CN110571448A - 双极板、燃料电池单电池及燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种双极板、燃料电池单电池及燃料电池堆。所述双极板为燃料电池双极板，所述燃料电池包括膜电极组件和所述双极板，其特征在于，所述双极板包括：第一金属板；第二金属板；布置在第一和第二金属板之间的冷却剂流场材料层；冷却剂密封层，其布置为包围流场材料层，以使所述冷却剂流场材料层气密地保持在第一第二金属板之间；和一对冷却剂歧管，其配置为穿过所述第一、第二金属板和冷却剂密封层设置的通道，以允许冷却剂在其中相向流动，其中一个冷却剂歧管配置为允许将至少部分冷却剂从冷却剂入口引入所述冷却剂流场材料层中，另一个冷却剂歧管配置为允许将所述至少部分冷却剂从冷却剂出口排出所述冷却剂流场材料层。

Description

双极板、燃料电池单电池及燃料电池堆

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种具有新的结构的双极板、燃料电池单电池及燃料电池堆。

背景技术

燃料电池又称质子交换膜燃料电池，是一种将化学能直接转化为电能的装置。通常，燃料电池堆包括膜电极组件，双极板以及密封层(或垫片)等组件。在燃料电池堆中，双极板和密封层的成本往往占到整个燃料电池堆成本的30％以上。通常，高功率密度的燃料电池堆采用金属材料例如SS316L、SS304、钛及其合金等作为双极板，因其较低的成本和厚度较高的强度以及易于被批量制造等优点。由于燃料电池的运行环境较为恶劣，通常金属板表面会被增加一层防腐涂层以降低被腐蚀的风险。然而，金属双极板的制造往往需要经过冲压工艺以形成阴阳极气体的流道，同时还需要带走电池产生的热量。

例如在中国专利申请201010288870.5中，公开了一种冲压成型的金属双极板，在冲压过程中，应力残留可能导致双极板成型尺寸误差，局部强度降低，在后涂覆的涂层容易出现缺陷。此外，所需的冲压模具由于其专用性使得造价高昂并且寿命有限，当双极板变更设计之后，需重新开模。

在中国专利申请201210509907.1中，公开了一种车用燃料电池的大面积金属双极板，其中，公开了一种由两块相同的单极板而成的双极板。其中，对每块金属板进行冲压成形(或软模成形、液压成形)以形成引流槽，随后对两块经冲压成形的金属板通过胶粘、电阻点焊或激光焊接连接。尽管如此，这两块单极板仍需一副模具来制备。

因此，本发明旨在开发一种无需使用冲压工艺的改进结构的金属双极板的燃料电池。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种改进结构的双极板、燃料电池单电池及燃料电池堆。

为达到上述目的，本发明巧妙的使用数块金属板还实现所述目的，使用平整的金属板在避免对金属板冲压成形，同时还免去了焊接等连接过程。

本发明的技术方案以如下方式实现：

本发明的第一方面提供了一种燃料电池用双极板，所述燃料电池包括膜电极组件和所述双极板，其特征在于，所述双极板包括：

第一金属板；

第二金属板；

冷却剂流场材料层，所述冷却剂流场材料层布置在所述第一金属板和第二金属板之间；

冷却剂密封层，所述冷却剂密封层布置为包围所述流场材料层，以使所述冷却剂流场材料层气密地保持在所述第一金属板和所述第二金属板之间；和

一对冷却剂歧管，该对冷却剂歧管配置为穿过所述第一金属板、第二金属板和冷却剂密封层设置的通道，以允许冷却剂在其中相向流动，其中一个冷却剂歧管配置为允许将至少部分冷却剂从冷却剂入口引入所述冷却剂流场材料层中，另一个冷却剂歧管配置为允许将所述至少部分冷却剂从冷却剂出口排出所述冷却剂流场材料层。

