CN102683719A

CN102683719A - 一种燃料电池阴极专用的双极板

Info

Publication number: CN102683719A
Application number: CN2012101468537A
Authority: CN
Inventors: 雷一杰; 顾军; 李彤
Original assignee: NANJING UNIVERSITY (SUZHOU) HIGH-TECH INSTITUTE
Current assignee: NANJING UNIVERSITY (SUZHOU) HIGH-TECH INSTITUTE
Priority date: 2012-05-14
Filing date: 2012-05-14
Publication date: 2012-09-19

Abstract

本发明公开一种燃料电池阴极专用的双极板，该双极板采用散热流道入口与气体流道入口处于同一端面，或者采用由散热流道进气再由双极板上的通孔向反应面供气，从而只需要使用一台压缩机，即可实现向双极板散热面和反应面提供气体。简化燃料电池系统，减小电池体积和重量，增大燃料电池的体积比功率和重量比功率，并降低机械部件的故障率，降低燃料电池成本。尤其是适用于便携质子交换膜燃料电池的双极板流道。

Description

一种燃料电池阴极专用的双极板

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池阴极专用的双极板。

背景技术

质子交换膜燃料电池技术是将氢气和氧气或空气在发生电化学反应时所产生的电能予以利用的一种清洁能源技术。由于其功率密度大、工作温度低、电池结构简单、对压力变化不敏感等特点，已经在全球范围内得到了普遍的关注，其产品也逐渐进入市场。

质子交换膜燃料电池的电解质为质子交换膜（电解质膜），目前广泛使用的是杜邦公司生产的Nafion系列全氟磺酸膜。膜的作用是双重的，一方面为电解质提供氢离子通道，另一方面为隔膜隔离两极反应气体。对膜进行离子和水传输性能的优化及适当的水管理，是保证电池性能的关键。

在隔膜的两侧，各有一层催化层。催化剂主要是由碳载铂（Pt/C）组成，在催化层中再加入Nafion溶液，以增加质子传导性能以及催化层与电解质的接触性能。催化层是燃料电池气体区域。

在催化层的两侧，各有一层气体扩散层，主要作用是作为催化层的支撑体、电池内部的导电、气体在电极表面的分布、反应产物的排出等。目前，扩散层的材料主要是碳纸、碳布或者金属网。扩散层的孔隙率、疏水特性、厚度以及组分对燃料电池性能有很大的影响。扩散层的这几个变量都是互相关联地影响燃料电池的性能。孔隙率大有利于气体的扩散，可是过大则气体分布不均、容易发生堵水现象。一般来说疏水性高较好，可是过高就会使孔分布不均、加工成本过高。电解质膜、催化层和气体扩散层共同组成膜电极（膜电极，MEA）。

在膜电极的两侧，各有一块双极板，其作用是电流收集和传送、气体分布以及热管理。目前主要用石墨为材料，由于石墨的脆性，不能做得很薄，增加了电堆的重量和体积，其价格高、密度大。所以各研究者也在寻求石墨的替代品，比如导电塑料、不锈钢等。在双极板贴紧膜电极的一侧刻有气体流道，目的是使反应气体能够均匀分布于整个电极表面。气体流道的形状很多，比较常见的是蛇行流道（见美国专利号6099984）。在双极板上还必须有气体输入通道，燃料电池外部反应气体通过气体输入通道，均匀分流到每个单电池的双极板；电池反应结束后，剩余的尾气要从各自的单电池进入气体排出通道，最终排到燃料电池外部，或者再次通过气体输入通道进入双极板的流道进行循环利用而参与反应。

一般的燃料电池，必须有一个压缩机（或空气泵、轴流风扇、离心风机）对燃料电池的阴极提供反应所需要的氧气（或空气）。针对液体冷却系统，需要一个水泵为燃料电池的冷却提供必须的冷却液体；而针对空气冷却系统，需要一个空气压缩机（或空气泵、轴流风扇、离心风机）为燃料电池的冷却提供必须的冷却空气。由于流体系统复杂，机械部件多而故障率高，造成电池的体积和重量都较大。

