CN107768697B - 一种复合双极板的燃料电池结构及燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合双极板的燃料电池结构及燃料电池堆。该电池结构依次包括：第一石墨板、金属片、第二石墨板、氧气扩散层、膜电极组件以及氢气扩散层；其中，第一石墨板与氢气扩散层相对的一侧设有多个作为流道的凹槽，凹槽为氢气流道；第二石墨板两侧面上均设有多个作为流道的凹槽，紧贴金属片的一侧凹槽为冷却液流道，紧贴氧气扩散层的一侧凹槽为氧气流道；金属片的截面积大于第一石墨板的截面积；膜电极组件包括阳极、质子交换膜和阴极。本发明的电池结构尺寸小、重量轻且制造成本低。

Description

一种复合双极板的燃料电池结构及燃料电池堆
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，更具体地涉及一种复合双极板的燃料电池结构及燃料电池堆。
背景技术
燃料电池，能以较高的效率将氢气与氧气(通常是空气中的氧气)直接转化为电能，反应副产品是纯水。因此具有节能、环保等优点。
传统的水冷燃料电池堆存在燃料电池体积庞大、重量较重、成本较高的缺点，此缺点也制约了水冷燃料电池的推广使用。
因此，本领域急需开发新的体积小重量轻成本低的燃料电池结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种体积小重量轻且成本低的燃料电池结构和燃料电池堆。
在本发明的第一方面，本发明提供了一种复合双极板的燃料电池结构。所述结构依次包括：第一石墨板、金属片、第二石墨板、氧气扩散层、膜电极组件以及氢气扩散层；
其中，所述第一石墨板与所述氢气扩散层相对的一侧设有多个作为流道的凹槽，所述凹槽为氢气流道；
所述第二石墨板两侧面上均设有多个作为流道的凹槽，紧贴所述金属片的一侧凹槽为冷却液流道，紧贴所述氧气扩散层的一侧凹槽为氧气流道；
所述金属片的截面积大于所述第一石墨板的截面积；
所述膜电极组件包括阳极、质子交换膜和阴极。
所述第一石墨板的厚度为d1，d1满足：0.3mm≤d1≤0.8mm。
所述第二石墨板的厚度为d2，d2满足：1.2mm≤d2≤2.4mm。
所述金属片的厚度为d3,d3满足：0.05mm≤d3≤0.3mm。
优选地，所述第一石墨板的截面积小于所述第二石墨板的截面积。
优选地，所述氧气扩散层、膜电极组件以及氢气扩散层外设有密封条。
优选地，所述第一石墨板外设有密封条。
优选地，所述密封条为密封胶条。
优选地，所述密封条上还设有密封筋。
在本发明的第二方面，本发明提供了一种燃料电池堆。所述燃料电池堆由M个如本发明第一方面所述的燃料电池结构串联叠加而成；其中，M为大于等于2的正整数。
优选地，M为6≤M≤300，相应的燃料电池堆的电压为5.4～270V。
优选地，各个所述燃料电池结构之间通过密封胶条粘合密封。
在另一优选例中，所述电池堆还设有紧固件，用于固定所述燃料电池结构。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附图说明
图1为本发明的一种典型的复合双极板燃料电池结构示意图；
图2为本发明的一种燃料电池堆结构示意图。
各附图中标记如下：1-第一石墨板；2-金属片；3-第二石墨板；4-氧气扩散层；5-膜电极组件(MEA)；6-氢气扩散层；7-氢气流道；8-冷却液流道；9-氧气流道；10-密封胶条。
具体实施方式
本发明人经过广泛而深入的研究，首次开发了一种体积小制造成本低的复合双极板的燃料电池结构。燃料电池堆内部由多条气路和水路的流道组成，其中有一条通道用于输送氢气，有一条通道用于输送氧气，还有一条通道用于输送水，而燃料电池堆内主要的材料为石墨板，因此燃料电池对石墨板的要求极高，必须达到不漏气不漏水的要求。对材料的高要求限制了材料的选择范围，同时增加了相当大的成本压力。普通的不透气石墨板也必须保证基础厚度在0.6～0.7mm以上才能满足不透气的要求，因此当同时拥有三条有严格密封要求的流道时，石墨板组合的厚度将不得不加厚，同时重量将增加。为了解决这一系列缺点，本发明创造性地研发了一种石墨板复合的结构和使用方式：在一侧氢气流道与另一侧水的流道之间增加一层金属片，这层金属片将显著地减少材料之间的漏气率。同时降低一侧流道透气性的要求，从而减小了石墨板材质的厚度、重量以及成本。另外，本发明的燃料电池结构配合一种膜电极组件(MEA)的密封结构，可以使一侧的石墨板尺寸比另一侧的石墨板尺寸小10％到20％，这样可以使得反应区域更有效，同时在降低石墨板重量和成本方向起到一定帮助。