进一步地，所述双极板包括：

一对阳极气体歧管，该对阳极气体歧管配置为穿过所述第一金属板、第二金属板和密封层设置的通道以允许阳极气体在其中相向流动；

一对阴极气体歧管，该对阴极气体歧管配置为穿过所述第一金属板、第二金属板和密封层设置的通道以允许阴极气体在其中相向流动。

根据一个实施方式，所述阴极气体歧管配置为允许排出膜电极组件的阴极侧生成的水。

根据一个实施方式，所述冷却剂入口和所述冷却剂出口分别布置在所述冷却剂流场材料层的相对两侧。

根据一个实施方式，所述冷却剂流场材料层具有0.3mm～0.8mm的厚度，优选具有0.5mm的厚度。

根据一个实施方式，所述冷却剂流场材料层为孔隙率为50～90％的多孔材料。

根据一个实施方式，所述冷却剂流场材料为金属泡沫、金属网或碳复合材料，优选地，所述金属泡沫为选自钛、镍和钛-镍合金的金属泡沫；优选地，所述金属网为选自钛、镍和钛-镍合金的金属网；优选地，所述碳复合材料为含石墨或者炭黑的高分子材料或者碳纤维材料。

根据一个实施方式，所述冷却剂流场材料具有防腐蚀涂层。

根据一个实施方式，所述第一和第二金属板分别具有0.05mm～0.15mm的厚度；所述第一和第二金属板为SS304、SS316、钛、钛合金等。优选地，所述第一和第二金属板为不锈钢的板材。

根据一个实施方式，所述冷却剂密封层由选自三元乙丙橡胶、硅橡胶、氟橡胶和丁基橡胶的材料形成。

本发明的第二方面提供了一种燃料电池单电池，所述燃料电池单电池包括：膜电极组件和布置在所述膜电极组件两侧的双极板，所述膜电极组件包括在两侧分别具有阴极催化层和阳极催化层的质子交换膜、布置在阴极催化层一侧的阴极流场材料层和布置在阳极催化层一侧的阳极流场材料层，其特征在于，所述双极板为根据本发明的第一方面所述的双极板。

进一步地，所述质子交换膜外周还布置有第三金属板，所述第三金属板具有分别允许冷却剂、阳极气体和阴极气体流动的三对通孔，并构成用于冷却剂、阳极气体和阴极气体的歧管的一部分。

根据一个实施方式，所述阴极流场材料层和所述阳极流场材料层的外周分别布置有阳极密封层和阴极密封层以使所述阴极流场材料层和所述阳极流场材料层分别气密地保持在所述双极板和质子交换膜之间。

根据一个实施方式，所述阳极密封层具有允许阳极气体在其中相向流动的两对通孔，以及允许将至少部分阳极气体引入所述阳极流场材料层中的阳极气体入口，和允许将未反应的阳极气体从所述阳极流场材料层排出的阳极气体出口；且

所述阴极密封层具有允许阴极气体在其中相向流动的两对通孔，以及允许将至少部分阴极气体引入所述阴极流场材料层中的阴极气体入口，和允许将未反应的阴极气体以及生成的水从所述阴极流场材料层排出的阴极气体出口。

根据一个实施方式，所述阳极流场材料层和阴极流场材料层为孔隙率为50～90％的多孔材料。

根据一个实施方式，所述多孔材料为金属泡沫、金属网或碳复合材料，优选地，所述金属泡沫为选自钛、镍和钛-镍合金的金属泡沫；优选地，所述金属网为选自钛、镍和钛-镍合金的金属网；优选地，所述碳复合材料为含石墨或者炭黑的高分子材料或者碳纤维材料。

