CN1862859A - 燃料电池双极板流道 - Google Patents

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Abstract

燃料电池用极板的流道,在膜电极的两侧,各有一块双极板,用于电流收集、气体分布以及热管理。在双极板上,都刻有气体反应流道,并设有气体输入和排出通道,燃料电池外部反应气体通过气体输入通道,均匀分流到每个单电池的双极板,经过气体流道后通过气体输出通道排放到燃料电池外部;在双极板上,都刻有散热流道,用于电池散热介质的传输。双极板的外侧均设有气体散热板,用于电池散热介质的传输的散热板;反应板反应流道的背面,在气体输入通道的下方,加工一个凹槽,在凹槽的下端加工一个小孔,此小孔和反应板的反应流道相连。

Description

燃料电池双极板流道
                              技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池及其双极板的流道以及气体通道。
                              背景技术
燃料电池技术是将氢气和氧气在发生电化学反应时所产生的电能、热能和水予以利用的一种清洁的、可再生的能源技术。燃料电池根据电介质不同,可以分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池等。而质子交换膜燃料电池由于其功率密度大、工作温度低、电池结构简单、对压力变化不敏感等特点,已经在全球范围内得到了普遍的关注,其产品也逐渐进入市场。
质子交换膜燃料电池的电解质为质子交换膜,目前广泛使用的是杜邦公司生产的Nafion系列全氟磺酸膜。膜的作用是双重的,作为电解质提供氢离子通道,作为隔膜隔离两极反应气体。优化膜的离子和水传输性能及适当的水管理,是保证电池性能的关键。在隔膜的两侧,各有一层催化剂层。催化剂主要是由Pt/C组成,在催化层中再加入Nafion溶液,以增加质子传导性能以及催化层与电解质的接触性能。催化层是燃料电池气体区域。在催化层的两侧,各有一层气体扩散层,主要作用是作为催化层的支撑体、电池内部的导电、气体在电极表面的分布、反应产物的排出等。目前,扩散层的材料主要是碳纸、碳布或者金属网。扩散层的孔隙率、疏水特性、厚度以及组分对燃料电池性能有很大的影响。扩散层的这几个变量都是互相关联地影响燃料电池的性能。孔隙率大有利于气体的扩散,可是过大则气体分布不均、容易发生堵水现象。一般来说疏水性高较好,可是过高就会使孔分布不均、加工成本过高。电解质膜、催化层和气体扩散层共同组成膜电极(MEA)。
在膜电极的两侧,各有一块双极板,其作用是电流收集和传送、气体分布以及热管理。目前主要用石墨为材料,但是其价格高、密度大,而且由于石墨的脆性,不能做得很薄,增加了电堆的重量和体积。所以各研究者也在寻求石墨的替代品,比如导电塑料、不锈钢等。在双极板上,都刻有气体流道,目的是使反应气体能够均匀分布于整个电极表面。气体流道的形状很多,比较常见的是蛇行流道(见美国专利号6099984)。在双极板上还必须有气体输入通道,燃料电池外部反应气体通过气体输入通道,均匀分流到每个单电池的双极板;电池反应结束后,剩余的尾气要从各自的单电池进入气体排出通道,再排到燃料电池外部而排放或者进行循环利用,再次通过气体输入通道进入双极板的流道而参与反应。
燃料电池反应氢气和氧气/空气在气体输入/输出通道中、以及在双极板上的反应区中都不能向电池/电堆外泄漏,所以在双极板上有各种形状的密封件,比如由硅橡胶或特富龙橡胶为材料的密封圈、密封垫,或者是各种耐腐蚀的密封胶。因此为了保证严格的密封条件,在气体输入/输出通道和双极板的流道进/出口连接处,必须有硬质材料作为软性密封材料的支撑体或过桥。这种硬质材料厚度为0.05-0.3mm,长度为2mm以上,宽度为0.5-5mm,一般为金属如镍、不锈钢等,其加工精度要求高(±0.02mm),电池装配工艺复杂,增加了燃料电池的生产成本。而且在燃料电池运行环境中,金属支撑体或过桥容易腐蚀,造成膜电极的污染,而且在此处容易出现漏气现象。本发明就是在设计上解决这个问题,可以去除全部的过桥,并能保证气体的密封。
                                发明内容
本发明的目的是:提出一种质子交换膜燃料电池双极板流道及气体通道的加工工艺方法,去除以往在气体输入/输出通道与气体流道进/出口连接处所需要的金属过桥,增加气体密封的可靠性,减少膜电极被二次污染的机会,简化生产工艺,降低燃料电池成本。并能够保证在此连接处的气体压降达到所需要的值,也能够保证反应产物能够顺利通过此处进入气体通道而排到燃料电池外部。
本发明具体内容如下:
燃料电池用极板的流道,在膜电极的两侧,各有一块双极板,用于电流收集、气体分布以及热管理。在双极板上,都刻有气体反应流道,并设有气体输入和输出通道,燃料电池外部反应气体通过气体输入通道,均匀分流到每个单电池的双极板,经过气体流道后通过气体输出通道排放到燃料电池外部;在双极板上,都刻有散热流道,用于电池散热介质的传输。双极板的外侧均设有散热板,用于电池散热介质的传输。氢气和氧气/空气反应板上,于反应流道的背面,在气体输入通道的下方,加工一个凹槽,在凹槽的下端加工一个小孔,此小孔和反应板的反应流道相连。气体在进入气体输入通道后,通过凹槽、下端小孔而进入反应流道;于反应流道的背面,在气体输出通道的上方,加工一个凹槽,在凹槽的上端加工一个小孔,小孔可以是方形、圆形或椭圆形。此小孔和反应板的反应流道相连。小孔是方形、圆形或椭圆形。
在气体反应板反应流道一面(正面),在整个双极板的四周安装密封圈、密封垫或者其它密封材料,保证气体不向电池外泄漏。在反应板背面,在气体输入通道、凹槽和小孔的四周,安装密封圈、密封垫或者其它密封材料,保证气体不向电池外泄漏。在反应板背面,在气体输出通道、凹槽和小孔的四周,安装密封圈、密封垫或者其它密封材料。
