CN108400348A - 一种采用金属为双极板的空冷燃料电池堆 - Google Patents

一种采用金属为双极板的空冷燃料电池堆 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种采用金属为双极板的空冷燃料电池堆，包括金属板单电池、进气端板、正极导电板、石墨空气板、石墨板单电池、负极导电板及出气端板，多个金属板单电池层叠设置，在层叠后金属板单电池的外侧设置有石墨空气板与石墨板单电池，在石墨空气板与石墨板单电池的外侧分别设置有正极导电板与负极导电板，在正极导电板与负极导电板的外侧分别设置有进气端板与出气端板。金属板单电池包括金属双极板、环形垫片、氢气扩散层、燃料电池电极及氧气扩散层，金属双极板一侧为空气侧，另一侧为氢气侧，氢气扩散层、燃料电池电极及氧气扩散层由里向外依次设置在金属双极板的氢气侧，环形垫片粘贴在金属双极板空气侧的端头。

Description

一种采用金属为双极板的空冷燃料电池堆
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，尤其是涉及一种采用金属为双极板的空冷燃料电 池堆。
背景技术
燃料电池是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正电 极(即氧化剂电极)和负电极(即燃料电极)以及电解质组成。不同的是一般电池 的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身 不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化 为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则 上只要反应物不断输入，反应产物不断排出，燃料电池就能连续地发电。氢-氧燃 料电池的工作原理如下。
负极：H2→2H++2e-
正极：1/2O2+H++2e→H2O
电池反应：H2+1/2O2＝＝H2O
由于燃料电池的比能量高、环境友好、兼容可再生能源等特点，得到了全球各 国政府、企业及研究团体的极大重视。美、日、欧等发达国家持续加强对燃料电池 领域的支持，相关技术不断突破，车用质子膜燃料电池已经开始商用。
空冷燃料电池是属于空气侧开放的体系，随着外界环境温湿度的变化，空气侧 燃料电池催化剂层相对湿度也变化，膜电极存在张缩等过程，这样长时间能够影响 膜电极的寿命；再者，对于燃料电池长时间处于空气开放体系中，过程中空气的相 对湿度可能比较低，这样燃料电池处于一种比较干燥的状态。空气相对湿度直接影 响了燃料电池的启动速度，如果膜电极处于一种比较湿润的状态，燃料电池电极能 很快发挥性能，如果燃料电池电极处于比较干燥的状态，燃料电池运行产生水首先 将燃料电池膜电极润湿，这样电池启动时间明显增加，处于好的环境状态的电极达 到最高功率仅需要几秒种的时间，而不好环境状态的电极启动到最高性能则需要十 多分钟的时间。
燃料电池的双极板要求具有气密性、高导电性、高导热性、优良的抗腐蚀性， 一般采用石墨材料。随着要求燃料电池堆体积越小、重量越轻，开始使用金属板替 代石墨作为双极板。由于金属板本身的特性，使得金属板燃料电池堆的结构设计与 石墨板不同，为此发明本专利。
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采用金属为 双极板的空冷燃料电池堆。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种采用金属为双极板的空冷燃料电池堆，包括金属板单电池、进气端板、正 极导电板、石墨空气板、石墨板单电池、负极导电板及出气端板，多个金属板单电 池层叠设置，在层叠后金属板单电池的外侧设置有石墨空气板与石墨板单电池，在 石墨空气板与石墨板单电池的外侧分别设置有正极导电板与负极导电板，在正极导 电板与负极导电板的外侧分别设置有进气端板与出气端板。
