CN103746123B - 质子交换膜燃料电池金属双极板及其构成的电堆 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种质子交换膜燃料电池金属双极板及其构成的电堆。所述的金属双极板是由金属薄板制成的阴极单极板和阳极单极板组合构成；所述阴极单极板和阳极单极板背面相对，其板体上的左右侧均设有对应重合的燃料气体腔（1）、冷却介质腔（3）和氧化剂气体腔（2），其板体上的中部均设有流场区，该流场区设有多个呈弧形的相互对应的凸台和凹槽。所述电堆由多个单电池以串联方式叠加，每个单电池是由所述的阴极单极板、阳极单极板及位于其间的膜电极组件组成。本发明金属双极板通过其自身的弹性变形确保其与膜电极组件良好接触；能够自动补偿电堆应力松弛，维持电堆正常工作的夹紧力，从而提高了质子交换膜燃料电池的性能及寿命。

Description

质子交换膜燃料电池金属双极板及其构成的电堆
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金属双极板以及由该金属双极板所构成的电堆。
背景技术
质子交换膜燃料电池是以氢气或甲醇为燃料，氧气或空气为氧化剂，将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的发电装置。质子交换膜燃料电池具有能量转化效率高、环境友好、低温快速启动等优点，具有广阔的应用前景。双极板是质子交换膜燃料电池的核心部件之一，具有支撑膜电极组件、均匀分布反应气体、集流导电、排出反应生成水及散热等重要功能。金属材料具有良好的导电导热性、较高的机械强度、成本低、适合批量化生产等优点，因此被认为是质子交换膜燃料电池双极板的理想材料。林政宇、张杰、刘兵和郑永平所著《PEMFC双极板的材料及制备工艺综述》分析了质子交换膜燃料电池双极板材料的优缺点，并指出表面改性的金属板是质子交换膜燃料电池双极板的发展趋势。
质子交换膜燃料电池金属双极板是由金属薄板制成的阴极单极板和阳极单极板通过焊接或粘接构成。阴极单极板和阳极单极板的左右侧均设有燃料气体腔、冷却介质腔和氧化剂气体腔，阴、阳单极板正背两面均设有凸凹沟槽构成的流场区。现有技术中，质子交换膜燃料电池金属双极板流场区的凸凹沟槽都是平面的。由于质子交换膜燃料电池电堆组装时需要一定的预紧力，普通平面流道的金属双极板表现出较强的刚性特征。膜电极组件在工作过程中存在不均匀的机械应力，会导致膜电极性能下降、寿命变短。质子交换膜燃料电池电堆长时间运行或闲置后，容易出现应力松弛现象，这会导致金属双极板与膜电极组件的接触电阻增大，进而引起质子交换膜燃料电池电堆性能及寿命的衰减。
中国专利公开号为CN101572318A，发明名称为“一种质子交换膜燃料电池金属双极板”的专利文献，将双极板分配流道设计为点状流道；中国专利公开号为CN101937997A，发明名称为“质子交换膜燃料电池金属双极板及其构成的单池和电堆”的专利文献，采用带有一定曲率的非平面弧形金属双极板用于质子交换膜燃料电池中。虽然这两种金属双极板的结构均容易实现，但是在质子交换膜燃料电池电堆预紧力的作用下均会表现出较强的刚性特征，与普通金属双极板一样不能解决质子交换膜燃料电池的机械挤压与应力松弛问题。
因此，为了解决质子交换膜燃料电池电堆中的机械挤压和应力松弛等问题而进行的质子交换膜燃料电池金属双极板的结构优化是非常必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种质子交换膜燃料电池金属双极板及其构成的电堆，以解决质子交换膜燃料电池中存在的机械挤压和应力松弛等技术问题，从而克服上述现有技术的缺陷。