本发明的改进还包括:氢气或氧气反应板上,距离氢气或氧气板边缘约5mm-10mm处,向下制作一个凹槽。凹槽的深度约0.2-2mm。上述的凹槽边缘约5-10mm处,向下制作另一个凹槽,凹槽的深度和膜电极氢气或氧气电极的厚度一致。
氢气或氧气/空气反应板上,设计反应流道,形状可以是蛇行、直通型或其它形状,大小由反应气体的流量决定。设计制作一种密封圈、密封垫或其它密封材料,将其盖在第一个凹槽与第二个凹槽所形成的台阶上,从而形成密封层,控制密封材料的压缩量,保证反应气体不会串气和外漏。设计制作膜电极,将膜电极置于第二个凹槽中。由此可以控制膜电极的压缩量。
氢气或氧气/空气反应板上,在其边缘处设计一种硬质密封材料(比如橡胶、特富龙、石墨等)。复合方法为胶粘、电镀或真空覆膜等,密封层的厚度为1-3mm。
氢气或氧气/空气反应板上,距离氢气板边缘约5mm-10mm处,向下制作一个凹槽,凹槽的深度和膜电极氢气电极的厚度一致。设计制作氢气膜电极,将其置于凹槽中。
第一凹槽的深度约0.2-3mm;凹槽内设有密封圈、密封垫或其它密封材料,将其置于第一凹槽上。在上述的凹槽边缘约5-10mm处,向下制作第二凹槽,第二凹槽的深度和膜电极氢气和氧气/空气电极的厚度一致。
制作一种密封圈、密封垫或其它密封材料,将其置于第一凹槽与所述的第二凹槽所形成的台阶上,从而形成密封层,控制密封材料的压缩量。
本发明的特点是:形成的质子交换膜燃料电池双极板的流道与气体输入/输出通道去除了以往在气体输入/输出通道与气体流道进/出口连接处所需要的金属过桥,增加气体密封的可靠性,简化了生产工艺,降低燃料电池成本。也增加了电池工作的可靠性。
                              附图说明
图1是质子交换膜燃料电池电堆横向截面图。
图2是电堆的横向图。
图3是电堆纵向剖面图。
图4是电堆纵向剖面图。
图5是氢气反应板散热面图。
图6是氢气反应板反应面图。
图7是氧气/空气反应板散热面图。
图8是氧气/空气反应板反应面。
图9是氧气/空气反应板截面图。
电堆的端板1、氢气反应板2、膜电极氢气侧的密封材料3、膜电极4、膜电极氧气/空气侧的密封材料5、氧气/空气反应板6、氧气/空气散热板7、氧气/空气的散热通道8、反应流道9、10、氢气的反应流道11、通孔12、14、凹槽13、密封材料16、17、通孔19。
                            具体实施方式
图1是由一个单电池组成的电堆的横向截面图。图中,1是电堆的端板,同时也可以是氢气的散热板,可以由石墨板、不锈钢板或尼龙板组成。2是氢气反应板,可以是碳板或不锈钢等金属板,靠近膜电极一侧,11是氢气的反应流道。3是膜电极氢气侧的密封材料,可以是硅橡胶或特富龙材料的密封圈、密封垫或其它密封材料。4是膜电极。5是膜电极氧气/空气侧的密封材料。6是氧气/空气反应板,靠近膜电极一侧,9是氧气/空气的反应流道。7是氧气/空气散热板,也可以是端板,可以由不锈钢等金属板、石墨板或尼龙板组成。10是氢气的散热通道,8是氧气/空气的散热通道。
图2是电堆的横向图。2和6分别是氢气和氧气/空气反应板。13是氧气/空气的进气或者出气口。进气口/出气口的大小由氧气/空气的流量以及其在流道中的压差决定。
图3是电堆的纵向剖面图。10是氢气的散热流道。11是氢气的反应流道。13是氧气/空气反应气的进口或出口。9是氧气/空气的反应流道。从图中可以看出,氧气/空气在氧气/空气板背面通过进气口凹槽13、经由通孔14进入反应流道9,经过电化学反应后,再经由通孔14、通过氧气/空气板的背面排出到出气口凹槽13处,从而排出到电池外部。图中,5是氧气/空气侧的密封材料,保证氢气/空气不泄漏到电池外部。这种设计方法,在氧气/空气进、出口处,不需要过桥的存在,保证了密封的可靠性,并降低了原材料成本以及加工成本。
图4是电堆的纵向剖面图。图中,12是氢气的输入通道或者输出通道。其形状可为方型、圆形或椭圆形,大小由氢气流量决定。19是氢气进气口凹槽,16是氢气输入和输出通道上的密封材料。17是在氢气板背面,氢气进气口凹槽四周的密封材料,保证氢气不会通过此处向电池外泄漏。11是氢气的反应流道。6是氧气/空气反应板,反应板上的小孔为氧气/空气的反应流道。氢气通过输入通道12,从凹槽19进入氢气反应板,并经由横向通孔进入到反应流道11中。反应后,经由横向通孔、通过氢气板背面的凹槽19进入气体输出通孔12中,从而将尾气排放到电池外。此设计方法,在氢气从气体输入/通道进入反应流道(或者从反应流道排出到气体输出通道)时,不需要过桥的存在,保证了密封的可靠性,并降低了原材料的成本以及加工成本。
图5是氢气反应板的背面。在其上有散热流道10,其形状和氢气散热板上的散热流道一致,宽度也和散热板上的散热流道一致,其深度可以不一样。大小也是由散热介质的种类和流量决定。12是氢气的输入/输出通道。和输入/输出通道相连,设计有凹槽以及通孔19,连接输入/输出通道和氢气的反应流道。氢气输入时,从输入通道,经由凹槽、通孔19而进入反应流道。并从反应流道经由通孔19、凹槽进入输出通道。
图6是氢气反应板的反应面。面上设计有反应流道,流道形状可以是蛇行、直通型或其它。大小由氢气的流量和行程的压差决定。19是通孔,连通道背面的凹槽,12是气体输入/输出通道(通孔),可以看出板上并没有过桥的存在。
图7是氧气/空气反应板的背面,在其上有散热流道8,其形状和散热板上的散热流道一致,宽度也和散热板上的散热流道一致,其深度可以不一样。大小也是由散热介质的种类和流量决定。12是氢气的输入/输出通道。
图8是氧气/空气反应板的反应面。面上设计有反应流道10,流道形状可以是蛇行、直通型或其它。大小由氧气/空气的流量和行程的压差决定。14是通孔,氧气/空气从输入/输出通道,经由反应板背面的凹槽、通过通孔14,而进入到反应流道10。反应之后从反应流道10经由通孔14、背面的凹槽而进入气体输出通道,从而排到电池外部。可以看出板上并没有过桥的存在。
图9是氧气/空气反应板的剖面图。13是反应板背面的凹槽,8是散热流道,9是反应流道。气体经过凹槽13、经由通孔12进入反应流道9,反应后经由通孔12、凹槽13进入输出通道。可以看出,气体进出口连接处,并没有过桥的存在。