在此基础上完成了本发明。
本发明的主要优点包括：
(a)本发明的燃料电池结构，电池尺寸小、重量轻且制造成本低。
(b)本发明的燃料电池结构，降低了单电池漏气的风险。
(b)本发明的燃料电池结构，最大限度的提高了氢气侧石墨板的利用率。
(c)本发明的燃料电池结构，降低了整体的体电阻，提高电性能。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
实施例1
如图1所示，本发明的一种复合双极板的燃料电池结构。该结构依次包括：第一石墨板1、金属片2、第二石墨板3、氧气扩散层4、膜电极组件5以及氢气扩散层6；其中，第一石墨板1与氢气扩散层6相对的一侧设有多个氢气流道7；第二石墨板3两侧面上，在紧贴金属片2的一侧设有多个冷却液流道8，在紧贴氧气扩散层4的一侧设有氧气流道9。金属片2的截面积大于第一石墨板1的截面积。第一石墨板1的厚度为d1为0.4mm，第二石墨板3的厚度为d2为1.8mm，金属片2的厚度为d3为0.1mm，且第一石墨板1的截面积小于第二石墨板3的截面积。氧气扩散层4、膜电极组件5、氢气扩散层6以及第一石墨板1外设有密封胶条10。
实施例2
如图2所示，本发明的一种燃料电池堆。在本实施例中，该燃料电池堆由两组上述的复合双极板燃料电池结构串联叠加而成。该燃料电池堆包括：第一石墨板1、金属片2、第二石墨板3、氧气扩散层4、膜电极组件5以及氢气扩散层6；其中，第一石墨板1与氢气扩散层6相对的一侧设有多个氢气流道7；第二石墨板3两侧面上，在紧贴金属片2的一侧设有多个冷却液流道8，在紧贴氧气扩散层4的一侧设有氧气流道9。金属片2的截面积大于第一石墨板1的截面积且第一石墨板1的截面积小于第二石墨板3的截面积。该两组复合双极板燃料电池结构通过密封胶条10粘合密封紧固。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种复合双极板的燃料电池结构，其特征在于，所述结构依次包括：第一石墨板、金属片、第二石墨板、氧气扩散层、膜电极组件以及氢气扩散层；
其中，所述第一石墨板与所述氢气扩散层相对的一侧设有多个作为流道的凹槽，所述凹槽为氢气流道，所述第一石墨板上仅设有所述氢气流道；
所述第二石墨板两侧面上均设有多个作为流道的凹槽，紧贴所述金属片的一侧凹槽为冷却液流道，紧贴所述氧气扩散层的一侧凹槽为氧气流道；
所述金属片的截面积大于所述第一石墨板的截面积；
所述第一石墨板的截面积小于所述第二石墨板的截面积；
所述膜电极组件包括阳极、质子交换膜和阴极；
所述第一石墨板的尺寸比所述第二石墨板的尺寸小10％到20％；所述第一石墨板的厚度为d1，d1满足：0.3mm≤d1≤0.8mm；
所述氧气扩散层、所述膜电极组件、所述氢气扩散层以及所述第一石墨板外设有密封条；
所述密封条为密封胶条。
2.如权利要求1所述的燃料电池结构，其特征在于，所述第二石墨板的厚度为d2，d2满足：1.2mm≤d2≤2.4mm。
3.如权利要求1所述的燃料电池结构，其特征在于，所述金属片的厚度为d3,d3满足：0.05mm≤d3≤0.3mm。
4.一种燃料电池堆，其特征在于，所述燃料电池堆由M个如权利要求1-3任一所述的燃料电池结构串联叠加而成；
其中，M为大于等于2的正整数。
5.如权利要求4所述的燃料电池堆，其特征在于，M为6≤M≤300，相应的燃料电池堆的电压为5.4～270V。
6.如权利要求4所述的燃料电池堆，其特征在于，各个所述燃料电池结构之间通过密封胶条粘合密封。
7.如权利要求4所述的燃料电池堆，其特征在于，所述电池堆还设有紧固件，用于固定所述燃料电池结构。
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