CN106033818B - 导流板及含有该导流板的燃料电池堆 - Google Patents

导流板及含有该导流板的燃料电池堆 Download PDF

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Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种新的导流板及含有该导流板的燃料电池堆，采用多孔材料作导流板的流体通道，导流板包括阴极板和阳极板，所述的阴极板和阳极板的结构相同或不同，均由两种不同孔径的材料制成的板，其中，阴极板由两种不同孔径的材料制成的板夹设至少一层膜材料构成，第一多孔板作为氧化剂流场，第二多孔板作为冷却流体流场，通过控制该膜材料两侧的压力或湿度来控制水在膜材料两侧流通，使水进入第一多孔板增湿氧化剂，或者将反应生成水通过第二多孔板排出。与现有技术相比，本发明的导流板自身可以起到增湿、散热、排水的功能。不仅使得电堆结构简单紧凑，而且使得反应物、生成物和冷却液的流体流动更加均匀，同时MEA膜可以承受更重的压力，同时降低了燃料电池的重量。

Description

导流板及含有该导流板的燃料电池堆
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体地说是提出了一种新的导流板及含有该导流板的燃料电池堆。
背景技术
燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。燃料电池通常由多个电池单元构成，每个电池单元包括两个电极(阳极和阴极)，该两个电极被电解质元件隔开，并且彼此串联地组装，形成燃料电池堆。通过给每个电极供给适当的反应物，即给一个电极供给燃料而另一个供给氧化剂，实现电化学反应，从而在电极之间形成电位差，并且因此产生电能。
为了给每个电极供给反应物，使用通常称为“双极板”并且设置在每个单个电池的两侧的特定界面元件。这些双极板通常是邻近阳极或阴极支撑体放置的单个元件的形式。双极板是燃料电池组的重要元件。燃料电池堆在运行过程中，双极板执行如下功能以维持燃料电池堆的最佳工作状态以及使用寿命：(1)电池导电体，极板两侧分别形成阴极阳极，将一个个电池单元串联以组成燃料电池堆；(2)通过流道向电极提供反应气(传质)；(3)协调水与热的管理，防止冷却介质及反应气体外漏；(4)向膜电极组件(MEA)提供结构强度支持。
双极板上一般设有三进三出孔，六个孔均通过进、出流体流道与双极板中间反应区域的气体流道连通，气体进入电堆后由进、出流体流道引导进入流体在MEA表面发生反应。MEA是将电极热压在质子交换膜上，催化剂嵌入在他们之间组成，膜的厚度小于0.1mm，常用的办法是在膜的两侧粘接0.1mm左右的加强材料。一般极板表面上的流体进出口流道宽度较宽，因此膜在进出口流道处无支撑，受极板上密封垫的回弹力作用，流道进出口处的膜容易产生塌陷，造成进出气流道堵塞，增加压降，通气量不够等，殃及MEA和电堆，引发电堆产生故障。
虽然目前双极板的流道设计已经有了相当的进步，但是随着膜电极组件(MEA)中反应区域面积的增加，在电化学反应过程中，双极板上的流道不并能保证其能够均匀地输送反应物。整个电池设定的流道区域，从进口到出口，或者说，在不同的局部区域内，气流分配是不均匀的。另外在这些总体或局部的区域里，燃料和氧化剂的浓度也是不均匀的，在工作状态下，反应物的供给的波动所产生的电瞬态效应，在流道两端可能产生较大的电压差；同理，在膜电极组件(MEA)反映区域的横向上也可能产生这种较大电压差的现象，并且在流道之间也可能存在因反应物不均匀释放产生电压差的现象，导致每个电池单元内部产生较大的横向(Inplane)电流，造成膜电极的电化学腐蚀，这将极大地缩减燃料电池的使用寿命。并且反应物供给量大的区域受限于反应物供给量小的区域，这种关联效应还会导致反应物供给量大的区域输出电压被拉低，影响燃料电池的输出功率。