在本发明的一个实施方式中，所述金属板单电池包括金属双极板、环形垫片、 氢气扩散层、燃料电池电极及氧气扩散层，所述金属双极板一侧为空气侧，另一侧 为氢气侧，所述氢气扩散层、燃料电池电极及氧气扩散层由里向外依次设置在金属 双极板的氢气侧，所述环形垫片粘贴在金属双极板空气侧的端头。
在本发明的一个实施方式中，所述金属双极板长度方向的两端为端头，两个端 头以内的部分为流场区域，所述金属双极板空气侧形成空气流场，所述金属双极板 氢气侧形成氢气流场。
在本发明的一个实施方式中，所述金属双极板空气侧开设构成空气流场的槽， 空气侧槽的宽度在0.8-3mm，深度1-4mm；脊背的宽度在0.8-3mm；所述金属双极 板氢气侧开设构成氢气流场的槽，氢气侧槽的宽度为0.5-3mm，深度为0.3-1mm； 脊背的宽度为1.5-5mm。
在本发明的一个实施方式中，所述金属双极板空气侧槽为横向槽，构成空气流场。所述金属双极板氢气侧槽为竖向槽，可以为直槽或波浪槽或蛇形槽，构成氢气 流场。
在本发明的一个实施方式中，所述环形垫片与金属双极板空气侧的端头宽度相等或稍小，所述氢气扩散层的宽度小于金属双极板的宽度2-8mm，所述氢气扩散 层的长度与氢气流场的长度相同；所述氢气扩散层位于金属双极板的氢气侧表面居 中，所述燃料电池电极通过金属双极板氢气侧的两侧边缘上的硅胶粘结在金属双极 板的氢气侧，并将氢气扩散层夹持在金属双极板与燃料电池电极之间，所述燃料电 池电极的宽度与金属双极板的宽度相同，所述燃料电池电极的长度与氢气扩散层的 长度相同；所述氧气扩散层放置在燃料电池电极的表面，所述氧气扩散层的宽度与 燃料电池电极相同，所述氧气扩散层的长度比氢气扩散层小3-14mm，所述氧气扩 散层长度方向的两端通过粘结并固化在金属双极板氢气侧两个端头的硅胶抵接固 定。
在本发明的一个实施方式中，金属板单电池的制作方法为：
先把环形垫片粘接到金属双极板空气侧两头。
把氢气扩散层放到金属双极板的氢气侧表面居中，在金属双极板的氢气侧的两侧边缘打上硅胶后把燃料电池电极放在氢气扩散层的表面覆盖，
所述燃料电池电极的宽度与金属双极板的宽度相同，所述燃料电池电极的长度与氢气扩散层的长度相同；等硅胶固化后，把氧气扩散层放在燃料电池电极的表面， 氧气扩散层的宽度与燃料电池电极相同，氧气扩散层的长度比氢气扩散层小 3-14mm，
在金属双极板的氢气侧两个端头打上硅胶，并压覆后，硅胶固化后，用刀裁掉 突出的硅胶，形成金属板单电池。
在本发明的一个实施方式中，所述进气端板与出气端板之间通过丝杆组装成空冷燃料电池堆。
在组装过程中，需要在进气端板与出气端板的内侧连接丝杆处设置O型圈， 在石墨空气板与正极导电片间设置O型圈，在石墨单电池与负极导电片间设置O 型圈，在进气端板与出气端板的外侧通过法兰螺母或标准螺母来固定丝杆，且一般 需要设置弹簧垫片或平垫片。
在本发明的一个实施方式中，所述金属双极板材料可以是不锈钢、钛、钛合金、铝、铝合金等。
在本发明的一个实施方式中，所述环形垫片材料可以是金属、塑料、橡胶、硅 胶等。
在本发明的一个实施方式中，所述氢气扩散层材料为碳布或碳纸，表面用碳粉 与PTFE混合后涂覆。
在本发明的一个实施方式中，所述氧气扩散层材料为碳布或碳纸，表面用碳粉 与PTFE混合后涂覆。
在本发明的一个实施方式中，所述正极导电板一面铜镀金，另一面为环氧树脂。
在本发明的一个实施方式中，所述负极导电板一面铜镀金，另一面为环氧树脂。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
1、采用金属板比采用石墨板的电堆抗震性好，电堆的体积小；
2、金属板电堆的热容小，有利于燃料电池堆再低温的快速启动；
3、采用金属双极板电堆比采用石墨板双极板电堆的重量轻；
4、采用本发明的结构设计有利于金属双极板电池堆的快速组装；
5、采用本发明的结构有利于气体密封。
附图说明
图1为实施例1中空冷燃料电池堆的分解结构示意图；
图2为金属板单电池分解结构示意图；
图3为金属双极板空气侧结构示意图；
图4为金属双极板氢气侧结构示意图。
图中标号所示：