发明内容

本发明的目的是解决使用现有的双极板时，燃料电池需要同时装备提供反应气体的压缩机和冷却介质的水泵或气泵，提供一种即可实现传输反应气体，同时又可散热的燃料电池阴极专用双极板。

本发明实现上述目的所采用的技术方案如下：

一种燃料电池阴极专用的双极板，在该双极板的一面设有气体流道，在其背面设有散热流道，散热流道的开口和气体流道的开口均设在与该面垂直的一个端面，在散热流道的开口处和气体流道的开口处均设有截流器，使散热流道的开口总面积与气体流道的开口总面积之比为（100～200）：1。

进一步，所述散热流道为直通型、蛇型或波浪型。

进一步，所述气体流道为直通型、蛇型或波浪型。

进一步，所述截流器为一挡板。

另一种燃料电池阴极专用的双极板，在该双极板的一面设有散热流道，所述散热流道通过双极板上的通孔与双极板的背面相通，使进入散热流道的气体一部分经通孔输送至双极板的背面，另一部分顺着散热流道排出。

进一步，所述背面为平面。

进一步，所述背面刻有气体流道，气体流道通过双极板上的通孔与散热流道相通。

进一步，在散热流道的开口处设有截流器。

有益效果：

本发明采用散热流道入口与气体流道入口处于同一端面，或者采用由散热流道进气再由双极板上的通孔向反应面供气，从而只需要使用一台压缩机，即可实现向双极板散热面和反应面提供气体。简化燃料电池系统，减小电池体积和重量，增大燃料电池的体积比功率和重量比功率，并降低机械部件的故障率，降低燃料电池成本。尤其是适用于便携质子交换膜燃料电池的双极板流道。

附图说明

图1是本发明燃料电池双极板的横截面图。

图2是图1双极板的散热面。

图3A、图3B是图1双极板的两种反应面。

图4是另一种双极板的横截面图。

图5A、图5B分别是图4双极板的散热面和反应面。

图6是另一种双极板的横截面图。

图7是图6双极板的散热面。

图8是图6双极板的反应面。

具体实施方式

本发明以质子交换膜燃料电池为例，质子交换膜燃料电池具有夹心层的结构，由内往外分别紧贴有电解质膜、催化层、气体扩散层、双极板和取电板，双极板紧贴着气体扩散层的一面为反应面，其相反面为散热面，电解质膜的两边分别称为阴极和阳极。

实施例1

图1是质子交换膜燃料电池阴极侧的双极板的横截面，在双极板31的散热面11和反应面21分别刻有散热流道和气体流道，使用一台压缩机就可将气体从该横截面上散热流道的入口和气体流道的入口分别送入散热面和反应面。气体可以是空气或氧气。

如图2所示，散热流道采用直通型，由均匀分布的条形沟槽51构成，每条沟槽的宽度一般为0.2～2.5mm，深度为0.3～2.0mm，沟槽与沟槽之间所形成的脊41的宽度一般为0.5～2.5mm，沟槽51的截面形状可以是矩形或椭圆形，在每个沟槽的入口A1和出口B1处设有截流器61，空气或氧气在截流器61的作用下产生湍流，以增大传热系数，截流器61为一挡板，挡板的大小根据需要调整。

图3A是反应面上气体流道的一种直通型分布，该气体流道也是由均匀分布的条形沟槽52组成，每条沟槽的宽度一般为0.2～2.5mm，深度为0.3～1.5mm，沟槽与沟槽之间所形成的脊42的宽度一般为0.5～2.5mm，其截面形状可以是梯形、矩形或椭圆形，在每条沟槽的入口A2和出口B2处设有截流器62，同样，该截流器也是一挡板，挡板的大小可调，通过调节截流器61和截流器62的大小，从而控制散热流道的开口总面积与气体流道的开口总面积之比为（100～200）：1。