Claims (3)

1、燃料电池用极板的流道,在膜电极的两侧,各有一块双极板,用于电流收集、气体分布以及热管理。在双极板上,都刻有气体反应流道,并设有气体输入和排出通道,燃料电池外部反应气体通过气体输入通道,均匀分流到每个单电池的双极板,经过气体流道后通过气体输出通道排放到燃料电池外部;在双极板上,都刻有散热流道,用于电池散热介质的传输。双极板的外侧均设有气体散热板,用于电池散热介质的传输的散热板;其特征是于反应板反应流道的背面,在气体输入通道的下方,加工一个凹槽,在凹槽的下端加工一个小孔,此小孔和反应板的反应流道相连。气体在进入气体输入通道后,通过凹槽、下端小孔而进入反应流道;于氢气、氧气/空气反应板反应流道的背面,在气体输出通道的上方,加工一个凹槽,在凹槽的上端加工一个小孔,小孔可以是方形、圆形或椭圆形;此小孔和氢气、氧气/空气板的反应流道相连。
2、根据权利要求1所述的燃料电池用极板的流道,其特征是在气体输入通道、凹槽和小孔的四周,安装密封圈、密封垫或者其它密封材料,保证气体不向电池外泄漏。在反应板反应流道一面(正面),在整个双极板的四周安装密封圈、密封垫或者其它密封材料,保证气体不向电池外泄漏。在氢气、氧气/空气反应板背面,在气体输出通道、凹槽、和小孔的四周,安装密封圈、密封垫或者其它密封材料,保证气体不向电池外泄漏。
3、根据权利要求1所述的燃料电池用极板的流道,其特征是小孔是方形、圆形或椭圆形。
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