本发明为解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的质子交换膜燃料电池金属双极板，是由金属薄板制成的阴极单极板和阳极单极板组合构成；所述阴极单极板和阳极单极板背面相对，其板体上的左右侧均设有对应重合的燃料气体腔、冷却介质腔和氧化剂气体腔，其板体上的中部均设有流场区，该流场区设有多个呈弧形的相互对应的凸台和凹槽。
所述的阴极单极板，其板体上的左侧可以设有自上而下排列的氧化剂气体腔、冷却介质腔和燃料气体腔，它们分别与阳极单极板板体上左侧的自下而上排列的氧化剂气体腔、冷却介质腔和燃料气体腔完全重合；其板体上的右侧可以设有自上而下排列的燃料气体腔、冷却介质腔和氧化剂气体腔，它们分别与阳极单极板板体上右侧的自下而上排列的燃料气体腔、冷却介质腔和氧化剂气体腔完全重合；其板体上的中部设有一个阴极板流场区。
所述的阴极板流场区，其背面的凸台、凹槽可以与其正面的凹槽、凸台相互对应，即正面的凸台是背面的凹槽，正面凸台的上表面处在一个平面上，正面的凹槽是背面的凸台，背面的凸台也在一个平面上；所述的凸台、凹槽可以呈圆弧形。
所述阳极单极板和阴极单极板流场区的凸台和凹槽可以呈圆弧形或椭圆弧形。
所述的阳极单极板，其板体上的左侧可以设有自上而下排列的燃料气体腔、冷却介质腔和氧化剂气体腔，它们分别与阴极单极板板体上左侧的自下而上排列的燃料气体腔、冷却介质腔和氧化剂气体腔完全重合；其板体上的右侧可以设有自上而下排列的氧化剂气体腔、冷却介质腔和燃料气体腔，它们分别与阴极单极板板体上右侧的自下而上排列的氧化剂气体腔、冷却介质腔和燃料气体腔完全重合；其板体上的中部可以设有一个阳极板流场区。
所述的阳极板流场区，其背面的凸台、凹槽可以与其正面的凹槽、凸台相互对应，即正面的凸台是背面的凹槽，正面凸台的上表面处在一个平面上，正面的凹槽是背面的凸台，背面的凸台也在一个平面上；所述的凸台、凹槽可以呈圆弧形。
所述的金属薄板可以为不锈钢板，其板材厚度可以为0.1-0.3mm。
本发明提供的质子交换膜燃料电池电堆，是由多个单电池以串联方式叠加，将各单电池之间嵌入密封件，经前端板、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢而成；每个单电池是由上述的阴极单极板、阳极单极板，以及位于它们之间的膜电极组件组成。
所述的膜电极组件可以是按气体扩散层、催化剂层、质子交换膜、催化剂层、气体扩散层的顺序热压而成。
本发明可以将所述阴极单极板与相邻单电池的阳极单极板背面相对后，利用激光焊接技术焊接成金属双极板；阳极单极板背面的凹槽与阴极单极板背面的凹槽相对形成冷却介质流道；阳极板凸台和与之接触的膜电极组件中的气体扩散层之间形成燃料气体流道，阴极板凸台和与之接触的膜电极组件中的气体扩散层之间形成氧化剂气体流道。
本发明与现有技术相比，具有以下主要优点：
1.采用了弧形凹凸沟槽的金属双极板，其相对于普通金属双极板具有良好的弹性特性。
2.当膜电极组件受到各种物理量快速变化引起的机械冲击导致松弛时，金属双极板可以通过自身的弹性变形缓冲机械冲击，有效地保护膜电极组件和延长该膜电极组件的使用寿命。
3.可以确保金属双极板与膜电极组件之间接触良好，从而降低接触电阻。
4.当电堆运行或闲置出现应力松弛时，金属双极板的弧形凸凹沟槽通过弹性变形自动补偿电堆的应力松弛，维持电堆正常工作的夹紧力，提高了质子交换膜燃料电池电堆的性能及寿命。
附图说明
图1是本发明的阳极单极板结构示意图。
图2是本发明的阴极单极板结构示意图。
图3是本发明的金属双极板在未受力时的流场区局部剖面示意图。
图4是本发明的金属双极板在预紧力P1作用下的流场区局部剖面示意图。
图5是本发明的金属双极板在实际夹紧力P2作用下流场区局部剖面示意图。
图6是本发明的质子交换膜燃料电池电堆在未受力时的流场区局部剖面示意图。