根据一个实施方式，所述多孔材料具有防腐蚀涂层。

根据一个实施方式，所述阴极密封层和阳极密封层分别由选自三元乙丙橡胶、硅橡胶、氟橡胶和丁基橡胶的材料形成。

本发明的第三方面提供了一种燃料电池堆，所述燃料电池堆包括根据本发明第二方面的燃料电池单电池。

相比于现有的燃料电池，本发明的燃料电池的优点在于：

1、避免了对金属板进行开模冲压，再进行焊接等工艺流体流道，使用了数片金属板、密封层和流场材料来形成双极板，因此制造与安装简单。

2、利用双极板中密封层中设置的流场材料具有比传统管式流场更好的冷却效果，其均匀的流场分布有助于维持燃料电池温度的均匀性。

附图说明

图1为现有技术中双极板的构造示意图。

图2为本发明的燃料电池单电池部件的分解示意图；和

图3为双极板400a的分解示意图。

具体实施方式

燃料电池通常包括如下部件：膜电极组件(Membrane Electrolyte Assembly，MEA)和双极板等，其中，膜电极组件包含质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)、阴极催化层和阳极催化层、阴极扩散层和阳极气体扩散层等。燃料电池单电池由于其产生的电压过小，对于大电压的应用，例如动力电池，需要对燃料电池单电池进行堆叠以形成燃料电池堆。由此，这种燃料电池堆包括多个重复单元，即燃料电池单电池。

现有的双极板，如图1所示，通常包括阳极气体的流道(即，图1中燃料流道a)、阴极气体的流道(即，图1中氧化剂流道b)以及冷却剂的流道(即，图1中冷却液流道c)。这种双极板结构解决了同时供应阴极和阳极气体的同时，还能进行冷却。

以下将简要描述现有的这种燃料电池的工作原理：

阳极气体(通常为氢气)通过双极板中的阳极气体通道扩散至阳极气体扩散层中，随后以面状的形式与阳极气体催化层接触以进行反应。阳极气体催化层可将阳极气体催化为质子和电子，其中质子可以穿过质子交换膜PEM。

类似地，阴极气体(通常为空气)通过双极板中的阴极气体通道扩散至阴极气体扩散层中，随后以面状的形式与阴极气体催化层接触并进行反应。

由上述产生的质子经过与阴极气体(例如氧气或空气中的氧气)反应生成水并产生电子。

现有的双极板结构通常需要对两个金属板分别进行冲压(或液压)以分别形成阳极气体通道和阴极气体通道。在冲压之后，对这两个经冲压的金属板焊接(或粘接等方式)成中间为空腔、两侧分别为阳极气体通道和阴极气体通道的双极板，如前所述的冷却剂体(通常为水或水与乙二醇的混合物)在该空腔中流动。

如前所述，在冲压过程中，应力残留可能导致双极板成型尺寸误差，局部强度降低，在后的涂层容易出现缺陷。此外所需的模具由于其专用性使得造价高昂并且寿命有限，当双极板变更设计之后，还需重新开模，造成产品升级成本增加。

本发明人为了克服这种制造上的复杂的工序，并从消除应力残留和涂层缺陷方面的影响，并从节省成本的角度，开发了一种不需要进行冲压工艺也不需要对双极板进行焊接的燃料电池。

本发明人巧妙使用两块金属板，并使用夹在两块金属板中间的具有孔隙率的金属泡沫层来承担液体冷却换热的功能，同时将提供阴极气体和阳极气体流道的功能转嫁至与本发明双极板相邻的密封层中的流场材料中。

本发明将结合附图所示的一种具体实施方式进行详细说明，但该说明并非对本发明的保护范围是限制性的，任何符合本发明精神的变型和改变均落入本发明的保护范围内。

本发明一种实施方式的燃料电池单电池的结构分解图，如图2所示，本发明的燃料电池按阴极至阳极的顺序(即，图2中从左至右)依次包括：阴极双极板400a、阴极密封层301、阴极流场材料200a、嵌入有质子交换膜的金属框1001、阳极密封层302、阳极流场材料200b和阳极双极板400b。

