[發(fā)明專利]質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板及其構(gòu)成的電堆

有效

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• 申請日: 2014-02-18
• 公開（公告）號: CN103746123A
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 羅志平;郭駿;羅玄;詹志剛
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M8/24
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 王守仁

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板以及由該金屬雙極板所構(gòu)成的電堆。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池是以氫氣或甲醇為燃料，氧氣或空氣為氧化劑，將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電裝置。質(zhì)子交換膜燃料電池具有能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好、低溫快速啟動等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景。雙極板是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心部件之一，具有支撐膜電極組件、均勻分布反應(yīng)氣體、集流導(dǎo)電、排出反應(yīng)生成水及散熱等重要功能。金屬材料具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、較高的機械強度、成本低、適合批量化生產(chǎn)等優(yōu)點，因此被認為是質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的理想材料。林政宇、張杰、劉兵和鄭永平所著《PEMFC雙極板的材料及制備工藝綜述》分析了質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板材料的優(yōu)缺點，并指出表面改性的金屬板是質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的發(fā)展趨勢。

質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板是由金屬薄板制成的陰極單極板和陽極單極板通過焊接或粘接構(gòu)成。陰極單極板和陽極單極板的左右側(cè)均設(shè)有燃料氣體腔、冷卻介質(zhì)腔和氧化劑氣體腔，陰、陽單極板正背兩面均設(shè)有凸凹溝槽構(gòu)成的流場區(qū)。現(xiàn)有技術(shù)中，質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板流場區(qū)的凸凹溝槽都是平面的。由于質(zhì)子交換膜燃料電池電堆組裝時需要一定的預(yù)緊力，普通平面流道的金屬雙極板表現(xiàn)出較強的剛性特征。膜電極組件在工作過程中存在不均勻的機械應(yīng)力，會導(dǎo)致膜電極性能下降、壽命變短。質(zhì)子交換膜燃料電池電堆長時間運行或閑置后，容易出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象，這會導(dǎo)致金屬雙極板與膜電極組件的接觸電阻增大，進而引起質(zhì)子交換膜燃料電池電堆性能及壽命的衰減。

中國專利公開號為CN101572318A，發(fā)明名稱為“一種質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板”的專利文獻，將雙極板分配流道設(shè)計為點狀流道；中國專利公開號為CN101937997A，發(fā)明名稱為“質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板及其構(gòu)成的單池和電堆”的專利文獻，采用帶有一定曲率的非平面弧形金屬雙極板用于質(zhì)子交換膜燃料電池中。雖然這兩種金屬雙極板的結(jié)構(gòu)均容易實現(xiàn)，但是在質(zhì)子交換膜燃料電池電堆預(yù)緊力的作用下均會表現(xiàn)出較強的剛性特征，與普通金屬雙極板一樣不能解決質(zhì)子交換膜燃料電池的機械擠壓與應(yīng)力松弛問題。

因此，為了解決質(zhì)子交換膜燃料電池電堆中的機械擠壓和應(yīng)力松弛等問題而進行的質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是非常必要的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板及其構(gòu)成的電堆，以解決質(zhì)子交換膜燃料電池中存在的機械擠壓和應(yīng)力松弛等技術(shù)問題，從而克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。

本發(fā)明為解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案：

本發(fā)明提供的質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板，是由金屬薄板制成的陰極單極板和陽極單極板組合構(gòu)成；所述陰極單極板和陽極單極板背面相對，其板體上的左右側(cè)均設(shè)有對應(yīng)重合的燃料氣體腔、冷卻介質(zhì)腔和氧化劑氣體腔，其板體上的中部均設(shè)有流場區(qū)，該流場區(qū)設(shè)有多個呈弧形的相互對應(yīng)的凸臺和凹槽。

所述的陰極單極板，其板體上的左側(cè)可以設(shè)有自上而下排列的氧化劑氣體腔、冷卻介質(zhì)腔和燃料氣體腔，它們分別與陽極單極板板體上左側(cè)的自下而上排列的氧化劑氣體腔、冷卻介質(zhì)腔和燃料氣體腔完全重合；其板體上的右側(cè)可以設(shè)有自上而下排列的燃料氣體腔、冷卻介質(zhì)腔和氧化劑氣體腔，它們分別與陽極單極板板體上右側(cè)的自下而上排列的燃料氣體腔、冷卻介質(zhì)腔和氧化劑氣體腔完全重合；其板體上的中部設(shè)有一個陰極板流場區(qū)。

所述的陰極板流場區(qū)，其背面的凸臺、凹槽可以與其正面的凹槽、凸臺相互對應(yīng)，即正面的凸臺是背面的凹槽，正面凸臺的上表面處在一個平面上，正面的凹槽是背面的凸臺，背面的凸臺也在一個平面上；所述的凸臺、凹槽可以呈圓弧形。

所述陽極單極板和陰極單極板流場區(qū)的凸臺和凹槽可以呈圓弧形或橢圓弧形。

所述的陽極單極板，其板體上的左側(cè)可以設(shè)有自上而下排列的燃料氣體腔、冷卻介質(zhì)腔和氧化劑氣體腔，它們分別與陰極單極板板體上左側(cè)的自下而上排列的燃料氣體腔、冷卻介質(zhì)腔和氧化劑氣體腔完全重合；其板體上的右側(cè)可以設(shè)有自上而下排列的氧化劑氣體腔、冷卻介質(zhì)腔和燃料氣體腔，它們分別與陰極單極板板體上右側(cè)的自下而上排列的氧化劑氣體腔、冷卻介質(zhì)腔和燃料氣體腔完全重合；其板體上的中部可以設(shè)有一個陽極板流場區(qū)。

所述的陽極板流場區(qū)，其背面的凸臺、凹槽可以與其正面的凹槽、凸臺相互對應(yīng)，即正面的凸臺是背面的凹槽，正面凸臺的上表面處在一個平面上，正面的凹槽是背面的凸臺，背面的凸臺也在一個平面上；所述的凸臺、凹槽可以呈圓弧形。