图7是本发明的质子交换膜燃料电池电堆在预紧力P1作用下的流场区局部剖面示意图。
图8是本发明的质子交换膜燃料电池电堆补偿应力松弛时的流场区局部剖面示意图。
图中：1.燃料气体腔；2.氧化剂气体腔；3.冷却介质腔；4.阳极板流场区；5.阳极板凸台；6.阳极板凹槽；7.阴极板流场区；8.阴极板凸台；9.阴极板凹槽；10.阳极单极板；11.阴极单极板；12.金属双极板；13.燃料气体流道；14.氧化剂气体流道；15.冷却介质流道；16.气体扩散层；17.催化剂层；18.质子交换膜；19.焊接线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但并不局限于下面所述内容。
实施例1.质子交换膜燃料电池金属双极板：
采用冲压工艺将尺寸为400mm×100mm、板材厚度为0.1-0.3mm的金属板（如不锈钢板）冲压成阳极单极板。阳极单极板的结构如图1所示，其板体上的左侧设有自上而下排列的燃料气体腔1、冷却介质腔3和氧化剂气体腔2，其板体上的右侧设有自上而下排列的氧化剂气体腔2、冷却介质腔3和燃料气体腔1，其板体上的中部设有一个阳极板流场区4。所述燃料气体腔、冷却介质腔和氧化剂气体腔的尺寸均为20mm×20mm，阳极板流场区的面积为320mm×80mm。阳极板流场区4含有21个阳极板凸台5和20个阳极板凹槽6。阳极板凸台和阳极板凹槽的宽度均为2mm，深度为0.62mm。阳极单极板背面的凸凹沟槽与正面的凸凹沟槽相互对应，即正面的凸台是背面的凹槽，正面凸台的上表面处在一个平面上，正面的凹槽是背面的凸台，背面的凸台也在一个平面上。这些阳极板凸台5和阳极板凹槽6都是弧形的，例如圆弧形或椭圆弧形。
采用冲压工艺将尺寸为400mm×100mm、板材厚度为0.1-0.3mm的金属板（如不锈钢板）冲压成阴极单极板。阴极单极板的结构如图2所示，其板体上的左侧设有自上而下排列的氧化剂气体腔2、冷却介质腔3和燃料气体腔1，其板体上的右侧设有自上而下排列的燃料气体腔1、冷却介质腔3和氧化剂气体腔2，其板体上的中部设有一个阴极板流场区7。所述燃料气体腔、冷却介质腔和氧化剂气体腔的尺寸均为20mm×20mm，阴极板流场区的面积为320mm×80mm。阴极板流场区7含有21个阴极板凸台8和20个阴极板凹槽9。阴极板凸台和阴极板凹槽的宽度均为2mm，深度为0.62mm。阴极单极板背面的凸凹沟槽与正面的凸凹沟槽相互对应，即正面的凸台是背面的凹槽，正面凸台的上表面处在一个平面上，正面的凹槽是背面的凸台，背面的凸台也在一个平面上。这些阴极板凸台8和阴极板凹槽9都是弧形的，例如圆弧形或椭圆弧形。
上述阳极单极板和阴极单极板背面相对，使阳极单极板左侧的燃料气体腔1、冷却介质腔3、氧化剂气体腔2分别与阴极单极板左侧的燃料气体腔1、冷却介质腔3、氧化剂气体腔2完全重合。阳极单极板右侧的氧化剂气体腔2、冷却介质腔3、燃料气体腔1分别与阴极单极板右侧的氧化剂气体腔2、冷却介质腔3、燃料气体腔1完全重合。阳极单极板背面的凹槽与阴极单极板背面的凹槽相对，阳极单极板背面的凸台与阴极单极板背面的凸台接触。利用激光焊接技术通过焊接线19将阳极单极板和阴极单极板焊接在一起，构成金属双极板。
本发明质子交换膜燃料电池金属双极板的弹性原理是：参见图3，金属双极板在未受力时，当阴、阳单极板板材厚度为0.1mm，凸凹沟槽的的深度为0.62mm时，金属双极板的厚度达到最大值d0=1.44mm；参见图4，弧形凸凹沟槽的金属双极板在预紧力作用下发生了弹性形变，若P1=1.5MPa，则金属双极板的变形量可以达到0.24mm，此时金属双极板的厚度达到最小值d1=1.2mm；参见图5，当膜电极组件受到机械挤压导致松弛时，弧形凸凹沟槽的金属双极板会发生弹性变形自动补偿膜电极组件的松弛。若膜电极组件厚度为0.4mm，膜电极组件松弛了0.04mm，此时金属双极板的厚度d2=1.24mm，实际夹紧力P2=1.25Mpa。可以看出弧形凸凹沟槽的金属双极板相对于普通金属双极板具有良好的弹性特性。当膜电极组件受到各种物理量快速变化引起的机械冲击导致松弛时，金属双极板可以通过自身的弹性变形缓冲机械冲击，有效地保护膜电极组件和延长该膜电极组件的使用寿命。
