CN114447359A - 集成反应气体流道的气体扩散层结构、双极板及燃料电池 - Google Patents

集成反应气体流道的气体扩散层结构、双极板及燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种集成反应气体流道的气体扩散层结构、双极板及燃料电池，气体扩散层结构包括导电板(11)和气体扩散层(12)，所述的气体扩散层(12)对应设置若干凹槽，所述的导电板(11)上对应设有若干凸槽，所述的导电板(11)覆盖于气体扩散层(12)上开设凹槽的面上且导电板(11)上的凸槽一一对应嵌入气体扩散层(12)的凹槽中，所述的凸槽和凹槽之间形成反应气体流道(13)。与现有技术相比，本发明接触电阻小，导热性好，有助于延长多孔层材料服役寿命，提高燃料电池的性能。

Description

集成反应气体流道的气体扩散层结构、双极板及燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种集成反应气体流道的气体扩散层结构、双极板及燃料电池。
背景技术
随着全球能源朝着低碳化方向发展，燃料电池技术越来越受到重视。如图1所示，燃料电池主要由双极板(BPP)、气体扩散层(GDL)、催化层(CL)、质子交换膜(PE膜)等组成，其中气体扩散层、催化层和质子交换膜构成膜电极组件(MEA)。现有构型中反应气体流道和冷却流道一般集成在双极板上，气体扩散层为等孔隙率的多孔材料。在组装压力作用下，双极板与气体扩散层实现界面接触。现有构型中双极板与气体扩散层之间的界面是其电阻损失和传热阻力的主要来源，而且双极板脊不均匀变形和应力集中直接影响到燃料电池的性能和寿命。
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集成反应气体流道的气体扩散层结构、双极板及燃料电池。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种集成反应气体流道的气体扩散层结构，包括导电板和气体扩散层，所述的气体扩散层对应设置若干凹槽，所述的导电板上对应设有若干凸槽，所述的导电板覆盖于气体扩散层上开设凹槽的面上且导电板上的凸槽一一对应嵌入气体扩散层的凹槽中，所述的凸槽和凹槽之间形成反应气体流道。
优选地，所述的气体扩散层采用梯度多孔材料，所述的梯度多孔材料的孔径和孔隙率从导电板一侧向边缘侧逐渐减小。
优选地，所述的导电板和气体扩散层接触面之间进行固定连接，所述的连接方式包括焊接或导电胶粘结。
优选地，所述的导电板上的凸槽的形状包括矩形、梯形、三角形、圆形、椭圆形中的任意一种。
一种双极板，所述的双极板包括两个所述的集成反应气体流道的气体扩散层结构，两个气体扩散层结构中的导电板相互扣合并固定连接，两个导电板之间形成冷却流道。
优选地，所述的两个气体扩散层结构中的导电板上的凸槽对其布置。
优选地，所述的两个气体扩散层结构中的导电板上的凸槽错位布置。
一种双极板，所述的双极板包括一个所述的集成反应气体流道的气体扩散层结构以及一个导电平板，所述的导电平板扣合固定在所述的气体扩散层结构上的导电板上，所述的导电板上的凸槽与所述的导电平板之间形成冷却流道。
一种燃料电池，包括所述的双极板，还包括膜电极，所述的双极板和膜电极交替堆叠形成燃料电池堆。
一种燃料电池，包括燃料电池单体，所述的燃料电池单体堆叠后形成燃料电池堆，所述的燃料电池单体包括两个所述的集成反应气体流道的气体扩散层结构以及一个膜电极，所述的膜电极夹设在两个气体扩散层结构的气体扩散层之间。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)接触电阻小，导热性好：首先采用含有凸槽的导电板与含有凹槽的气体扩散层通过焊接或者导电胶粘的方式连接，保证了界面接触良好，消除了由于导电板面内高度差对界面接触的不利影响，降低了对导电板平整度的要求。