但是目前对于导流板的改进一直集中在分区域或优化流道的设计，但是由于流道存在粘滞切应力，流体在其流动过程中呈抛物线型流动，并不能彻底解决流体分配不均的问题，而且由于MEA膜电极很薄，在流道上方形成悬空，压强交大，易损伤。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种分流均匀、承受压力较大的导流板及含有该导流板的燃料电池堆。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池导流板，其特征在于：采用多孔材料作导流板的流体通道并采用透水膜材料作为间隔层。
所述的导流板的流道内填充有金属或非金属多孔材料作为流体通道。
一种燃料电池导流板，包括阴极板和阳极板，其特征在于：所述的阴极板和阳极板的结构相同或不同，均由两种不同孔径的材料制成的板:第一多孔板和第二多孔板组合而成，或者由第一多孔板和第二多孔板夹设一膜材料或隔板组合而成，其中，第一多孔板和第二多孔板包括以下结构：
第一种结构：第二多孔板一侧为平板状，另一侧设有多条导流槽，第一多孔板一侧为平板状，另一侧设有多个凸块，各凸块与第二多孔板上的导流槽相匹配，凸块嵌入对应的导流槽中；
第二种结构：第二多孔板一侧为平板状，另一侧设有多条导流槽，第一多孔板由多个相互独立的长方体块组成，各长方体块的大小与所述导流槽的大小相匹配，每根导流槽中均填充一长方体块；
第三种结构：第一多孔板和第二多孔板均由多个相互独立的长方体块组成，组成第一多孔板的长方体块与组成第二多孔板的长方体块相互间隔设置。
可以任意选择上述三种结构中的一种或两种作为阴极板或阳极板，将阴极板和阳极板夹设隔板组成双极板。
优选方案：所述的阴极板可以为上述第一种结构或第二种结构，此时，第一多孔板作为氧化剂流场，第二多孔板作为冷却流体流场，第一多孔板和第二多孔板之间夹设一膜材料，通过控制该膜材料两侧的压力或湿度来控制水在膜材料两侧流通，使水进入第一多孔板增湿氧化剂，或者将反应生成水通过第二多孔板排出。
所述的膜材料包括但不限于Nafion膜或孔径为0.1～1.0微米的微孔膜中的一种或几种叠加，使得膜材料可透水但不透气，或者能透过少量其他，从而可通过控制膜材料两侧的压力或湿度来控制水在膜材料两侧流通。
优选方案：所述的阴极板也可以为上述第三种结构，此时，第一多孔板作为氧化剂流场，第二多孔板作为冷却流体流场，第一多孔板和第二多孔板之间夹设一隔板，该隔板将氧化剂和冷却流体隔开；所述阴极板与MEA膜组装成燃料电池堆时，氧化剂和冷却流体在MEA膜的扩散层中进行水的交流，实现增湿或排水功能。
隔板为金属板或非金属板。第一多孔板和第二多孔板在组合成阴极板时，其孔径范围包括但不限于20～400目。
优选方案：所述的阳极板为第一种结构或第二种结构或第三种结构，其中一种孔径的板作为燃料流场，其孔径范围约为100目，另一种孔径的板作为支撑板，其孔径范围约为200目，两种不同的孔径的板之间设置一隔板使燃料在燃料流场中流动，或者不设隔板，通过两种不同孔径板的材料和孔径，使燃料在燃料流场中流通。