图3B是反应面上气体流道的另一种波浪型分布，其特点是在反应面上矩阵分布着凸起的脊43，脊的形状一般为菱柱形，也可以是长方形或椭圆柱形，在脊与脊之间的空隙形成供空气或氧气流通的槽53。当气体通过入口A3进入槽53的时候，在脊43的作用下，产生湍流或涡流，增大气体的扩散系数，降低电池的浓差极化。同时，反应产生的水很容易随着气流通过B3排出，避免了电池的堵水现象。气体在入口A3和出口B3之间的压降很小，只有50-400Pa，这样对压缩机（也可用空气泵、轴流风扇或离心风机等替换）的要求就很低，从而降低了电池成本，减小了电池体积和重量。

实施例2

图4是另一种质子交换膜燃料电池阴极侧的双极板的横截面，双极板32的反应面为平面，没有气体流道。

图5A是该双极板散热面的正视图，该散热面刻有的散热流道与实施例1相同，不同的地方在于，在每条沟槽54中，都设置有许多通孔7，通孔的形状没有特别限止，可以是圆形、矩形、椭圆形或其它形状，保持各通孔形状大小一致且均匀分布即可。气体从入口A4进入沟槽54中，在由挡板做成的截流器64的作用下产生湍流，一部分流经通孔7而到达双极板32的背面，并进一步扩散到与该面相接触的气体扩散层表面，当然，气体及生成的水也可以经通孔7返回沟槽54，并从出口B4排出，另一部分顺道沟槽54带着热量从出口B4排出。图5B为双极板的反应面，采用平面，可以简化加工和组装工艺，极板厚度减小，从而降低电池成本。通孔7可以达到提高气体扩散系数的目的，不仅有利于电化学反应，而且有利于反应产物水的排出。

实施例3

图6是另一种质子交换膜燃料电池阴极侧的双极板的横截面。如图7所示，与实施例2不同的是在散热流道中，只在其中一个沟槽中设有等距分布的通孔8，如图8所示，在双极板的反应面，对应每个通孔8处都刻有与散热流道沟槽55方向相垂直的沟槽24，作为气体流道，在气体流道的出口处有节气门9。气体进入沟槽后，一部分气体通过通孔8透过双极板进入反应面的气体流道，再从气体流道出口处排出，如果空气湿度比较大，电极有“水淹”的可能，就可以通过减小节气门9开口，降低反应流道的阻力，从而增大反应气体的流量，如果空气湿度比较低，则增大节气门9开口，从而减小反应气体的流量，以避免电极的不会因过度干燥而性能降低。另一部分顺着散热流道排出双极板，同时带走热量，起到冷却作用。

Claims

1.一种燃料电池阴极专用的双极板，在该双极板的一面设有气体流道，其特征在于：在其背面设有散热流道，散热流道的开口和气体流道的开口均设在与该面垂直的一个端面，在散热流道的开口处和气体流道的开口处均设有截流器，使散热流道的开口总面积与气体流道的开口总面积之比为（100～200）：1。

2.根据权利要求1所述燃料电池阴极专用的双极板，其特征在于：所述散热流道为直通型、蛇型或波浪型。

3.根据权利要求1所述燃料电池阴极专用的双极板，其特征在于：所述气体流道为直通型、蛇型或波浪型。

4.根据权利要求1所述燃料电池阴极专用的双极板，其特征在于：所述截流器为一挡板。

5.一种燃料电池阴极专用的双极板，其特征在于：在所述双极板的一面设有散热流道，所述散热流道通过双极板上的通孔与双极板的背面相通，使进入散热流道的气体一部分经通孔输送至双极板的背面，另一部分顺着散热流道排出。

6.根据权利要求5所述燃料电池阴极专用的双极板，其特征在于：所述背面为平面。

7.根据权利要求5所述燃料电池阴极专用的双极板，其特征在于：所述背面刻有气体流道，气体流道通过双极板上的通孔与散热流道相通。

8.根据权利要示5所述燃料电池阴极专用的双极板，其特征在于：在散热流道的开口处设有截流器。