CN105470527B - 用于空气冷却型质子交换膜燃料电池的阴极板 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种用于空气冷却型质子交换膜燃料电池的阴极板，采用多孔质石墨材料制成，氧化剂通过所述多孔质石墨材料中的孔被导入/导出所述质子交换膜燃料电池；其中，所述阴极板包括两个燃料通孔，分别用作燃料进口和燃料出口，在所述燃料通孔中设置具有通孔的密封垫，用于将所述燃料通孔与所述多孔质石墨材料中的孔分隔开；并且，燃料通过所述密封垫上的通孔被导入/导出所述质子交换膜燃料电池。根据本发明的实施例，在实现质子交换膜燃料电池的阴极板的轻质化方面优势明显。

Description

用于空气冷却型质子交换膜燃料电池的阴极板

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种用于空气冷却型质子交换膜燃料电池的阴极板以及相关的燃料电池和燃料电池堆。

背景技术

质子交换膜燃料电池是将反应物的化学能直接转化为电能的电化学装置。电极板(包括阴极板和阳极板)是质子交换膜燃料电池的一个重要组成部件，一般占到了整个燃料电池堆总重的50％-80％，和总成本的30-40％，发挥包括导电、供气、机械支撑和散热等重要的作用。因此，电极板应当具备以下性能：1)良好的导电性和导热性；2)良好的化学稳定性和耐腐蚀性；3)良好的气密性；4)机械强度高；5)能够均匀分布流体。

现有技术中的电极板，即阳极板和阴极板，都采用相同的电极板标准，在材料的选择上也采用统一的材料。目前常用的电极板材料为金属、无孔石墨和树脂/石墨复合材料，一般通过蚀刻、冲压成型，或者机加工、模压成型等方式来制备。

采用金属材料制成的电极板的密度较高，但因其拥有良好的延展性，可以做的很薄，一般阳极板都可以在0.5mm厚，而阴极板可以做的更薄(可以达到0.1-0.2mm)，如中国发明专利200710056414.6(申请号)。通过弯折形成空气通道，可以有效的控制电堆总重量或者体积，提高电堆的功率密度。金属材料电极板的流道易于进行批量加工，但一般都需要后续处理(包括除油，抛光和表面镀膜等)。此外，金属材料的耐腐蚀性不足，尤其是采用金属材料的阴极板，由于长期处于含有水蒸气和氧气的腐蚀性氛围里，因此需要性能优异的防腐材料对阴极板基体进行保护，而这会大大提高其制备成本。另外，在进行冲压或者弯折等加工工艺时，会在电极板中形成缺陷和应力，而这会影响电极板的使用寿命。总而言之，金属材料电极板的优势在于具备较好的导热和导电性能、易于加工、可以较大的减小体积或者重量；但仍存在耐腐蚀性不足、工序复杂、镀层价格昂贵、接触电阻较高等缺点。

无孔石墨材料的密度较低(1.8～2.3g/cm3)，但是由于其材料本身脆性很大，非常容易出现折断和崩裂的情况，所以由无孔石墨材料制备的电极板一般都比较厚。尤其针对空气冷却型燃料电池的电极板，要求阴极板一侧具有较大的空气通道，这会增大燃料电池堆的重量和体积。简而言之，无孔石墨电极板的特点在于优秀的化学稳定性和耐腐蚀性，且制备工序简单；但尺寸偏厚，体积和重量都较大。

树脂/石墨复合材料在一定程度上可以降低电极板的重量，例如中国发明专利201310703420.1(申请号)。但是由于在石墨中加入了不导电且导热能力差的树脂材料，使得电极板的导电性和散热能力都有所降低。另外在模压过程中，树脂会渗透至表面形成一层树脂膜，这会极大的引起电极板接触电阻的增加，而且树脂膜的打磨处理又会增加工序和成本。

