專利名稱：基于相變換熱的質(zhì)子交換膜燃料電池及其雙極板的制作方法
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)度來對膜電極進(jìn)行保護(hù)。雙極板對電堆甚至整個(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:一塊為刻有陽極流道的陽極板，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門的供冷卻流體流動(dòng)的散熱流道。散熱流道或者刻在陽極板的反面，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，在空間有限的汽車電池等應(yīng)用領(lǐng)域其劣勢十分明顯，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)過加濕之后再進(jìn)入電池，這樣必須為系統(tǒng)配置一個(gè)專門的加濕器，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，提供一種無需加濕器、組裝簡單、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，所述陰極流場的一端設(shè)置有空氣入口，所述陰極流場的另一端設(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)的陽極流場，所述陽極流場的一端設(shè)置有氫氣入口，所述陽極流場的另一端設(shè)置有氫氣出口。優(yōu)選地，所述陰極流場為交指型流場，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，所述陽極流場為蛇形流場，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。


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所示雙極板的陽極面的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為圖1中進(jìn)水?dāng)U散區(qū)的立體放大結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為圖1所示雙極板組合而成的基于相變換熱的質(zhì)子交換膜燃料電池的立體分解結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為圖4所示燃料電池的部分剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為圖5的局部放大結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。如圖1 3所示，本發(fā)明提供了一種基于相變換熱的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板。該雙極板包括平面板體20，平面板體20的一側(cè)表面設(shè)置有溝槽結(jié)構(gòu)的陰極流場11，陰極流場11的一端設(shè)置有空氣入口 3，陰極流場11的另一端設(shè)置有空氣出口 4，空氣入口 3所在的一端還設(shè)置有進(jìn)水口 1，進(jìn)水口 I與陰極流場11之間設(shè)置有進(jìn)水?dāng)U散區(qū)2，進(jìn)水?dāng)U散區(qū)2由嵌置在凹槽內(nèi)的多孔狀物質(zhì)或聚合物14構(gòu)成。平面板體20的另一側(cè)表面設(shè)置有溝槽結(jié)構(gòu)的陽極流場12，陽極流場12的一端設(shè)置有氫氣入口 7，陽極流場12的另一端設(shè)置有氫氣出口 8。陰極流場11和陽極流場12可以通過刻蝕、注塑或沖壓成型。如圖4 6所示，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圖1 3所示的平面板體20、若干塊質(zhì)子交換膜電極22和若干個(gè)密封墊圈21依次交替疊合壓緊而成，密封墊圈21上設(shè)置有與平面板體20上的空氣入口
3、空氣出口 4、氫氣入口 7、氫氣出口 8和進(jìn)水口 I形狀相對應(yīng)的通孔，方便密封墊圈21的定位與組裝。具體地，上述陰極流場11采用強(qiáng)迫擴(kuò)散式的交指型流場，它由若干條末端封閉的進(jìn)氣溝槽5和若干條始端封閉的排氣溝槽6交叉排列而成，進(jìn)氣溝槽5的始端同時(shí)與空氣入口 3和進(jìn)水?dāng)U散區(qū)2相連，排氣溝槽6的末端與空氣出口 4相連。如圖1所示，空氣從空氣入口 3進(jìn)入，與進(jìn)水?dāng)U散區(qū)2出來的水相遇，進(jìn)水?dāng)U散區(qū)2內(nèi)的多孔狀物質(zhì)或聚合物14表面積大，有利于增大空氣和水的接觸面積，使空氣中的含水量更高，空氣混合了水份后順板流下，且在該過程中，空氣中的水份吸收電池產(chǎn)生的熱量而不斷蒸發(fā)，氣體得到加濕，由于進(jìn)氣溝槽5的末端采用封閉式設(shè)計(jì)，氣體和蒸發(fā)后的水蒸汽、以及未蒸發(fā)的液態(tài)水將被強(qiáng)迫穿越雙極板上的氣體擴(kuò)散層，如圖6所示，進(jìn)入質(zhì)子交換膜電極22，參加電化學(xué)反應(yīng)后來到相鄰的排氣溝槽6， 然后由空氣出口 4離開。