[實用新型]一種質子交換膜燃料電池電堆

有效

• 申請號: 201420069500.6
• 申請日: 2014-02-18
• 公開（公告）號: CN203760571U
• 公開（公告）日: 2014-08-06
• 發明（設計）人: 羅志平;郭駿;羅玄;詹志剛
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M8/24
• 分類號: H01M8/24;H01M8/10
• 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

技術領域

本實用新型屬于燃料電池技術領域，尤其是一種質子交換膜燃料電池電堆。

背景技術

質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能直接轉化成電能的發電裝置。質子交換膜燃料電池具有能量轉化效率高、環境友好、低溫快速啟動等優點，具有廣闊的應用前景。雙極板是質子交換膜燃料電池的核心部件之一，具有支撐膜電極組件、均勻分布反應氣體、集流導電、排出反應生成水及散熱等重要功能。金屬材料具有良好的導電導熱性、較高的機械強度、成本低、適合批量化生產等優點，因此被認為是質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》分析了質子交換膜燃料電池雙極板材料的優缺點，并指出表面改性的金屬板是質子交換膜燃料電池雙極板的發展趨勢。

質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成。陰極單極板和陽極單極板的左右側均設有燃料氣體腔、冷卻介質腔和氧化劑氣體腔，陰、陽單極板正背兩面均設有凸凹溝槽構成的流場區?，F有技術中，質子交換膜燃料電池金屬雙極板流場區的凸凹溝槽都是平面的。由于質子交換膜燃料電池電堆組裝時需要一定的預緊力，普通平面流道的金屬雙極板表現出較強的剛性特征。膜電極組件在工作過程中存在不均勻的機械應力，會導致膜電極性能下降、壽命變短。質子交換膜燃料電池電堆長時間運行或閑置后，容易出現應力松弛現象，這會導致金屬雙極板與膜電極組件的接觸電阻增大，進而引起質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，發明名稱為“一種質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計為點狀流道；中國專利公開號為CN101937997A，發明名稱為“質子交換膜燃料電池金屬雙極板及其構成的單池和電堆”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子交換膜燃料電池中。雖然這兩種金屬雙極板的結構均容易實現，但是在質子交換膜燃料電池電堆預緊力的作用下均會表現出較強的剛性特征，與普通金屬雙極板一樣不能解決質子交換膜燃料電池的機械擠壓與應力松弛問題。

因此，為了解決質子交換膜燃料電池電堆中的機械擠壓和應力松弛等問題而進行的質子交換膜燃料電池金屬雙極板的結構優化是非常必要的。

發明內容

本實用新型所要解決的技術問題是：提供一種質子交換膜燃料電池電堆，以克服上述現有技術的缺陷。

本實用新型為解決其技術問題采用的技術方案是：由多個單電池以串聯方式疊加，將各單電池之間嵌入密封件，經前端板、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢而成；每個單電池是由陰極單極板、陽極單極板，以及位于它們之間的膜電極組件組成；所述陰極單極板和陽極單極板背面相對，其板體上的左右側均設有對應重合的燃料氣體腔、冷卻介質腔和氧化劑氣體腔，其板體上的中部均設有流場區，該流場區設有多個呈弧形的相互對應的凸臺和凹槽。

所述的膜電極組件可以是按氣體擴散層、催化劑層、質子交換膜、催化劑層、氣體擴散層的順序熱壓而成。

所述陰極單極板與相鄰單電池的陽極單極板背面相對后，可以利用激光焊接技術焊接成金屬雙極板；陽極單極板背面的凹槽與陰極單極板背面的凹槽相對形成冷卻介質流道；陽極板凸臺和與之接觸的膜電極組件中的氣體擴散層之間形成燃料氣體流道，陰極板凸臺和與之接觸的膜電極組件中的氣體擴散層之間形成氧化劑氣體流道。

本實用新型與現有技術相比，具有以下主要優點：

1.采用了弧形凹凸溝槽的金屬雙極板，其相對于普通金屬雙極板具有良好的彈性特性。

2.當膜電極組件受到各種物理量快速變化引起的機械沖擊導致松弛時，金屬雙極板可以通過自身的彈性變形緩沖機械沖擊，有效地保護膜電極組件和延長該膜電極組件的使用壽命。

3.可以確保金屬雙極板與膜電極組件之間接觸良好，從而降低接觸電阻。

4.當電堆運行或閑置出現應力松弛時，金屬雙極板的弧形凸凹溝槽通過彈性變形自動補償電堆的應力松弛，維持電堆正常工作的夾緊力，提高了質子交換膜燃料電池電堆的性能及壽命。

附圖說明

圖1是本實用新型的陽極單極板結構示意圖。

圖2是本實用新型的陰極單極板結構示意圖。

圖3是本實用新型的金屬雙極板在未受力時的流場區局部剖面示意圖。

圖4是本實用新型的金屬雙極板在預緊力P₁作用下的流場區局部剖面示意圖。