一种含有上述任一一种导流板结构的燃料电池堆，由多个单电池叠加组成，所述的单电池由阴极板和阳极板夹设MEA膜组成，所述的阴极板和阳极板上均设有氧化剂进出口、冷却流体进出口和燃料进出口，其特征在于：所述的阴极板和阳极板之间设有隔板，所述的阴极板由两种不同孔径的材料制成的板夹设至少一层膜材料构成，也可以用不同特性的多层膜构成间隔材料，两种不同孔径的材料制成的板为：第一多孔板和第二多孔板，第一多孔板作为氧化剂流场，第二多孔板作为冷却流体流场，通过控制所述膜材料两侧的压力或湿度来控制水在膜材料两侧流通，使水进入第一多孔板增湿氧化剂，或者将反应生成水通过第二多孔板排出；第一多孔板和第二多孔板的结构可以为上述三种结构中的任意一种。
所述的阳极板由两种不同孔径材料制成的板组成，通过控制两种板的孔径或在两种板之间设置隔板，使得其中一种板作为燃料气体的流场。两种不同孔径材料制成的板的结构可以为上述三种结构中的任意一种。
与现有技术相比，本发明优点在于：
1.本发明选用多孔材料作为燃料电池各流体流动的通道，彻底改变边流体流动形成，将层流改成了紊流，使得流体分流均匀，减小电压差，提高燃料电池的输出效率；
2.电极板由支撑板和支撑板上设置的流道组成，流道内设置多孔网板，打破了传统的流体流动形式，而且支撑板也可以采用网板组成，减轻了整个电极板的重量，而且在与MEA膜进行压合形成电池时，由于整个电极板都是网孔板，使得MEA膜能承受的压力较大，结构较稳定，因为在相同的压力下，传统空流道两旁的脊边制成MEA膜，使得MEA膜所受压强较大，因此，易损伤，而本发明彻底改变了这一缺陷，使MEA膜能承受更大的压力，而且可以保护MEA膜；
3.阴极板采用两种不同孔径的板夹设透水不透气膜材料组成，其中一种孔径的板作为冷却流体的流场，另一种孔径的板作为氧化剂流体，其中氧化剂不能通过膜材料窜入冷却流体的流场，冷却流体却可以通孔膜材料进入氧化剂流场，增湿氧化剂，这样氧化剂进入燃料电池堆前不用额外增湿，而且可以更加稳定地控制氧化剂的温度，同时使冷却流体的排放变得更加方便；使用时只要利用冷却流体和氧化剂的压力差就可以调节冷却流体在膜材料两侧的流动，从而调节燃料电池堆的增湿、散热和排水状态。
附图说明
图1为本发明导流板的第一种结构示意图；
图中A为第一多孔板、B为第二多孔板，C为膜材料；
图2为本发明导流板的第二种结构示意图；
图中A为第一多孔板、B为第二多孔板，C为膜材料；
图3为本发明导流板的第三种结构示意图；
图中A为第一多孔板、B为第二多孔板；
图4为实施例1双极板的结构示意图；
图5为本发明实施例1中双极板与MEA膜电极的组装图；
图6为多块双极板和MEA膜电极组装成电堆的示意图。
图中标识为：阴极板1、阳极板2、隔板3、多孔板4、多孔板5、膜材料6、多孔板7、多孔板8、双极板10、MEA膜电极11。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明做进一步说明。
本发明将传统的燃料电池板采用多孔板替代，传统燃料电池板中的流道内也设置多孔板，通过选择不同材料和孔径的多孔板组成燃料电池导流板，既要改变各流体的流动形式，又要保证流体顺利流通，不会因为多空材料造成阻碍。
导流板的结构可以与现有导流板结构相同，也可以采用下述三种经典结构：
如图1所示，第一种结构：第二多孔板B一侧为平板状，另一侧设有多条导流槽，第一多孔板A一侧为平板状，另一侧设有多个凸块，各凸块与第二多孔板上的导流槽相匹配，凸块嵌入对应的导流槽中，第一多孔板A与第二多孔板B之间设置膜材料C，当该结构作为阳极板时也可以不设膜材料，或者将膜材料换成隔板；
如图2所示，第二种结构：第二多孔板B一侧为平板状，另一侧设有多条导流槽，第一多孔板A由多个相互独立的长方体块组成，各长方体块的大小与所述导流槽的大小相匹配，每根导流槽中均填充一长方体块；第一多孔板A与第二多孔板B之间设置膜材料C，当该结构作为阳极板时也可以不设膜材料，或者将膜材料换成隔板；