上述陽極流場12采用強(qiáng)迫擴(kuò)散式的蛇形流場，它由若干組與進(jìn)氣溝槽5和排氣溝槽6同方向布置的蛇形溝槽9構(gòu)成，蛇形溝槽9的始端與氫氣入口 7相連，蛇形溝槽9的末端與氫氣出口 8相連。如圖2所示，氫氣從氫氣入口 7進(jìn)入，沿蛇形溝槽9繞行，同時(shí)亦擴(kuò)散至其上的氣體擴(kuò)散層到達(dá)電極發(fā)生反應(yīng)，最后均由氫氣出口 8流出，該設(shè)計(jì)可以使進(jìn)入陽極流場12中的氫氣充分與質(zhì)子交換膜電極22發(fā)生反應(yīng)。再如圖5 6所示，進(jìn)氣溝槽5和排氣溝槽6與其背面的蛇形溝槽9呈錯(cuò)位布置結(jié)構(gòu)。溝槽之間相互錯(cuò)開一定距離，使得板厚可以最大限度地被縮小，同時(shí)保證在加工槽的過程中不會(huì)出現(xiàn)穿孔。再如圖1所示，進(jìn)氣溝槽5的始端與空氣入口 3和進(jìn)水?dāng)U散區(qū)2之間通過氣水交互混合區(qū)13相連，氣水交互混合區(qū)13由若干縱橫交叉互通的溝槽構(gòu)成，其作用在于使空氣入口 3進(jìn)入的氣體與進(jìn)水口 I進(jìn)入的水份充分混合。氣水交互混合區(qū)13可以為單個(gè)或多個(gè)，本實(shí)施例中在溝槽的折轉(zhuǎn)處形成有兩個(gè)氣水交互混合區(qū)13，其中一個(gè)氣水交互混合區(qū)13緊貼著進(jìn)水?dāng)U散區(qū)2，水和空氣經(jīng)過兩次混合后，成分更均勻。在平面板體20的一側(cè)上、下角部設(shè)置有定位缺口 10，方便雙極板與質(zhì)子交換膜電極22的組裝，減少出錯(cuò)的幾率。上述進(jìn)水?dāng)U散區(qū)2的作用在于為陰極流場11內(nèi)的空氣加濕，及提供相變換熱所需的水份。需要說明的是，進(jìn)水?dāng)U散區(qū)2內(nèi)的多孔狀物質(zhì)或聚合物14的孔徑和疏水性是與水泵的壓力相適應(yīng)的，水泵需要一個(gè)合適的壓力才能使水穿過多孔狀物質(zhì)或聚合物14，這個(gè)壓力應(yīng)該遠(yuǎn)大于水從電堆第一個(gè)單電池的進(jìn)水口I到達(dá)最后一個(gè)單電池的進(jìn)水口I的過程中的壓力損耗，即是說由進(jìn)水口 I進(jìn)入的水不能輕易地進(jìn)入進(jìn)氣溝槽5和排氣溝槽6，從而使采用該雙極板的燃料電池在水泵壓水時(shí)，其中所有雙極板上的陰極流場11都能夠同時(shí)充入水。并且，在水正在被水泵打入的過程中，只要陰極流道11內(nèi)側(cè)的空氣壓力不大至能將水從該多孔狀物質(zhì)或聚合物14中推出去，那么空氣將無法從其流道中逃逸。水泵停止后，由于表面張力作用，已經(jīng)進(jìn)入多孔狀物質(zhì)或聚合物14的水仍將留在其中，并不會(huì)在重力作用下墜入進(jìn)氣溝槽5和排氣溝槽6中。由于免去了冷卻流道，使得雙極板的所有功能都能在一塊平面板體20上實(shí)現(xiàn)，不同于傳統(tǒng)的由兩塊、甚至三塊板來組合形成的一塊“雙極板”。這樣，不僅省卻了裝配過程中多余的步驟和出錯(cuò)的可能性，而且大大減少了電池內(nèi)元件的性能發(fā)生衰減后可能的漏氣漏液點(diǎn)。本發(fā)明提供的基于相變換熱的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板所采用的相變換熱是一種最有效的散熱方式，其散熱效率大大高于依賴熱傳導(dǎo)原理的使用外部冷卻介質(zhì)的換熱方式。從根本上摒棄了專門的冷卻流道，簡化了雙極板的結(jié)構(gòu)，使得雙極板的厚度大幅度減少，同時(shí)降低了成本。采用該雙極板可以大大縮小電池和電堆的體積，并且使得電池的制作工藝得到簡化。本發(fā)明提供的基于相變換熱的質(zhì)子交換膜燃料電池摒棄了冷卻介質(zhì)的使用，所以不再需要冷卻系統(tǒng)的控制器，不再需要冷卻介質(zhì)的換熱器。由于現(xiàn)有質(zhì)子交換膜燃料電池工作的溫度不高，冷卻介質(zhì)從電堆出來后往往與環(huán)境溫度的差別不大，需要極大的換熱面積來保證有效換熱，這導(dǎo)致?lián)Q熱器的體積巨大，摒棄了這個(gè)換熱器之后將使電池系統(tǒng)的體積進(jìn)一步縮小。并 且在省掉了上述的數(shù)個(gè)部件后，大大降低了整體系統(tǒng)的控制難度。
權(quán)利要求