发明内容

本发明实施例提供一种改进的用于空气冷却型质子交换膜燃料电池的阴极板，在实现阴极板的轻质化方面具备优势。

根据本发明的一个方面，提供一种用于质子交换膜燃料电池的阴极板，采用多孔质石墨材料制成，氧化剂通过所述多孔质石墨材料中的孔被导入/导出所述质子交换膜燃料电池；

其中，所述阴极板包括两个燃料通孔，分别用作燃料进口和燃料出口，在所述燃料通孔中设置具有通孔的密封垫，用于将所述燃料通孔与所述多孔质石墨材料中的孔分隔开；并且，

其中，燃料通过所述密封垫上的通孔被导入/导出所述质子交换膜燃料电池。

根据本发明的一个实施方式，所述密封垫的上下端面突出所述阴极板。

根据本发明的一个实施方式，所述密封垫中设有刚性填充物。

根据本发明的一个实施方式，所述密封垫采用橡胶制成，并且所述刚性填充物由金属材料制成或者由能够满足刚性要求的复合材料或工程塑料制成。

根据本发明的一个实施方式，用于质子交换膜燃料电池的阴极板进一步包括：氧化剂流道，设置于所述阴极板的多孔质石墨材料中。

根据本发明的一个实施方式，所述氧化剂流道由设置在多孔质石墨材料中的多个凹槽构成。

根据本发明的一个实施方式，所述氧化剂流道由设置在多孔质石墨材料中的多个镂空孔构成。

根据本发明的一个实施方式，所述多孔质石墨材料的导热率不低于100W/m·K、抗压强度不低于1.2Mpa、孔隙率不低于40％。

根据本发明的另一个方面，提供一种空气冷却型质子交换膜燃料电池，包括：

根据本发明的前述方面所述的阴极板；

膜电极，设置在所述阴极板下方，其中，所述膜电极上设有质子交换膜以及分别与所述两个燃料通孔连通的两个膜电极通孔；

密封圈，设置在所述膜电极下方，用于密封所述膜电极下方的空间；以及，

阳极板，设置在所述密封圈下方，其中，所述阳极板上设有燃料流道，所述燃料流道的两端设置有分别与所述两个膜电极通孔连通的两个阳极板通孔，形成用于所述燃料电池的燃料输送通道。

根据本发明的又一个方面，提供一种空气冷却型质子交换膜燃料电池堆，包括：

上端板；

上集流板，设置在所述上端板下方；

燃料电池组，设置在所述上集流板下方，由至少一个本发明的前述方面所述的质子交换膜燃料电池堆叠而成；其中，每个燃料电池的两个阳极板通孔分别与相邻的燃料电池的阴极板所包括的两个燃料通孔连通；

下集流板，设置在所述燃料电池组下方；

下端板，设置在所述下集流板下方；以及

固定螺栓，贯穿所述上端板和所述下端板，压紧位于所述上端板和所述下端板之间的上集流板、燃料电池组和下集流板；

其中，将燃料进口和燃料出口设置在所述上端板和下端板中的任一个，或分别设置二者上；所述燃料进口和燃料出口的位置与所述燃料电池组中的燃料通孔对应，并且在上集流板和下集流板中的任一个或二者上设置分别与所述燃料进口和燃料出口连通的集流板通孔，从而使得所述燃料进口和燃料出口与设置在所述燃料电池组中的燃料通孔连通。

本发明实施例提供的一种用于质子交换膜燃料电池的阴极板，合理的考虑到阴极板的工作环境不同于阳极板，即阴极板在除了燃料通道的位置外并没有气密性要求，因而并没有像现有技术一样采用与阳极板同样的制造标准，而是提出了采用多孔质石墨作为制备阴极板的材料。多孔质石墨材料不但继承了石墨出色的化学稳定性和耐腐蚀性，还保持了石墨的导电性和机械强度。更为重要的是，由于多孔质石墨材料具备均匀分布的孔结构，极大的减轻了阴极板的重量；同时均匀分布的孔结构也使得阴极板的表面积大大增加，使得阴极板的散热性能也得到提升。此外，由于多孔质石墨材料中均匀分布的孔就可以作为氧化剂通路，因此可以不用额外制备氧化剂流道就能实现阴极的还原反应和热管理，且氧化剂可以到达阴极板的任何地方参与反应，进行全方位的接触，分布更加均匀，降低了传质电阻，提高电池性能；同时，该阴极板的制备过程可为：先生产出大型的多孔质石墨砖块，再按需裁剪为合适尺寸的阴极板即可，从而进一步降低了模具制造和机加工难度，降低了设备和制造成本。