1.金属双极板，2.环形垫片，3.氢气扩散层，4.燃料电池电极，5.氧气扩散 层，6.金属板单电池，7.进气端板，8.正极导电板，9.石墨空气板，10.O型圈，11. 丝杆，12.石墨板单电池，13.负极导电板，14.出气端板，15.法兰螺母，16.标准螺 母，17.弹簧垫片，18.平垫片，19.温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
一种采用金属为双极板的空冷燃料电池堆，如图1所示，包括金属板单电池6、 进气端板7、正极导电板8、石墨空气板9、石墨板单电池12、负极导电板13及出 气端板14，多个金属板单电池6层叠设置，在层叠后金属板单电池6的外侧设置 有石墨空气板9与石墨板单电池12，在石墨空气板9与石墨板单电池12的外侧分 别设置有正极导电板8与负极导电板13，在正极导电板8与负极导电板13的外侧 分别设置有进气端板7与出气端板14。其中，进气端板7与出气端板14之间通过 丝杆11组装成空冷燃料电池堆。在组装过程中，需要在进气端板7与出气端板14 的内侧连接丝杆11处设置O型圈10，在石墨空气板与正极导电片间设置O型圈， 在石墨单电池与负极导电片间设置O型圈，在进气端板7与出气端板14的外侧通 过法兰螺母15或标准螺母16来固定丝杆11，且一般需要设置弹簧垫片17和平垫 片18。
空冷燃料电池堆上还可以设置温度传感器19。
参考图2，金属板单电池6包括金属双极板1、环形垫片2、氢气扩散层3、燃 料电池电极4及氧气扩散层5，金属双极板1一侧为空气侧，另一侧为氢气侧，氢 气扩散层3、燃料电池电极4及氧气扩散层5由里向外依次设置在金属双极板1的 氢气侧，环形垫片2粘贴在金属双极板1空气侧的端头。
环形垫片2与金属双极板1空气侧的端头宽度相等，氢气扩散层3的宽度小于 金属双极板1的宽度2-8mm，氢气扩散层3的长度与氢气流场的长度相同；氢气 扩散层3位于金属双极板1的氢气侧表面居中，燃料电池电极4通过金属双极板1 氢气侧的两侧边缘上的硅胶粘结在金属双极板1的氢气侧，并将氢气扩散层3夹持 在金属双极板1与燃料电池电极4之间，燃料电池电极4的宽度与金属双极板1 的宽度相同，燃料电池电极4的长度与氢气扩散层3的长度相同；氧气扩散层5 放置在燃料电池电极4的表面，氧气扩散层5的宽度与燃料电池电极4相同，氧气 扩散层5的长度比氢气扩散层3小3-14mm，氧气扩散层5长度方向的两端通过粘 结并固化在金属双极板1氢气侧两个端头的硅胶抵接固定。
金属板单电池6的制作方法为：
先把环形垫片2粘接到金属双极板空气侧两头；
把氢气扩散层3放到金属双极板1的氢气侧表面居中，在金属双极板1的氢气 侧的两侧边缘打上硅胶后把燃料电池电极4放在氢气扩散层3的表面覆盖，燃料电 池电极4的宽度与金属双极板1的宽度相同，燃料电池电极4的长度与氢气扩散层 3的长度相同；等硅胶固化后，把氧气扩散层5放在燃料电池电极4的表面，氧气 扩散层5的宽度与燃料电池电极4相同，氧气扩散层5的长度比氢气扩散层3小 3-14mm，在金属双极板1的氢气侧两个端头打上硅胶，并压覆后，硅胶固化后， 用刀裁掉突出的硅胶，形成金属板单电池6。
参考图3、图4，金属双极板1长度方向的两端为端头，两个端头以内的部分 为流场区域，金属双极板1空气侧形成空气流场，金属双极板1氢气侧形成氢气流 场。
金属双极板1空气侧开设构成空气流场的槽，空气侧槽的宽度在0.8-3mm，深 度1-4mm；脊背的宽度在0.8-3mm；金属双极板1氢气侧开设构成氢气流场的槽， 氢气侧槽的宽度为0.5-3mm，深度为0.3-1mm；脊背的宽度为1.5-5mm。金属双极 板1空气侧槽为横向槽，构成空气流场。金属双极板1氢气侧槽为竖向槽，可以为 直槽或波浪槽或蛇形槽，构成氢气流场。
本实施例中，金属双极板1材料可以是不锈钢、钛、钛合金、铝、铝合金等。
本实施例中，环形垫片2材料可以是金属、塑料、橡胶、硅胶等。
本实施例中，氢气扩散层3材料为碳布或碳纸，表面用碳粉与PTFE混合后涂 覆。
本实施例中，氧气扩散层5材料为碳布或碳纸，表面用碳粉与PTFE混合后涂 覆。
本实施例中，正极导电板8一面铜镀金，另一面为环氧树脂。
