[發(fā)明專(zhuān)利]基于相變換熱的質(zhì)子交換膜燃料電池及其雙極板

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210026832.1
• 申請(qǐng)日: 2012-02-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103247807A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-08-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李驍
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 武漢眾宇動(dòng)力系統(tǒng)科技有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): H01M8/02
• 分類(lèi)號(hào): H01M8/02;H01M8/10
• 代理公司: 武漢開(kāi)元知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 42104
• 代理人: 胡鎮(zhèn)西

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體地指一種基于相變換熱的質(zhì)子交換膜燃料電池及其雙極板。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池是一種將氫氣和氧化劑的化學(xué)能直接通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)方式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置，其排放物僅為純水。質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理是這樣的：氫氣在陽(yáng)極裂解為質(zhì)子和電子，質(zhì)子滲透電解質(zhì)膜到陰極與氧氣、以及通過(guò)外電路的電子結(jié)合，生成水完成整個(gè)反應(yīng)。單個(gè)燃料電池的工作電壓一般設(shè)定在0.6～0.7V之間，為了獲得足夠大的功率，往往會(huì)串聯(lián)許多單電池形成電堆，而分隔每個(gè)電池的隔板被稱(chēng)作雙極板。

雙極板在燃料電池中的作用大致可分為四種：首先它必須保證陰陽(yáng)極的氣體不發(fā)生串氣，即密封要好；其次它必須能將氣體按預(yù)先的設(shè)計(jì)引導(dǎo)至電極的整個(gè)表面；再次它必須極為迅速地傳導(dǎo)電子和熱量；最后它還必須擁有足夠的機(jī)械強(qiáng)度來(lái)對(duì)膜電極進(jìn)行保護(hù)。雙極板對(duì)電堆甚至整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的體積大小、重量和成本有著重要的影響。

為了從電堆中移出熱量，保證燃料電池不過(guò)熱工作，傳統(tǒng)的雙極板大多由兩塊單極板組成：一塊為刻有陽(yáng)極流道的陽(yáng)極板，另一塊為刻有陰極流道的陰極板，另外在兩者之間還留有專(zhuān)門(mén)的供冷卻流體流動(dòng)的散熱流道。散熱流道或者刻在陽(yáng)極板的反面，或者刻在陰極板的反面，或者兩塊板的反面都刻。也有一些雙極板為三板結(jié)構(gòu)，其在兩塊板之間加設(shè)一塊由柔性石墨板構(gòu)成的冷卻介質(zhì)流道。這些設(shè)計(jì)無(wú)一例外地保留了冷卻流道，大大增加了雙極板的厚度和體積，在空間有限的汽車(chē)電池等應(yīng)用領(lǐng)域其劣勢(shì)十分明顯，而且多了一道將兩塊板或三塊板合成一塊的復(fù)雜裝配程序，增加了漏液和漏氣的可能性，難以保證雙極板的密封性能。

也有一些雙極板是利用金屬?zèng)_壓技術(shù)在一塊板上形成氧化劑流道、氫氣流道和冷卻介質(zhì)流道。但其冷卻流道仍然存在，雙極板的厚度和體積無(wú)法進(jìn)一步減小。

此外，本領(lǐng)域所熟知的質(zhì)子交換膜燃料電池必須在具有一定相對(duì)濕度的環(huán)境下工作，一般反應(yīng)氣體，尤其是空氣一側(cè)都經(jīng)過(guò)加濕之后再進(jìn)入電池，這樣必須為系統(tǒng)配置一個(gè)專(zhuān)門(mén)的加濕器，增加了系統(tǒng)的成本、大小、體積和控制難度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種無(wú)需加濕器、組裝簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、成本低的基于相變換熱的質(zhì)子交換膜燃料電池及其雙極板。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的基于相變換熱的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板，包括平面板體，所述平面板體的一側(cè)表面設(shè)置有溝槽結(jié)構(gòu)的陰極流場(chǎng)，所述陰極流場(chǎng)的一端設(shè)置有空氣入口，所述陰極流場(chǎng)的另一端設(shè)置有空氣出口，所述空氣入口所在的一端還設(shè)置有進(jìn)水口，所述進(jìn)水口與陰極流場(chǎng)之間設(shè)置有進(jìn)水?dāng)U散區(qū)，所述進(jìn)水?dāng)U散區(qū)由嵌置在凹槽內(nèi)的多孔狀物質(zhì)或聚合物構(gòu)成；所述平面板體的另一側(cè)表面設(shè)置有溝槽結(jié)構(gòu)的陽(yáng)極流場(chǎng)，所述陽(yáng)極流場(chǎng)的一端設(shè)置有氫氣入口，所述陽(yáng)極流場(chǎng)的另一端設(shè)置有氫氣出口。

優(yōu)選地，所述陰極流場(chǎng)為交指型流場(chǎng)，它由若干條末端封閉的進(jìn)氣溝槽和若干條始端封閉的排氣溝槽交叉排列而成，所述進(jìn)氣溝槽的始端同時(shí)與空氣入口和進(jìn)水?dāng)U散區(qū)相連，所述排氣溝槽的末端與空氣出口相連。

優(yōu)選地，所述陽(yáng)極流場(chǎng)為蛇形流場(chǎng)，它由若干組與進(jìn)氣溝槽和排氣溝槽同方向布置的蛇形溝槽構(gòu)成，所述蛇形溝槽的始端與氫氣入口相連，所述蛇形溝槽的末端與氫氣出口相連。

進(jìn)一步地，所述進(jìn)氣溝槽和排氣溝槽與其背面的蛇形溝槽呈錯(cuò)位布置結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述進(jìn)氣溝槽的始端與空氣入口和進(jìn)水?dāng)U散區(qū)之間通過(guò)氣水交互混合區(qū)相連。

優(yōu)選地，所述氣水交互混合區(qū)由若干縱橫交叉互通的溝槽構(gòu)成。

優(yōu)選地，所述平面板體的一側(cè)上、下角部設(shè)置有定位缺口。

本發(fā)明還提供了一種基于相變換熱的質(zhì)子交換膜燃料電池，該燃料電池的電堆是由若干塊上述的平面板體、若干塊質(zhì)子交換膜電極和若干個(gè)密封墊圈依次交替疊合壓緊而成，所述密封墊圈上設(shè)置有與所述平面板體上的空氣入口、空氣出口、氫氣入口、氫氣出口和進(jìn)水口形狀相對(duì)應(yīng)的通孔。

本發(fā)明的有益效果：所提供的基于相變換熱的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板，無(wú)冷卻介質(zhì)流道、體積小、成本低，采用相變換熱使散熱效率大幅度提高。所提供的基于相變換熱的質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)o需傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)中必需的加濕器、冷卻介質(zhì)存儲(chǔ)箱、冷卻介質(zhì)泵、冷卻介質(zhì)換熱器等部件，大大減小了系統(tǒng)的體積、重量和成本，并降低了控制難度。

附圖說(shuō)明

圖1為一種基于相變換熱的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的陰極面的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1所示雙極板的陽(yáng)極面的立體結(jié)構(gòu)示意圖。