双极板是提供阴极气体、阳极气体和冷却剂的载体，它还可用作燃料电池的支撑，以及作为集电体。本发明的阴极双极板400a和阳极双极板400b结构可以相同，它们在燃料电池单电池中所起的作用分别是阴极双极板和阳极双极板。

如图3所示，其中以双极板400a为例，示出了本发明双极板的分解结构。本发明采用的双极板由两块金属板405a、405b和位于两块金属板405a、405b之间的密封层401制成，其中，如图3所示，密封层401的中间部分是中空的(即中空部分401x)，用以容纳冷却剂流场材料403，当按第一金属板405a、嵌入有冷却剂流场材料403的冷却剂密封层401、第二金属板405b的顺序，即为图3所示的从左至右的顺序组装双极板400a时，密封层401布置为包围流场材料403，以使流场材料层403气密地保持在按第一金属板405a和按第二金属板405b之间，且双极板400a可拆卸地成为一体。

在双极板400a的内部含有供冷却剂(通常，电池的冷却剂为水、乙二醇或水和乙二醇的混合物)流动的通道。为加快冷却效率，在密封层401的中空部分401x中，可以嵌入冷却剂流场材料403。

其中，冷却剂密封层401用于将按第一金属板405a、嵌入有冷却剂流场材料403的冷却剂密封层401、第二金属板405b密封地连接成一体，其材料可选自高分子弹性体，例如三元乙丙橡胶(EPDM)、硅橡胶、氟橡胶、丁基橡胶，优选热熔性高分子弹性体，例如EPDM，TPR等，这些材料可以在装配后通过加热使其熔融粘接为一个整体，降低了流体泄漏的风险。

冷却剂流场材料层403具有0.3mm～0.8mm的厚度，并且冷却剂流场材料403由具有一定孔隙率的材料制成，例如泡沫金属，具体地，冷却剂流场材料403具有导电性和较高的孔隙率(例如50～90％)，其可以是金属材料例如，泡沫钛、泡沫镍及它们的合金或者钛和镍及它们的合金的金属网。冷却剂流场材料403可以在上述材料的基础上涂布有防腐蚀涂层，以增强其抗腐蚀性。上述材料的冷却剂流场材料403也可以是碳复合材料加工而成，例如添加了石墨或者炭黑的高分子材料或者碳纤维材料。由于没有传统管式流道的束缚，冷却剂通过冷却剂流场材料403时，可以更加均匀的分配，同时降低了接触电阻，加快了冷却水从电池中带走热量的速率，从而提高了燃料电池堆的性能。

回到图2，阴极密封层301和阳极密封层302的中间部分是中空的，即为分别为中空部分301x和302x，以分别用于容纳阴极流场材料200a和阳极流场材料200b，即，当组装时，阴极密封层301和阳极密封层302布置为分别包围阴极流场材料200a和阳极流场材料200b，以使阴极流场材料200a和阳极流场材料200b分别气密地保持在所述阴极双极板400a与嵌入有质子交换膜的金属框1001之间和所述阳极双极板400b与嵌入有质子交换膜的金属框1001之间。

通常，如此所述，需要对本发明的燃料电池单电池进行堆叠形成燃料电池堆，堆叠的重复单元为上述本发明的燃料电池不包括双极板400b的部分。即双极板400b作为堆叠燃料电池堆重复单元的下一起始部件。

如图2所示，双极板400a、阴极密封层301、嵌入有质子交换膜的金属框1001、阳极密封层302、双极板400b均开有6个通孔。可以理解，这些通孔在电池的轴向方向(即，垂直于双极板的方向)的投影是重合的，因此当沿轴向方向组装双极板400a、阴极密封层301、嵌入有质子交换膜的金属框1001、阳极密封层302、双极板400b时，形成了6个歧管，其中，分别供冷却剂、阳极气体和阴极气体流动。在图2的示例中，示出了冷却剂歧管、阳极气体歧管和阴极气体歧管的一种组合布置方式。本领域技术人员应理解，歧管的布置可以有多种不同的变形布置，只要每对歧管能使相应的介质在其中密闭地流动即可。