如图3所示，第三种结构：第一多孔板A和第二多孔板B均由多个相互独立的长方体块组成，组成第一多孔板的长方体块与组成第二多孔板的长方体块相互间隔设置。第一多孔板A与第二多孔板B之间可以设置隔板或膜材料，也可以不设；
燃料电池的双极板可以任意选择上述一种或两种结构的板夹设隔板组成。
实施例1
如图4所示，一种燃料电池导流板，包括阴极板1和阳极板2，所述的阴极板1和阳极板2之间设有隔板3，所述的阴极板1包括外框，以及外框内密封设置的导流板，该导流板的结构采用上述第一种结构：由两种不同孔径的材料制成的板夹设一膜材料6构成，两种不同孔径的材料制成的板，分别记为：多孔板4和多孔板5，多孔板4作为氧化剂流场本实施例中为空气流场，多孔板5作为冷却流体流场本实施例中为水流场；所述的多孔板5一侧为平板状，另一侧设有多条导流槽，所述的膜材料6铺设在设有导流槽的一侧，多孔板4一侧为平板状，另一侧设有多个凸块，各凸块与多孔板5上的导流槽相匹配，凸块嵌入对应的导流槽中，使多孔板4、膜材料6与多孔板5组成两侧均为平板状的阴极板1的导流板，该导流板与外框密封形成阴极板1；其中膜材料6选择孔径为0.5微米和0.6微米的两种膜材料叠加而成，通过调节水侧和空气侧的压力调节水在膜材料6两侧流动，实现增湿、散热和排水的效果；
所述的阳极板2外框，以及外框中密封的导流板组成，该导流板的结构采用上述第三种结构：由两种不同孔径材料制成的长方体板交错设置而成，两种不同孔径材料的长方体板分别记为：孔板7和多孔板8，多孔板7和多孔板8的长度和厚度相同，其中多孔板8作为燃料气体的流场即氢气流场，可以通过调节多孔板7和多孔板8的孔径大小，使得氢气在多孔板8中流动，即使氢气窜入了多孔板7中也不会有影响。因为采用了隔板3使得氢气和氧气隔绝不会相互串流。
阴极板1、阳极板2和隔板3组成了双极板10，并在外框上设置氢气进出口、空气进出口和水进出口和密封槽9，两个双极板10夹一张MEA膜电极11组成单电池，其中MEA膜电极11是由膜及其两侧的催化剂层111和气体扩散层112组成，如图5所示，多个单电池组合成燃料电池堆，如图6所示。
实施例2
参见图1～6，如图7所述，一种燃料电池导流板，包括阴极板1和阳极板2，所述的阴极板1和阳极板2之间设有隔板3，所述的阴极板1包括外框和外框内密封设置的导流板，该导流板的结构采用上述第二种结构：由两种不同孔径的材料制成的板夹设一膜材料6构成，两种不同孔径的材料制成的板为：多孔板4和多孔板5，多孔板4作为氧化剂流场，多孔板5作为冷却流体流场；如图3所示，所述的多孔板5一侧为平板状，另一侧设有多条导流槽，所述的膜材料6铺设在设有导流槽的一侧，多孔板4由多个相互独立的长方体块组成，各长方体块的大小与所述导流槽的大小相匹配，每根导流槽中均填充一长方体块，使多孔板4、膜材料6与多孔板5组成两侧均为平板状的阴极板1；膜材料6为一层Nafion膜，通过控制膜材料6两侧的湿度来控制水在膜材料两侧流通，当氧化剂侧的湿度低于预定值时，调节膜材料6两侧湿度，使得水从多孔板5中进入多孔板4中增湿氧化剂，当氧化剂侧湿度高于预定值时，调节，使得水从多孔板4中排入多孔板5中，增加排水功能。
所述的阳极板包括外框和外框内密封设置的导流板，该导流板采用上述第三种结构：由两种不同孔径材料制成的长方体板交错设置而成，两种不同孔径材料的长方体板分别为多孔板7和多孔板8，多孔板7和多孔板8的长度和厚度相同，其中多孔板8作为燃料气体的流场。其余同实施例1。
实施例3
阴极板和阳极板的结构相同，均为第三种结构(如图3所示)，只在作为阴极板的多孔板7和多孔板8之间设置膜材料6，膜材料6选择孔径为0.1微米、0.2微米、0.9微米和1.0微米的四种膜材料叠加而成。其余同实施例1。