(2)多孔层变形均匀：与现有燃料电池结构相比，导电板凸槽外侧为反应气体流道，不直接压缩多孔材料，消除了现有燃料电池结构中脊下不均匀压缩变形和应力集中，有助于延长多孔层材料服役寿命。
(3)气体扩散性好：多孔层为可设计的梯度多孔材料，且没有脊下不均匀压缩变形对材料孔隙率和孔分布造成不可预知的破坏，因此可以设计出符合要求的多孔层，提高燃料电池的性能。
附图说明
图1为现有燃料电池结构示意图；
图2为本发明一种集成反应气体流道的气体扩散层结构的一种实施示意图；
图3为本发明导电板上的凸槽的形状示意图；
图4为本发明一种双极板的实施示意图一；
图5为本发明一种双极板的实施示意图二；
图6为本发明一种双极板的实施示意图三；
图7为本发明一种燃料电池的实施示意图一；
图8为本发明一种燃料电池的实施示意图二。
图中，1为集成反应气体流道的气体扩散层结构，2为双极板，3为冷却流道，4为导电平板，5为膜电极，11为导电板，12为气体扩散层，13为反应气体流道。
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。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
如图2所示，本实施例提供一种集成反应气体流道的气体扩散层结构，包括导电板11和气体扩散层12，气体扩散层12对应设置若干凹槽，导电板11上对应设有若干凸槽，导电板11覆盖于气体扩散层12上开设凹槽的面上且导电板11上的凸槽一一对应嵌入气体扩散层12的凹槽中，凸槽和凹槽之间形成反应气体流道13。导电板11和气体扩散层12接触面之间进行固定连接，连接方式包括焊接或导电胶粘结。
作为一种优选的实施方式，本实施例中气体扩散层12采用梯度多孔材料，梯度多孔材料的孔径和孔隙率从导电板11一侧向边缘侧逐渐减小。
首先采用含有凸槽的导电板11与含有凹槽的气体扩散层12通过焊接或者导电胶粘的方式连接，保证了界面接触良好，消除了由于导电板11面内高度差对界面接触的不利影响，降低了对导电板11平整度的要求。与现有燃料电池结构相比，导电板11凸槽外侧为反应气体流道13，不直接压缩多孔材料，消除了现有燃料电池结构中脊下不均匀压缩变形和应力集中，有助于延长多孔层材料服役寿命。多孔层为可设计的梯度多孔材料，且没有脊下不均匀压缩变形对材料孔隙率和孔分布造成不可预知的破坏，因此可以设计出符合要求的多孔层，提高燃料电池的性能。
此外，导电板11上的凸槽的形状包括矩形、梯形、三角形、圆形、椭圆形等任意一种，分别如图3中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示。
该实施例还提供一种双极板2，双极板2包括两个上述的集成反应气体流道的气体扩散层结构1，两个气体扩散层12结构中的导电板11相互扣合并固定连接，两个导电板11之间形成冷却流道3。
如图4所示，作为第一种优选的具体实施方式：两个气体扩散层12结构中的导电板11上的凸槽对其布置，两个导电板11的凸槽相互连通形成冷却流道3。
如图5所示，作为第二种优选的具体实施方式：两个气体扩散层12结构中的导电板11上的凸槽错位布置，此种布置形式相比于上述第一种优选的具体实施方式，在相同数量的凸槽下，第二种优选的具体实施方式构成的双极板2的冷却流道3的高度为第一种优选的具体实施方式构成的双极板2的冷却流道3的高度的一半，但第二种优选的具体实施方式构成的双极板2的冷却流道3的数量为第一种优选的具体实施方式的两倍。
上述形成双极板2过程中通过焊接或者导电胶粘的方式连接两个气体扩散层12结构。
此外，在构成燃料电池电堆时，燃料电池电堆首位两个双极板2只发生阳极侧反应或阴极侧反应，因此，下述提供一种双极板2，如图6所示，该双极板2包括一个集成反应气体流道的气体扩散层结构1以及一个导电平板4，导电平板4扣合固定在气体扩散层12结构上的导电板11上，导电板11上的凸槽与导电平板4之间形成冷却流道3。
如图7所示，一种燃料电池，包括上述双极板2，还包括膜电极5，双极板2和膜电极5交替堆叠形成燃料电池堆，膜电极5采用催化层和质子膜组成的膜电极5。其中燃料电池堆首末两端的双极板2采用图6所示的双极板2，其余双极板2采用图4或图5中的任意一种双极板2。