1.一種基于相變換熱的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板，包括平面板體(20)，其特征在于:所述平面板體(20)的一側(cè)表面設(shè)置有溝槽結(jié)構(gòu)的陰極流場(11)，所述陰極流場(11)的一端設(shè)置有空氣入口(3)，所述陰極流場(11)的另一端設(shè)置有空氣出口(4)，所述空氣入口(3)所在的一端還設(shè)置有進(jìn)水口(I)，所述進(jìn)水口(I)與陰極流場(11)之間設(shè)置有進(jìn)水?dāng)U散區(qū)(2)，所述進(jìn)水?dāng)U散區(qū)(2)由嵌置在凹槽內(nèi)的多孔狀物質(zhì)或聚合物(14)構(gòu)成；所述平面板體(20)的另一側(cè)表面設(shè)置有溝槽結(jié)構(gòu)的陽極流場(12)，所述陽極流場(12)的一端設(shè)置有氫氣入口(7)，所述陽極流場(12)的另一端設(shè)置有氫氣出口(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于相變換熱的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板，其特征在于:所述陰極流場(11)為交指型流場，它由若干條末端封閉的進(jìn)氣溝槽(5)和若干條始端封閉的排氣溝槽(6)交叉排列而成，所述進(jìn)氣溝槽(5)的始端同時(shí)與空氣入口(3)和進(jìn)水?dāng)U散區(qū)(2)相連，所述排氣溝槽(6)的末端與空氣出口(4)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于相變換熱的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板，其特征在于:所述陽極流場(12)為蛇形流場，它由若干組與進(jìn)氣溝槽(5)和排氣溝槽￠)同方向布置的蛇形溝槽(9)構(gòu)成，所述蛇形溝槽(9)的始端與氫氣入口(7)相連，所述蛇形溝槽(9)的末端與氫氣出口(8)相連。
4.根據(jù)權(quán)利 要求3所述的基于相變換熱的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板，其特征在于:所述進(jìn)氣溝槽(5)和排氣溝槽￠)與其背面的蛇形溝槽(9)呈錯(cuò)位布置結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2 4中任意一項(xiàng)所述的基于相變換熱的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板，其特征在于:所述進(jìn)氣溝槽(5)的始端與空氣入口(3)和進(jìn)水?dāng)U散區(qū)(2)之間通過氣水交互混合區(qū)(13)相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于相變換熱的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板，其特征在于:所述氣水交互混合區(qū)(13)由若干縱橫交叉互通的溝槽構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 4中任意一項(xiàng)所述的基于相變換熱的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板，其特征在于:所述平面板體(20)的一側(cè)上、下角部設(shè)置有定位缺口(10)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于相變換熱的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板，其特征在于:所述平面板體(20)的一側(cè)上、下角部設(shè)置有定位缺口(10)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于相變換熱的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板，其特征在于:所述平面板體(20)的一側(cè)上、下角部設(shè)置有定位缺口(10)。
10.一種基于相變換熱的質(zhì)子交換膜燃料電池，其特征在于:該燃料電池的電堆是由若干塊權(quán)利要求1所述的平面板體(20)、若干塊質(zhì)子交換膜電極(22)和若干個(gè)密封墊圈(21)依次交替疊合壓緊而成，所述密封墊圈(21)上設(shè)置有與所述平面板體(20)上的空氣入口(3)、空氣出口(4)、氫氣入口(7)、氫氣出口(8)和進(jìn)水口(I)形狀相對應(yīng)的通孔。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于相變換熱的質(zhì)子交換膜燃料電池及其雙極板。該燃料電池的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，所述陰極流場的一端設(shè)置有空氣入口和進(jìn)水口、另一端設(shè)置有空氣出口，所述進(jìn)水口與陰極流場之間設(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)的陽極流場。上述雙極板無冷卻流道、體積小、成本低，采用相變換熱使散熱效率大幅提高。利用上述雙極板組合而成的質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)o需加濕器、冷卻介質(zhì)存儲(chǔ)箱、冷卻介質(zhì)泵、冷卻介質(zhì)換熱器等設(shè)備，大大減小了系統(tǒng)的體積、重量和成本，并降低了控制難度。
文檔編號(hào)H01M8/10GK103247807SQ20121002683
公開日2013年8月14日 申請日期2012年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月8日
發(fā)明者李驍 申請人:武漢眾宇動(dòng)力系統(tǒng)科技有限公司