实施例4
阴极板和阳极板的结构相同，均为第一种结构(如图1所示)。其余同实施例1。
实施例5
阴极板和阳极板的结构相同，均为第二种结构(如图2所示)。其余同实施例1。
阴极板和阳极板的结构可以是当前现有燃料电池板的各种结构形式，只是在其中的流道中填充多孔材料即可，这样可以彻底改变流体的流动形式，使流体流动更加均匀，而且能保护MEA膜。

Claims (7)

1.一种燃料电池导流板，包括阴极板和阳极板，其特征在于：所述的阴极板和阳极板的结构相同或不同，阴极板和阳极板为由两种不同孔径的材料制成的板:第一多孔板和第二多孔板组合而成，或者由第一多孔板和第二多孔板夹设至少一层膜材料或隔板组合而成；所述的第一多孔板和第二多孔板包括以下结构：
第一种结构：第二多孔板一侧为平板状，另一侧设有多条导流槽，第一多孔板一侧为平板状，另一侧设有多个凸块，各凸块与第二多孔板上的导流槽相匹配，凸块嵌入对应的导流槽中；
第二种结构：第二多孔板一侧为平板状，另一侧设有多条导流槽，第一多孔板由多个相互独立的长方体块组成，各长方体块的大小与所述导流槽的大小相匹配，每根导流槽中均填充一长方体块；
第三种结构：第一多孔板和第二多孔板均由多个相互独立的长方体块组成，组成第一多孔板的长方体块与组成第二多孔板的长方体块相互间隔设置。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池导流板，其特征在于：所述的阴极板为第一种结构或第二种结构，第一多孔板作为氧化剂流场，第二多孔板作为冷却流体流场，第一多孔板和第二多孔板之间夹设至少一层膜材料，通过控制该膜材料两侧的压力或湿度来控制水在膜材料两侧流通，使水进入第一多孔板增湿氧化剂，或者将反应生成水通过第二多孔板排出。
3.如权利要求2所述的一种燃料电池导流板，其特征在于：所述的膜材料包括Nafion膜或孔径为0.1至1.0微米的微孔膜中的一种或几种叠加。
4.如权利要求1所述的一种燃料电池导流板，其特征在于：所述的阴极板为第三种结构，第一多孔板作为氧化剂流场，第二多孔板作为冷却流体流场，第一多孔板和第二多孔板之间夹设一隔板，该隔板将氧化剂和冷却流体隔开；所述阴极板与MEA膜组装成燃料电池堆时，氧化剂和冷却流体在MEA膜的扩散层中进行水的交流，实现增湿或排水功能。
5.如权利要求4所述的一种燃料电池导流板，其特征在于：隔板为金属板或非金属板。
6.如权利要求1所述的一种燃料电池导流板，其特征在于：所述的阳极板为第一种结构或第二种结构或第三种结构，其中一种孔径的板作为燃料流场，另一种孔径的板作为支撑板，两种不同的孔径的板之间设置一隔板使燃料在燃料流场中流动，或者不设隔板，通过两种不同孔径板的材料和孔径，使燃料在燃料流场中流通。
7.一种含有如权利要求1～6任一所述导流板的燃料电池堆，由多个单电池叠加组成，所述的单电池由阴极板和阳极板夹设MEA膜组成，所述的阴极板和阳极板上均设有氧化剂进出口、冷却流体进出口和燃料进出口，其特征在于：所述的阴极板和阳极板之间设有隔板，所述的阴极板由两种不同孔径的材料制成的板夹设至少一层膜材料构成间隔，两种不同孔径的材料制成的板为：第一多孔板和第二多孔板，第一多孔板作为氧化剂流场，第二多孔板作为冷却流体流场，通过控制所述膜材料两侧的压力或湿度来控制水在膜材料两侧流通，使水进入第一多孔板增湿氧化剂，或者将反应生成水通过第二多孔板排出；
所述的阳极板由两种不同孔径材料制成的板组成，通过控制两种板的孔径或在两种板之间设置隔板，使得其中一种板作为燃料气体的流场。
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