CN103247807A - 基于相变换热的质子交换膜燃料电池及其双极板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相变换热的质子交换膜燃料电池及其双极板。该燃料电池的双极板包括平面板体，所述平面板体的一侧表面设置有沟槽结构的阴极流场，所述阴极流场的一端设置有空气入口和进水口、另一端设置有空气出口，所述进水口与阴极流场之间设置有进水扩散区，所述进水扩散区由嵌置在凹槽内的多孔状物质或聚合物构成；所述平面板体的另一侧表面设置有沟槽结构的阳极流场。上述双极板无冷却流道、体积小、成本低，采用相变换热使散热效率大幅提高。利用上述双极板组合而成的质子交换膜燃料电池无需加湿器、冷却介质存储箱、冷却介质泵、冷却介质换热器等设备，大大减小了系统的体积、重量和成本，并降低了控制难度。

Description

基于相变换热的质子交换膜燃料电池及其双极板

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体地指一种基于相变换热的质子交换膜燃料电池及其双极板。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种将氢气和氧化剂的化学能直接通过电化学反应方式转变为电能的发电装置，其排放物仅为纯水。质子交换膜燃料电池的工作原理是这样的：氢气在阳极裂解为质子和电子，质子渗透电解质膜到阴极与氧气、以及通过外电路的电子结合，生成水完成整个反应。单个燃料电池的工作电压一般设定在0.6～0.7V之间，为了获得足够大的功率，往往会串联许多单电池形成电堆，而分隔每个电池的隔板被称作双极板。

双极板在燃料电池中的作用大致可分为四种：首先它必须保证阴阳极的气体不发生串气，即密封要好；其次它必须能将气体按预先的设计引导至电极的整个表面；再次它必须极为迅速地传导电子和热量；最后它还必须拥有足够的机械强度来对膜电极进行保护。双极板对电堆甚至整个燃料电池系统的体积大小、重量和成本有着重要的影响。

为了从电堆中移出热量，保证燃料电池不过热工作，传统的双极板大多由两块单极板组成：一块为刻有阳极流道的阳极板，另一块为刻有阴极流道的阴极板，另外在两者之间还留有专门的供冷却流体流动的散热流道。散热流道或者刻在阳极板的反面，或者刻在阴极板的反面，或者两块板的反面都刻。也有一些双极板为三板结构，其在两块板之间加设一块由柔性石墨板构成的冷却介质流道。这些设计无一例外地保留了冷却流道，大大增加了双极板的厚度和体积，在空间有限的汽车电池等应用领域其劣势十分明显，而且多了一道将两块板或三块板合成一块的复杂装配程序，增加了漏液和漏气的可能性，难以保证双极板的密封性能。

也有一些双极板是利用金属冲压技术在一块板上形成氧化剂流道、氢气流道和冷却介质流道。但其冷却流道仍然存在，双极板的厚度和体积无法进一步减小。

此外，本领域所熟知的质子交换膜燃料电池必须在具有一定相对湿度的环境下工作，一般反应气体，尤其是空气一侧都经过加湿之后再进入电池，这样必须为系统配置一个专门的加湿器，增加了系统的成本、大小、体积和控制难度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种无需加湿器、组装简单、体积小、重量轻、成本低的基于相变换热的质子交换膜燃料电池及其双极板。

为实现上述目的，本发明所设计的基于相变换热的质子交换膜燃料电池双极板，包括平面板体，所述平面板体的一侧表面设置有沟槽结构的阴极流场，所述阴极流场的一端设置有空气入口，所述阴极流场的另一端设置有空气出口，所述空气入口所在的一端还设置有进水口，所述进水口与阴极流场之间设置有进水扩散区，所述进水扩散区由嵌置在凹槽内的多孔状物质或聚合物构成；所述平面板体的另一侧表面设置有沟槽结构的阳极流场，所述阳极流场的一端设置有氢气入口，所述阳极流场的另一端设置有氢气出口。

优选地，所述阴极流场为交指型流场，它由若干条末端封闭的进气沟槽和若干条始端封闭的排气沟槽交叉排列而成，所述进气沟槽的始端同时与空气入口和进水扩散区相连，所述排气沟槽的末端与空气出口相连。

优选地，所述阳极流场为蛇形流场，它由若干组与进气沟槽和排气沟槽同方向布置的蛇形沟槽构成，所述蛇形沟槽的始端与氢气入口相连，所述蛇形沟槽的末端与氢气出口相连。

进一步地，所述进气沟槽和排气沟槽与其背面的蛇形沟槽呈错位布置结构。

优选地，所述进气沟槽的始端与空气入口和进水扩散区之间通过气水交互混合区相连。

优选地，所述气水交互混合区由若干纵横交叉互通的沟槽构成。

优选地，所述平面板体的一侧上、下角部设置有定位缺口。

本发明还提供了一种基于相变换热的质子交换膜燃料电池，该燃料电池的电堆是由若干块上述的平面板体、若干块质子交换膜电极和若干个密封垫圈依次交替叠合压紧而成，所述密封垫圈上设置有与所述平面板体上的空气入口、空气出口、氢气入口、氢气出口和进水口形状相对应的通孔。