实施例2.由金属双极板构成的质子交换膜燃料电池电堆：
由上述外观尺寸为400mm×100mm，板材厚度为0.2-0.6mm的金属双极板所构成的质子交换膜燃料电池电堆，是由100个单电池以串联方式层叠组合而成（图6），将各单电池之间嵌入密封件（如硅橡胶密封件），经前、后端板（如铜板）压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成质子交换膜燃料电池电堆。每个单电池是由一个阳极单极板10、一个阴极单极板11以及一个膜电极组件组成，其中膜电极组件夹合在阳极单极板10、阴极单极板11之间。膜电极组件是按气体扩散层16、催化剂层17、质子交换膜18、催化剂层17、气体扩散层16的顺序热压而成。单电池的阴极单极板11与相邻单电池的阳极单极板10背面相对，利用激光焊接技术通过焊接线将阴、阳极单极板焊接在一起，构成金属双极板12。所以质子交换膜燃料电池电堆也可以看作是金属双极板与膜电极组件以串联方式叠加而成的。阳极单极板10背面的凹槽与阴极单极板11背面的凹槽相对，形成冷却介质流道15。阳极板凸台5和与之相接触的气体扩散层16之间形成燃料气体流道13，阴极板凸台8和与之相接触的气体扩散层16之间形成氧化剂气体流道14。其中气体扩散层16采用石墨化的碳纸，催化剂层17采用铂/碳（Pt/C）催化剂，质子交换膜18采用全氟磺酸型质子交换膜，俗称Nafion膜，氢气/甲醇用作燃料，氧气/空气用作氧化剂。
参见图6，由100块金属双极板与100片膜电极组件以串联方式层叠组合而成的质子交换膜燃料电池电堆，当金属双极板的厚度为1.44mm，膜电极组件的厚度为0.4mm时，在未受力时，质子交换膜燃料电池电堆除端板外的总厚度为184mm；参见图7，当质子交换膜燃料电池电堆在预紧力P1=1.5Mpa作用下，每块金属双极板的变形量为0.24mm，此时质子交换膜燃料电池电堆除端板外的总厚度为160mm；参见图8，当质子交换膜燃料电池电堆发生应力松弛时，若松弛了3mm，则每块金属双极板可以通过弹性变形自动补偿应力松弛，每块金属双极板的弹性变形量仅为0.125mm，此时质子交换膜燃料电池电堆除端板外的总厚度仍为160mm，电堆的实际夹紧力为1.3125Mpa。这表明弧形凸凹沟槽的金属双极板具有良好的弹性特性。当电堆运行或闲置出现应力松弛时，金属双极板的弧形凸凹沟槽通过较小的弹性变形即可自动补偿电堆的应力松弛，维持电堆正常工作的夹紧力，确保金属双极板与膜电极组件之间接触良好，从而提高了质子交换膜燃料电池电堆的性能及寿命。
上述实施例中，各部件的尺寸也可以依据实际情况而定。

Claims (9)

1.质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于该金属双极板由金属薄板制成的阴极单极板和阳极单极板组合构成，所述阴极单极板（11）和阳极单极板（10）背面相对，其板体上的左右侧均设有对应重合的燃料气体腔（1）、冷却介质腔（3）和氧化剂气体腔（2），其板体上的中部均设有流场区，该流场区设有多个呈弧形的相互对应的凸台和凹槽；这种具有弧形凸凹沟槽的金属双极板，当膜电极组件受到各种物理量快速变化引起的机械冲击导致松弛时，该金属双极板通过自身的弹性变形缓冲机械冲击，有效地保护膜电极组件和延长该膜电极组件的使用寿命；