如图8所示，一种燃料电池的另外一种装配形式，该燃料电池包括燃料电池单体，燃料电池单体堆叠后形成燃料电池堆，燃料电池单体包括两个集成反应气体流道的气体扩散层结构1以及一个膜电极5，膜电极5夹设在两个气体扩散层12结构的气体扩散层12之间，膜电极5采用催化层和质子膜组成的膜电极5。
以下说明本发明燃料电池中各部件的功能：
导电板11：实现燃料电池电路导通；构筑反应气体流道13和冷却流道3；分割阴极和阳极反应气体；
气体扩散层12：用于将反应气体传递至催化层，并将反应生成的水和热带出；
反应气体流道13：用于将外部的反应气体均匀传递至燃料电池内部；
冷却流道3：通入冷却液将燃料电池内部生成的热量导出燃料电池外部；
导电平板4：与导电板11通过焊接或导电粘接，实现导电功能和构筑冷却流道3；
膜电极5：由催化层和质子膜组成的气体反应场所。
本发明首先将导电板11与气体扩散层12组合，组成集成反应气体流道的气体扩散层结构1；然后由这种结构组成双极板2；最后由集成反应气体流道的气体扩散层结构1或双极板2与膜电极5构成的燃料电池。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (10)

1.一种集成反应气体流道的气体扩散层结构，其特征在于，包括导电板(11)和气体扩散层(12)，所述的气体扩散层(12)对应设置若干凹槽，所述的导电板(11)上对应设有若干凸槽，所述的导电板(11)覆盖于气体扩散层(12)上开设凹槽的面上且导电板(11)上的凸槽一一对应嵌入气体扩散层(12)的凹槽中，所述的凸槽和凹槽之间形成反应气体流道(13)。
2.根据权利要求1所述的一种集成反应气体流道的气体扩散层结构，其特征在于，所述的气体扩散层(12)采用梯度多孔材料，所述的梯度多孔材料的孔径和孔隙率从导电板(11)一侧向边缘侧逐渐减小。
3.根据权利要求1所述的一种集成反应气体流道的气体扩散层结构，其特征在于，所述的导电板(11)和气体扩散层(12)接触面之间进行固定连接，所述的连接方式包括焊接或导电胶粘结。
4.根据权利要求1所述的一种集成反应气体流道的气体扩散层结构，其特征在于，所述的导电板(11)上的凸槽的形状包括矩形、梯形、三角形、圆形、椭圆形中的任意一种。
5.一种双极板，其特征在于，所述的双极板(2)包括两个如权利要求1～4任意一项所述的集成反应气体流道的气体扩散层结构(1)，两个气体扩散层(12)结构中的导电板(11)相互扣合并固定连接，两个导电板(11)之间形成冷却流道(3)。
6.根据权利要求5所述的一种双极板，其特征在于，所述的两个气体扩散层(12)结构中的导电板(11)上的凸槽对其布置。
7.根据权利要求5所述的一种双极板，其特征在于，所述的两个气体扩散层(12)结构中的导电板(11)上的凸槽错位布置。
8.一种双极板，其特征在于，所述的双极板(2)包括一个如权利要求1～4任意一项所述的集成反应气体流道的气体扩散层结构(1)以及一个导电平板(4)，所述的导电平板(4)扣合固定在所述的气体扩散层(12)结构上的导电板(11)上，所述的导电板(11)上的凸槽与所述的导电平板(4)之间形成冷却流道(3)。
9.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求5～7任意一项所述的双极板(2)，还包括膜电极(5)，所述的双极板(2)和膜电极(5)交替堆叠形成燃料电池堆。
10.一种燃料电池，其特征在于，包括燃料电池单体，所述的燃料电池单体堆叠后形成燃料电池堆，所述的燃料电池单体包括两个如权利要求1～4任意一项所述的集成反应气体流道的气体扩散层结构(1)以及一个膜电极(5)，所述的膜电极(5)夹设在两个气体扩散层(12)结构的气体扩散层(12)之间。
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