如图2所示，阴极气体(例如含有氧气的空气)进入通孔101a流经至通孔101b时，通孔101b设计成与阴极密封层301中空的部分301x相连的阴极气体入口。由此，一部分空气进入嵌入到中空部分301x的阴极流场材料200a中，进而经扩散以面状形式与阴极催化层接触；另一部分空气则继续穿过通孔101c、101d和101e，并随后进入下一燃料电池单电池重复该过程，以此类推。

经阴极反应后的空气(可能含有未反应的氧气)以及燃料电池反应生成的水经通孔104b(即，阴极气体出口)排出阴极流场材料层，并与经过通孔104e、104d、104c的来自相邻燃料电池单电池的反应后的阴极气体或水合并，经通孔104a继续排出燃料电池，此外。

类似地，阳极气体(例如氢气)流经通孔103a、103b时，通孔103b设计成与密封层301中空的部分301x不相连，此时，氢气无法进入中空部分301x中，而是继续通过通孔103c，而后一部分氢气通过通孔103d(即阳极气体入口)进入嵌入到阳极密封层302的中空部分302x的阳极流场材料200b中，进而经扩散以面状形式与阳极催化层接触、反应以生成氢离子，即质子。另一部分氢气继续通过通孔103e进入下个燃料电池单电池。

未完全反应的氢气经阳极气体出口106d排出，并与来自相邻燃料电池单电池的、通过通孔106e的未反应氢气合并，进一步流经通孔106c、106b和106a排出该燃料电池。

同理，冷却剂(例如水和乙二醇的混合物)依次进入通孔102a、102b、102c、102d和102e共同形成的冷却剂歧管。其中一部分冷却剂在流经通孔102ab时进入密封层401中的冷却剂流场材料403(如图3所示)。其中冷却剂从冷却剂入口102ab进入到冷却剂流场材料层403中，然后经过冷却剂流场材料层403排出至通孔105ab，与流经通孔105e、105d、105c和105b的来自相邻燃料电池单电池的换热后的冷却剂合并，经105a排出该燃料电池。而另一部分冷却剂则继续通过通孔102b、102c、102d和102e进入相邻的燃料电池单电池中，以冷却下一个燃料电池。

需要说明的是，以上以阴极双极板400a为例示出的所述6个通孔101a、102a、103a、104a、105a、106a的组合，以及图2所示的燃料电池单电池所示的三对歧管的布置和流经这些歧管的流体的方向可根据电池的设计而变化。

用于本发明的冷却剂密封层401、阴极密封层301和阳极密封层302是具有一定厚度的层，厚度例如为0.5mm～1.mm。

用于本发明的冷却剂密封层401、阴极密封层301和阳极密封层302的材料可以相同也可以不同，均可选自高分子弹性体，例如三元乙丙橡胶(EPDM)、硅橡胶、氟橡胶、丁基橡胶，优选热熔性高分子弹性体，例如EPDM，TPR等。这些材料可以在装配后通过加热使其熔融将双极板和膜电极组件粘接为一个整体，降低了流体泄漏的风险。

阴极流场材料200a和阳极流场材料200b与冷却剂流场材料403分别可以由相同的或不同的导电性多孔材料构成。孔隙率优选为50～90％。所述材料可以是金属材料例如，泡沫钛，泡沫镍及它们的合金或者钛和镍及它们的合金的金属网。阴极流场材料200a和阳极流场材料200b可以在上述材料的基础上涂布有防腐蚀涂层，以增强其抗腐蚀性。所述阴极流场材料200a和阳极流场材料200b也可以是碳复合材料加工而成，例如添加了石墨或者炭黑的高分子材料或者碳纤维材料。