本实施例中，负极导电板13一面铜镀金，另一面为环氧树脂。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此 说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限 于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改 进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用金属为双极板的空冷燃料电池堆，其特征在于，包括金属板单电池(6)、进气端板(7)、正极导电板(8)、石墨空气板(9)、石墨板单电池(12)、负极导电板(13)及出气端板(14)，多个金属板单电池(6)层叠设置，在层叠后金属板单电池(6)的外侧设置有石墨空气板(9)与石墨板单电池(12)，在石墨空气板(9)与石墨板单电池(12)的外侧分别设置有正极导电板(8)与负极导电板(13)，在正极导电板(8)与负极导电板(13)的外侧分别设置有进气端板(7)与出气端板(14)。
2.根据权利要求1所述的一种采用金属为双极板的空冷燃料电池堆，其特征在于，所述金属板单电池(6)包括金属双极板(1)、环形垫片(2)、氢气扩散层(3)、燃料电池电极(4)及氧气扩散层(5)，所述金属双极板(1)一侧为空气侧，另一侧为氢气侧，所述氢气扩散层(3)、燃料电池电极(4)及氧气扩散层(5)由里向外依次设置在金属双极板(1)的氢气侧，所述环形垫片(2)粘贴在金属双极板(1)空气侧的端头。
3.根据权利要求1所述的一种采用金属为双极板的空冷燃料电池堆，其特征在于，所述金属双极板(1)长度方向的两端为端头，两个端头以内的部分为流场区域，所述金属双极板(1)空气侧形成空气流场，所述金属双极板(1)氢气侧形成氢气流场。
4.根据权利要求1所述的一种采用金属为双极板的空冷燃料电池堆，其特征在于，所述金属双极板(1)空气侧开设构成空气流场的槽，空气侧槽的宽度在0.8-3mm，深度1-4mm；脊背的宽度在0.8-3mm；
所述金属双极板(1)氢气侧开设构成氢气流场的槽，氢气侧槽的宽度为0.5-3mm，深度为0.3-1mm；脊背的宽度为1.5-5mm。
5.根据权利要求2所述的一种采用金属为双极板的空冷燃料电池堆，其特征在于，所述环形垫片(2)与金属双极板(1)空气侧的端头宽度相等或稍小，所述氢气扩散层(3)的宽度小于金属双极板(1)的宽度2-8mm，所述氢气扩散层(3)的长度与氢气流场的长度相同；所述氢气扩散层(3)位于金属双极板(1)的氢气侧表面居中，所述燃料电池电极(4)通过金属双极板(1)氢气侧的两侧边缘上的硅胶粘结在金属双极板(1)的氢气侧，并将氢气扩散层(3)夹持在金属双极板(1)与燃料电池电极(4)之间，所述燃料电池电极(4)的宽度与金属双极板(1)的宽度相同，所述燃料电池电极(4)的长度与氢气扩散层(3)的长度相同；所述氧气扩散层(5)放置在燃料电池电极(4)的表面，所述氧气扩散层(5)的宽度与燃料电池电极(4)相同，所述氧气扩散层(5)的长度比氢气扩散层(3)小3-14mm，所述氧气扩散层(5)长度方向的两端通过粘结并固化在金属双极板(1)氢气侧两个端头的硅胶抵接固定。
6.根据权利要求1所述的一种采用金属为双极板的空冷燃料电池堆，其特征在于，所述进气端板(7)与出气端板(14)之间通过丝杆(11)组装成空冷燃料电池堆。
7.根据权利要求1所述的一种采用金属为双极板的空冷燃料电池堆，其特征在于，所述氢气扩散层(3)材料为碳布或碳纸，表面用碳粉与PTFE混合后涂覆。
8.根据权利要求1所述的一种采用金属为双极板的空冷燃料电池堆，其特征在于，所述氧气扩散层(5)材料为碳布或碳纸，表面用碳粉与PTFE混合后涂覆。
9.根据权利要求1所述的一种采用金属为双极板的空冷燃料电池堆，其特征在于，所述正极导电板(8)一面铜镀金，另一面为环氧树脂。
10.根据权利要求1所述的一种采用金属为双极板的空冷燃料电池堆，其特征在于，所述负极导电板(13)一面铜镀金，另一面为环氧树脂。
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