附图说明

图1所示为本发明一实施例所提供的用于质子交换膜燃料电池的阴极板的结构示意图。

图2所示为本发明一实施例所提供的用于质子交换膜燃料电池的阴极板的结构示意图。

图3示出了采用不同材料形成的同规格阴极板的重量比较结果。

图4所示为本发明一实施例所提供的用于质子交换膜燃料电池的阴极板的沿图2中A-A线剖开的剖面图。

图5所示为本发明另一实施例所提供的用于质子交换膜燃料电池的阴极板的沿图2中A-A线剖开的剖面图。

图6所示为本发明一实施例所提供的用于质子交换膜燃料电池的阴极板的结构示意图。

图7所示为本发明一实施例所提供的用于质子交换膜燃料电池的阴极板的结构示意图。

图8所示为本发明一实施例所提供的质子交换膜燃料电池的分解示意图。

图9所示为本发明一实施例所提供的质子交换膜燃料电池堆的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于考虑到阳极板和阴极板所处的工作环境很不一样，因而阴极板没有必要像现有技术一样采用同样的制备材料和标准。例如，在一个敞开式空气冷却型质子交换膜燃料电池中，阴极板所需具备的条件是：1)为燃料(例如：氢气)的输入和输出形成通道；2)具备良好的导热和导电性能；3)突出的化学稳定性和耐腐蚀性能；4)保证充足和均匀的氧化剂供应。因此在满足上述条件的基础上，阴极板无需要像阳极板一样保证其材料本身良好的气密性。这就为阴极板的轻质化提供了必要的空间，而这也正是本发明技术方案的理论依据之一。

图1和图2所示为本发明一实施例所提供的用于质子交换膜燃料电池的阴极板的结构示意图。如图1和图2所示，该阴极板采用多孔质石墨材料制成，氧化剂通过多孔质石墨材料中的孔导入/导出质子交换膜燃料电池；其中，该阴极板包括两个燃料通孔1，分别用作燃料进口和燃料出口，在两个燃料通孔1中设置具有通孔的密封垫2，用于将所述燃料通孔1与所述多孔质石墨材料固有的孔分隔开，燃料通过两个密封垫2上的通孔3而被导入/导出质子交换膜燃料电池。密封垫2隔离了通过密封垫2上的通孔3的燃料和通过多孔质石墨材料固有的孔的氧化剂。

在本发明一实施例中，该密封垫2可采用橡胶制成。

在本发明一实施例中，氧化剂可为空气中的氧气，燃料可为氢气。这样所形成的质子交换膜燃料电池即为一个敞开式空气冷却型质子交换膜燃料电池。然而本发明对氧化剂和燃料的种类不做限定。

本领域技术人员同样可以理解，燃料通孔1具体位置可根据燃料的具体输送方式而定，燃料进口和燃料出口也可以有多对。例如，当阳极板上燃料流道有多个阳极板通孔，且分别位于阳极板的不同位置时；阴极板上也可相应设置多个分布与不同位置的燃料通孔1。然而，本发明对布置燃料通孔1的数量和具体位置并不做限定。

为了验证本发明实施例的燃料电池阴极板的性能，发明人进行了一系列采用不同材料阴极板的对比试验。试验结果如下表所示：

从上表中可以看到，多孔质石墨材料具有非常小的密度，在满足燃料电池堆轻质化设计上拥有突出的优势；同时，在其他性能的表现上(例如导电率、导热率、接触电阻)，多孔质石墨材料也都能满足要求，而且拥有不错的性能；再加上其具备优秀的耐腐蚀性和化学稳定性，多孔质石墨材料确实是一种非常适合制备阴极板的材料。