所述阴极流场材料层和阳极流场材料层的厚度可为0.3mm～0.8mm微米。

根据优选的实施方式，用于本发明的阴极流场材料层和阳极流场材料层还可包括布置在多孔材料层上的致密的微孔层。在组装成膜电极组件时，致密的微孔层与质子交换膜邻接。

通过使用如上所述的孔隙率的材料可以使其和膜电极组件为点接触，而不是传统流道的线接触，显而易见的是，水存在图中脊下的区域被缩水，更加容易排出，同时气体可以更方便地进入催化反应区域，因此在后的催化效率更高。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池用双极板，所述燃料电池包括膜电极组件和所述双极板，其特征在于，所述双极板包括：

第一金属板；

第二金属板；

冷却剂流场材料层，所述冷却剂流场材料层布置在所述第一金属板和第二金属板之间；

冷却剂密封层，所述冷却剂密封层布置为包围所述流场材料层，以使所述冷却剂流场材料层气密地保持在所述第一金属板和所述第二金属板之间；和

一对冷却剂歧管，该对冷却剂歧管配置为穿过所述第一金属板、第二金属板和冷却剂密封层设置的通道，以允许冷却剂在其中相向流动，其中一个冷却剂歧管配置为允许将至少部分冷却剂从冷却剂入口引入所述冷却剂流场材料层中，另一个冷却剂歧管配置为允许将所述至少部分冷却剂从冷却剂出口排出所述冷却剂流场材料层。

2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述双极板进一步包括：

一对阳极气体歧管，该对阳极气体歧管配置为穿过所述第一金属板、第二金属板和密封层设置的通道以允许阳极气体在其中相向流动；

一对阴极气体歧管，该对阴极气体歧管配置为穿过所述第一金属板、第二金属板和密封层设置的通道以允许阴极气体在其中相向流动。

3.根据权利要求2所述的双极板，其特征在于，所述阴极气体歧管配置为允许排出膜电极组件的阴极侧生成的水。

4.根据权利要求1～3所述的双极板，其特征在于，所述冷却剂入口和所述冷却剂出口分别布置在所述冷却剂流场材料层的相对两侧。

5.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述冷却剂密封层由选自三元乙丙橡胶、硅橡胶、氟橡胶和丁基橡胶的材料形成。

6.一种燃料电池单电池，所述燃料电池单电池包括：膜电极组件和布置在所述膜电极组件两侧的双极板，所述膜电极组件包括在两侧分别具有阴极催化层和阳极催化层的质子交换膜、布置在阴极催化层一侧的阴极流场材料层和布置在阳极催化层一侧的阳极流场材料层，其特征在于，所述双极板为根据权利要求1～5中任一项所述的双极板。

7.根据权利要求6所述的燃料电池单电池，其特征在于，所述质子交换膜外周还布置有第三金属板，所述第三金属板具有分别允许冷却剂、阳极气体和阴极气体流动的三对通孔，并构成用于冷却剂、阳极气体和阴极气体的歧管的一部分。

8.根据权利要求6或7所述的燃料电池单电池，其特征在于，

所述阴极流场材料层和所述阳极流场材料层的外周分别布置有阳极密封层和阴极密封层以使所述阴极流场材料层和所述阳极流场材料层分别气密地保持在所述双极板和质子交换膜之间。

9.根据权利要求8所述的燃料电池单电池，其特征在于，所述阳极密封层具有允许阳极气体在其中相向流动的两对通孔，以及允许将至少部分阳极气体引入所述阳极流场材料层中的阳极气体入口，和允许将未反应的阳极气体从所述阳极流场材料层排出的阳极气体出口；且

所述阴极密封层具有允许阴极气体在其中相向流动的两对通孔，以及允许将至少部分阴极气体引入所述阴极流场材料层中的阴极气体入口，和允许将未反应的阴极气体以及生成的水从所述阴极流场材料层排出的阴极气体出口。

10.一种燃料电池堆，所述燃料电池堆包括如权利要求6～9中任一项所述的燃料电池单电池。