本发明的有益效果：所提供的基于相变换热的质子交换膜燃料电池双极板，无冷却介质流道、体积小、成本低，采用相变换热使散热效率大幅度提高。所提供的基于相变换热的质子交换膜燃料电池无需传统燃料电池系统中必需的加湿器、冷却介质存储箱、冷却介质泵、冷却介质换热器等部件，大大减小了系统的体积、重量和成本，并降低了控制难度。

附图说明

图1为一种基于相变换热的质子交换膜燃料电池双极板的阴极面的立体结构示意图。

图2为图1所示双极板的阳极面的立体结构示意图。

图3为图1中进水扩散区的立体放大结构示意图。

图4为图1所示双极板组合而成的基于相变换热的质子交换膜燃料电池的立体分解结构示意图。

图5为图4所示燃料电池的部分剖面结构示意图。

图6为图5的局部放大结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1～3所示，本发明提供了一种基于相变换热的质子交换膜燃料电池双极板。该双极板包括平面板体20，平面板体20的一侧表面设置有沟槽结构的阴极流场11，阴极流场11的一端设置有空气入口3，阴极流场11的另一端设置有空气出口4，空气入口3所在的一端还设置有进水口1，进水口1与阴极流场11之间设置有进水扩散区2，进水扩散区2由嵌置在凹槽内的多孔状物质或聚合物14构成。平面板体20的另一侧表面设置有沟槽结构的阳极流场12，阳极流场12的一端设置有氢气入口7，阳极流场12的另一端设置有氢气出口8。阴极流场11和阳极流场12可以通过刻蚀、注塑或冲压成型。

如图4～6所示，本发明还提供了一种基于相变换热的质子交换膜燃料电池，该燃料电池的电堆是由若干块图1～3所示的平面板体20、若干块质子交换膜电极22和若干个密封垫圈21依次交替叠合压紧而成，密封垫圈21上设置有与平面板体20上的空气入口3、空气出口4、氢气入口7、氢气出口8和进水口1形状相对应的通孔，方便密封垫圈21的定位与组装。

具体地，上述阴极流场11采用强迫扩散式的交指型流场，它由若干条末端封闭的进气沟槽5和若干条始端封闭的排气沟槽6交叉排列而成，进气沟槽5的始端同时与空气入口3和进水扩散区2相连，排气沟槽6的末端与空气出口4相连。如图1所示，空气从空气入口3进入，与进水扩散区2出来的水相遇，进水扩散区2内的多孔状物质或聚合物14表面积大，有利于增大空气和水的接触面积，使空气中的含水量更高，空气混合了水份后顺板流下，且在该过程中，空气中的水份吸收电池产生的热量而不断蒸发，气体得到加湿，由于进气沟槽5的末端采用封闭式设计，气体和蒸发后的水蒸汽、以及未蒸发的液态水将被强迫穿越双极板上的气体扩散层，如图6所示，进入质子交换膜电极22，参加电化学反应后来到相邻的排气沟槽6，然后由空气出口4离开。

上述阳极流场12采用强迫扩散式的蛇形流场，它由若干组与进气沟槽5和排气沟槽6同方向布置的蛇形沟槽9构成，蛇形沟槽9的始端与氢气入口7相连，蛇形沟槽9的末端与氢气出口8相连。如图2所示，氢气从氢气入口7进入，沿蛇形沟槽9绕行，同时亦扩散至其上的气体扩散层到达电极发生反应，最后均由氢气出口8流出，该设计可以使进入阳极流场12中的氢气充分与质子交换膜电极22发生反应。

再如图5～6所示，进气沟槽5和排气沟槽6与其背面的蛇形沟槽9呈错位布置结构。沟槽之间相互错开一定距离，使得板厚可以最大限度地被缩小，同时保证在加工槽的过程中不会出现穿孔。

再如图1所示，进气沟槽5的始端与空气入口3和进水扩散区2之间通过气水交互混合区13相连，气水交互混合区13由若干纵横交叉互通的沟槽构成，其作用在于使空气入口3进入的气体与进水口1进入的水份充分混合。气水交互混合区13可以为单个或多个，本实施例中在沟槽的折转处形成有两个气水交互混合区13，其中一个气水交互混合区13紧贴着进水扩散区2，水和空气经过两次混合后，成分更均匀。