所述的阴极单极板，其板体上的左侧设有自上而下排列的氧化剂气体腔（2）、冷却介质腔（3）和燃料气体腔（1），它们分别与阳极单极板板体上左侧的自下而上排列的氧化剂气体腔（2）、冷却介质腔（3）和燃料气体腔（1）完全重合；其板体上的右侧设有自上而下排列的燃料气体腔（1）、冷却介质腔（3）和氧化剂气体腔（2），它们分别与阳极单极板板体上右侧的自下而上排列的燃料气体腔（1）、冷却介质腔（3）和氧化剂气体腔（2）完全重合；其板体上的中部设有一个阴极板流场区（7）。
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，其特征在于所述的阴极板流场区（7），其背面的凸台、凹槽与正面的凹槽、凸台相互对应，即正面的凸台是背面的凹槽，正面凸台的上表面处在一个平面上，正面的凹槽是背面的凸台，背面的凸台也在一个平面上；所述的凸台、凹槽呈圆弧形。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述阳极单极板和阴极单极板流场区的凸台和凹槽呈圆弧形或椭圆弧形。
4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述的阳极单极板，其板体上的左侧设有自上而下排列的燃料气体腔（1）、冷却介质腔（3）和氧化剂气体腔（2），它们分别与阴极单极板板体上左侧的自下而上排列的燃料气体腔（1）、冷却介质腔（3）和氧化剂气体腔（2）完全重合；其板体上的右侧设有自上而下排列的氧化剂气体腔（2）、冷却介质腔（3）和燃料气体腔（1），它们分别与阴极单极板板体上右侧的自下而上排列的氧化剂气体腔（2）、冷却介质腔（3）和燃料气体腔（1）完全重合；其板体上的中部设有一个阳极板流场区（4）。
5.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述的阳极板流场区（4），其背面的凸台、凹槽与正面的凹槽、凸台相互对应，即正面的凸台是背面的凹槽，正面凸台的上表面处在一个平面上，正面的凹槽是背面的凸台，背面的凸台也在一个平面上；所述的凸台、凹槽呈圆弧形。
6.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述的金属薄板为不锈钢板，其板材厚度为0.1-0.3mm。
7.一种质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于该电堆由多个单电池以串联方式叠加，将各单电池之间嵌入密封件，经前端板、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢而成；每个单电池是由权利要求1至6中任一权利要求所述的质子交换膜燃料电池金属双极板，包括阴极单极板、阳极单极板，以及位于它们之间的膜电极组件组成。
8.根据权利要求7所述的质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于所述的膜电极组件是按气体扩散层（16）、催化剂层（17）、质子交换膜（18）、催化剂层（17）、气体扩散层（16）的顺序热压而成。
9.根据权利要求8所述的质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于将所述阴极单极板（11）与相邻单电池的阳极单极板（10）背面相对后，利用激光焊接技术焊接成金属双极板（12）；阳极单极板背面的凹槽与阴极单极板背面的凹槽相对形成冷却介质流道（15）；阳极板凸台（5）和与之接触的膜电极组件中的气体扩散层（16）之间形成燃料气体流道（13），阴极板凸台（8）和与之接触的膜电极组件中的气体扩散层（16）之间形成氧化剂气体流道（14）。
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