另外，采用多孔质石墨材料作为阴极板也能满足DOE(美国能源部)制定的燃料电池阴极板标准，其要求电导率>100(S·cm^-1)、热导率>10(W·m^-1·K^-1)、接触电阻<30(mΩ·cm²)。

在本发明一实施例中，选用的多孔质石墨材料的导热率为不低于100W/m·K，抗压强度不低于1.2Mpa，且孔隙率不低于40％。

图3为采用不同材料形成的同规格阴极板的重量比较结果，其中金属材料的数据都是按照0.1mm厚度计算的，而石墨和多孔石墨材料都按1mm厚度计算。从图3中可以看到，多孔质石墨材料所制成的阴极板，相对于金属材料制成的阴极板，其重量显著降低。同样结构的多孔质石墨阴极板的重量不到现有的无孔石墨阴极板的1/3。发明人的对比试验表明，多孔质石墨阴极板的重量甚至可以做到现有的无孔石墨阴极板的重量的1/7。

由此可见，多孔质石墨材料不但继承了石墨出色的化学稳定性和耐腐蚀性，还保持了石墨的导电性和机械强度。更为重要的是，由于多孔质石墨材料具备均匀分布的孔结构，极大的减轻了阴极板的重量，可在空气冷却型质子交换膜燃料电池堆上实现超过800W/kg的功率密度；同时均匀分布的孔结构也使得阴极板的表面积大大增加，使得阴极板的散热性能也得到提升。此外，由于多孔质石墨材料中均匀分布的孔就可以作为氧化剂通路，因此可以不用额外制备氧化剂流道就能实现阴极的还原反应和热管理，且氧化剂可以到达阴极板的任何地方参与反应，进行全方位的接触，分布更加均匀，降低了传质电阻，提高电池性能；同时，该阴极板的制备过程可为：先生产出大型的多孔质石墨砖块，再按需裁剪为合适尺寸的阴极板即可，从而进一步降低了模具制造和机加工难度，降低了设备和制造成本。

图4所示为本发明一实施例所提供的用于质子交换膜燃料电池的阴极板的沿图2中A-A线剖开的剖面图。如图4所示，密封垫2的上下端面突出阴极板。这样当向密封垫2的上下两个端面提供压力时，压力不会直接作用在阴极板上，从而有效避免阴极板因承受的压力过大而被破坏。来自上下两个端面的压力形成了密封垫2的变形，并由此形成对燃料通孔1的密封，燃料(例如，氢气)可以通过密封垫2上的通孔3导入/导出质子交换膜燃料电池，且不会发生泄漏。

本领域技术人员可以理解，密封垫2的数量和位置可根据燃料通孔1而定，因此本发明对密封垫2的数量和位置不做限定。

在本发明一实施例中，如图5所示，密封垫2中设有刚性填充物4。该刚性填充物4可采用金属制成，也可以采用复合材料、或者工程塑料、或者能够满足刚性要求的其他材料。这样当密封垫2的端面受到过大压力时，刚性填充物4可以提供一定的支撑作用，从而使压力不全部作用于密封垫2和多孔质石墨阴极板，避免多孔质石墨阴极板因承受的压力过大而发生破坏。

图6所示为本发明一实施例所提供的用于质子交换膜燃料电池的阴极板的结构示意图。如图6所示，为了进一步促进氧化剂(例如，空气中的氧气)的供应和对流热交换，该阴极板的多孔质石墨材料中还可进一步设置氧化剂流道5。该氧化剂流道5可由设置在多孔质石墨材料中的多个凹槽构成。氧化剂进入这些凹槽后再通过多孔质材料中的孔导入/导出质子交换膜燃料电池。在本发明一实施例中，如图6所示，这些凹槽可为相互平行的矩形凹槽，然而本发明对这些凹槽的具体形状并不做限定。