在平面板体20的一侧上、下角部设置有定位缺口10，方便双极板与质子交换膜电极22的组装，减少出错的几率。

上述进水扩散区2的作用在于为阴极流场11内的空气加湿，及提供相变换热所需的水份。需要说明的是，进水扩散区2内的多孔状物质或聚合物14的孔径和疏水性是与水泵的压力相适应的，水泵需要一个合适的压力才能使水穿过多孔状物质或聚合物14，这个压力应该远大于水从电堆第一个单电池的进水口1到达最后一个单电池的进水口1的过程中的压力损耗，即是说由进水口1进入的水不能轻易地进入进气沟槽5和排气沟槽6，从而使采用该双极板的燃料电池在水泵压水时，其中所有双极板上的阴极流场11都能够同时充入水。并且，在水正在被水泵打入的过程中，只要阴极流道11内侧的空气压力不大至能将水从该多孔状物质或聚合物14中推出去，那么空气将无法从其流道中逃逸。水泵停止后，由于表面张力作用，已经进入多孔状物质或聚合物14的水仍将留在其中，并不会在重力作用下坠入进气沟槽5和排气沟槽6中。

由于免去了冷却流道，使得双极板的所有功能都能在一块平面板体20上实现，不同于传统的由两块、甚至三块板来组合形成的一块“双极板”。这样，不仅省却了装配过程中多余的步骤和出错的可能性，而且大大减少了电池内元件的性能发生衰减后可能的漏气漏液点。

本发明提供的基于相变换热的质子交换膜燃料电池双极板所采用的相变换热是一种最有效的散热方式，其散热效率大大高于依赖热传导原理的使用外部冷却介质的换热方式。从根本上摒弃了专门的冷却流道，简化了双极板的结构，使得双极板的厚度大幅度减少，同时降低了成本。采用该双极板可以大大缩小电池和电堆的体积，并且使得电池的制作工艺得到简化。

本发明提供的基于相变换热的质子交换膜燃料电池摒弃了冷却介质的使用，所以不再需要冷却系统的控制器，不再需要冷却介质的换热器。由于现有质子交换膜燃料电池工作的温度不高，冷却介质从电堆出来后往往与环境温度的差别不大，需要极大的换热面积来保证有效换热，这导致换热器的体积巨大，摒弃了这个换热器之后将使电池系统的体积进一步缩小。并且在省掉了上述的数个部件后，大大降低了整体系统的控制难度。

Claims (10)

1.一种基于相变换热的质子交换膜燃料电池双极板，包括平面板体(20)，其特征在于：所述平面板体(20)的一侧表面设置有沟槽结构的阴极流场(11)，所述阴极流场(11)的一端设置有空气入口(3)，所述阴极流场(11)的另一端设置有空气出口(4)，所述空气入口(3)所在的一端还设置有进水口(1)，所述进水口(1)与阴极流场(11)之间设置有进水扩散区(2)，所述进水扩散区(2)由嵌置在凹槽内的多孔状物质或聚合物(14)构成；所述平面板体(20)的另一侧表面设置有沟槽结构的阳极流场(12)，所述阳极流场(12)的一端设置有氢气入口(7)，所述阳极流场(12)的另一端设置有氢气出口(8)。

2.根据权利要求1所述的基于相变换热的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：所述阴极流场(11)为交指型流场，它由若干条末端封闭的进气沟槽(5)和若干条始端封闭的排气沟槽(6)交叉排列而成，所述进气沟槽(5)的始端同时与空气入口(3)和进水扩散区(2)相连，所述排气沟槽(6)的末端与空气出口(4)相连。

3.根据权利要求2所述的基于相变换热的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：所述阳极流场(12)为蛇形流场，它由若干组与进气沟槽(5)和排气沟槽(6)同方向布置的蛇形沟槽(9)构成，所述蛇形沟槽(9)的始端与氢气入口(7)相连，所述蛇形沟槽(9)的末端与氢气出口(8)相连。

4.根据权利要求3所述的基于相变换热的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：所述进气沟槽(5)和排气沟槽(6)与其背面的蛇形沟槽(9)呈错位布置结构。

5.根据权利要求2～4中任意一项所述的基于相变换热的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：所述进气沟槽(5)的始端与空气入口(3)和进水扩散区(2)之间通过气水交互混合区(13)相连。

6.根据权利要求5所述的基于相变换热的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：所述气水交互混合区(13)由若干纵横交叉互通的沟槽构成。

7.根据权利要求1～4中任意一项所述的基于相变换热的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：所述平面板体(20)的一侧上、下角部设置有定位缺口(10)。

8.根据权利要求5所述的基于相变换热的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：所述平面板体(20)的一侧上、下角部设置有定位缺口(10)。

9.根据权利要求6所述的基于相变换热的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：所述平面板体(20)的一侧上、下角部设置有定位缺口(10)。

10.一种基于相变换热的质子交换膜燃料电池，其特征在于：该燃料电池的电堆是由若干块权利要求1所述的平面板体(20)、若干块质子交换膜电极(22)和若干个密封垫圈(21)依次交替叠合压紧而成，所述密封垫圈(21)上设置有与所述平面板体(20)上的空气入口(3)、空气出口(4)、氢气入口(7)、氢气出口(8)和进水口(1)形状相对应的通孔。

Images