡沫镍、多孔不锈钢、经导电处理的海绵或硅藻土，其平均孔径为2-50μm，孔隙率为10-99％。
5.按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板结构，其特征在于：导电、不透气液的分隔板为金属、石墨板、导电塑料或导电橡胶。
6.按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板结构，其特征在于：分隔板和导流板外框密封，密封方式为线密封、面密封、粘结或焊接；分隔板和导流板内腔紧密接触，接触方式为粘结、热压或直接接触。
7.按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板结构，其特征在于：导流板外框厚度在0.5mm～10mm之间，导流板内腔多孔性导电材料的厚度为导流板外框的1～2倍，使用时压缩至与外框同厚。
8.按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板结构，其特征在于：导流体外框和导流板内腔面积比在1∶1～1∶20之间。
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