图7所示为本发明一实施例所提供的用于质子交换膜燃料电池的阴极板的结构示意图。如图7所示，不同于图6实施例所提供的阴极板，该阴极板上的氧化剂流道5由设置在多孔质石墨材料中的多个镂空孔构成。这样氧化剂可直接通过这些镂空孔导入/导出质子交换膜燃料电池，进一步提高了氧化剂的供应效率和对流热交换效率。在本发明一实施例中，如图7所示，这些镂空孔可为相互平行的矩形镂空孔，本发明对镂空孔的具体形状不做限定。

图8所示为本发明一实施例所提供的质子交换膜燃料电池的结构示意图。如图8所示，该质子交换膜燃料电池包括：

阴极板71，采用多孔质石墨材料制成，氧化剂通过多孔质石墨材料中的孔导入/导出质子交换膜燃料电池；其中，阴极板71包括：两个燃料通孔1，分别用作燃料进口和燃料出口，在两个燃料通孔1中设置具有通孔的密封垫2，用于将所述燃料通孔1与所述多孔质石墨材料中的孔分隔开，燃料通过两个密封垫2上的通孔3而被导入/导出质子交换膜燃料电池；

膜电极72，设置在阴极板下方；其中，膜电极上设有质子交换膜721以及与两个燃料通孔1连通的两个膜电极通孔722；

密封圈73，设置在膜电极72下方，用于密封所述膜电极下方的空间，防止外界气体进入所述膜电极下方的空间；以及，

阳极板74，设置在密封圈73下方；其中，阳极板74上设有燃料流道741；燃料流道741的两端设置有分别与所述两个膜电极通孔722连通的两个阳极板通孔，形成用于所述燃料电池的燃料输送通道。

在本发明一实施例中，该阴极板71可采用本发明任一实施例所提供的阴极板。例如，该阴极板71上还可设有氧化剂流道5。该氧化剂流道5可由相互平行的矩形凹槽构成，也可由相互平行的矩形镂空孔构成(如图8所示)。本发明对该质子交换膜燃料电池中采用的阴极板71的具体结构不做限定。

该质子交换膜燃料电池的工作原理为：燃料通过阴极板71上的一个燃料通孔1导入，经过膜电极72上的膜电极通孔722导入阳极板74上的燃料流道741。燃料流道741中的燃料在催化剂作用下发生电极反应生成电子和燃料离子(例如，氢质子)。氧化剂(例如，空气中的氧气)则通过阴极板71的多孔结构和氧化剂流道5直接进入质子交换膜721，并与穿过质子交换膜721的电子和燃料离子发生电极反应释放电能。

由于阴极板71采用了多孔质石墨材料制成，该质子交换膜燃料电池也具备轻质化的优势，同时也具备优秀的化学稳定性和耐腐蚀性、散热能力好、工作效率高。

图9所示为本发明一实施例所提供的质子交换膜燃料电池堆的结构示意图。如图9所示，该质子交换膜燃料电池堆包括：

上端板81，包括两个燃料口811，分别用作燃料进口和燃料出口；

上集流板82，设置在上端板81下方；其中，上集流板82上设有与两个燃料口811连通的上集流板通孔；

燃料电池组83，设置在上集流板82下方，由至少一个上述实施例提供的质子交换膜燃料电池堆叠而成；其中，每个燃料电池的两个阳极板通孔分别与相邻的燃料电池的阴极板的两个燃料通孔连通，在燃料电池组中形成连通的燃料输送通道，并且该燃料输送通道还与两个燃料口811连通；

下集流板84，设置在燃料电池组83下方；

下端板85，设置在下集流板84下方；以及，

固定螺栓86，贯穿上端板81和下端板85，压紧位于上端板81和下端板85之间的上集流板82、燃料电池组83和下集流板84。

本领域技术人员可以理解，固定螺栓86的数量和具体位置可根据所要实现的压紧程度而调整，本发明对固定螺栓86的数量和具体位置不做限定。另外，分别用作燃料进口和燃料出口的两个燃料口811也可以都在下端板上，或上端板和下端板各一个，并且与此相应的布置上集流板通孔。

集流板还可用于密封未与燃料进出口连通的燃料电池的燃料输送通道。例如，在如图9所示的燃料进口和燃料出口都设置在上端板的情形下，可以在下集流板84上在与电池堆的燃料输送通道对应的位置设置两个密封垫，用于密封燃料电池组83中的最下面的一个燃料电池的两个阳极板通孔。

由于该质子交换膜燃料电池堆的燃料电池组83中采用了由多孔质石墨材料制成的阴极板，因此该质子交换膜燃料电池堆也具备轻质化的优势，同时也具备优秀的化学稳定性和耐腐蚀性、散热能力好、工作效率高。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于空气冷却型质子交换膜燃料电池的阴极板，其特征在于，采用多孔质石墨材料制成，氧化剂通过所述多孔质石墨材料中的孔被导入/导出所述质子交换膜燃料电池；

其中，所述阴极板包括两个燃料通孔，分别用作燃料进口和燃料出口，在所述燃料通孔中设置具有通孔的密封垫，用于将所述燃料通孔与所述多孔质石墨材料中的孔分隔开；并且，

其中，燃料通过所述密封垫上的通孔被导入/导出所述质子交换膜燃料电池；

所述阴极板进一步包括氧化剂流道，设置于所述阴极板的多孔质石墨材料中。

2.根据权利要求1所述的阴极板，其特征在于，所述密封垫的上下端面突出所述阴极板。

3.根据权利要求2所述的阴极板，其特征在于，所述密封垫中设有刚性填充物。

4.根据权利要求3所述的阴极板，其特征在于，所述密封垫由橡胶制成，并且所述刚性填充物由金属材料制成或者由能够满足刚性要求的复合材料或工程塑料制成。

5.根据权利要求1所述的阴极板，其特征在于，所述氧化剂流道由设置在多孔质石墨材料中的多个凹槽构成。

6.根据权利要求1所述的阴极板，其特征在于，所述氧化剂流道由设置在多孔质石墨材料中的多个镂空孔构成。

7.根据权利要求1所述的阴极板，其特征在于，所述多孔质石墨材料的导热率不低于100W/m·K、抗压强度不低于1.2Mpa、孔隙率不低于40％。

8.一种空气冷却型质子交换膜燃料电池，其特征在于，包括：

根据权利要求1-7中任一项所述的阴极板；

膜电极，设置在所述阴极板下方，其中，所述膜电极上设有质子交换膜以及分别与所述两个燃料通孔连通的两个膜电极通孔；

密封圈，设置在所述膜电极下方，用于密封所述膜电极下方的空间；以及，

阳极板，设置在所述密封圈下方；其中，所述阳极板上设有燃料流道，所述燃料流道的两端设置有分别与所述两个膜电极通孔连通的两个阳极板通孔，形成用于所述燃料电池的燃料输送通道。

9.一种空气冷却型质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，包括：

上端板；

上集流板，设置在所述上端板下方；

燃料电池组，设置在所述上集流板下方，由至少一个如权利要求8所述的质子交换膜燃料电池堆叠而成；其中，每个燃料电池的两个阳极板通孔分别与相邻的燃料电池的阴极板的两个燃料通孔连通；

下集流板，设置在所述燃料电池组下方；

下端板，设置在所述下集流板下方；

固定螺栓，贯穿所述上端板和所述下端板，压紧位于所述上端板和所述下端板之间的上集流板、燃料电池组和下集流板；以及，

其中，将燃料进口和燃料出口设置在所述上端板和下端板中的任一个，或分别设置二者上；所述燃料进口和燃料出口的位置与所述燃料电池组中的燃料通孔对应，并且在上集流板和下集流板中的任一个或二者上设置分别与所述燃料进口和燃料出口连通的集流板通孔，从而使得所述燃料进口和燃料出口与设置在所述燃料电池组中的燃料通孔连通。