[实用新型]质子交换膜燃料电池高性能流场双极板

说明书

质子交换膜燃料电池高性能流场双极板，分别在阴极板(1)和阳极板(2)上冲压得到折型直行阴极流场(17)和蛇型阳极流场(27)流场结构，采用无分配区流场设计，气体通过公用管道分布在流场整个进出口管道上，即气体从极板公用管道、流体通道直接进入流场区，降低公用管道和通道阻力降；在阴极流场和阳极流场边侧设计水腔进口和出口以及阴阳极水流场的匹配，降低水腔流体阻力，冷却水在水腔内分布均匀，无冷却死角，有利电池热管理。金属双极板密封结构和通道采用液态硅胶注射成型，采用电堆组装力对双极板的硅胶密封结构进行压缩实现弹性密封，密封效果稳定可靠，得到流体分配均匀、流体阻力可控、制造成本低、性能可靠的金属双极板。

技术领域

本实用新型涉及质子交换膜燃料电池改进技术，尤其是质子交换膜燃料电池高性能流场双极板。

背景技术

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为传递H+的介质，只允许H+通过，而H2失去的电子则从导线通过。工作时相当于一直流电源，阳极即电源负极，阴极即电源正极。由于质子交换膜只能传导质子，因此氢离子(即质子)可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。以阳极为参考时，阴极电位为 1.23V。也即每一单电池的发电电压理论上限为1.23V。接有负载时输出电压取决于输出电流密度，通常在0.5～1V之间。将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆(简称电堆)。电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。将双极板与膜电极三合一组件(MEA)交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成质子交换膜燃料电池电堆。叠合压紧时应确保气体主通道对正以便氢气和氧气能顺利通达每一单电池。电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。电堆的核心是MEA组件和双极板。MEA是将两张喷涂有Nafion溶液及 Pt催化剂的碳纤维纸电极分别置于经预处理的质子交换膜两侧，使催化剂靠近质子交换膜，在一定温度和压力下模压制成。MEA两侧分别是阴极和阳极导入的气体，按照电池反应条件，两侧的气体输入存在一定的压差，电池反应时，阴阳极气流本身也存在压差，而MEA本身由于压差会产生气体的渗透以及MEA的机械变形，因此，对于MEA而言对两侧气流有严格的要求；双极板是阴阳极气体和冷却介质导入和排出的装置，也是电池串联和电能输出的导体，双极板上加工有阴阳极流场和水流场，包括公用管道、通道和流场结构以及巡检、定位等附属结构。阴阳极流场设计对电池性能发挥和寿命有重要作用。双极板加工工艺路线的选择对质子交换膜燃料电池电堆成本有重要影响。

高性能质子交换膜燃料电池是指高电流密度输出的电池，即通常情况下电流密度在2.5A/cm²以上。在进行高电流密度输出的状态下，需要输入大流量空气，然而，大流量空气将在电池内产生流体阻力，造成阴阳极气体压差难以匹配，并进而限制电池性能发挥。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供质子交换膜燃料电池高性能流场双极板，通过创新设计阴阳极流场和水冷却剂流场，以及优化阴阳极腔和冷却剂腔的相互密封结构，制造新型金属双极板，解决以上技术问题和制造成本问题。

本实用新型的目的将通过以下技术措施来实现：金属双极板包括阴极板和阳极板，分别在阴极板和阳极板上冲压得到折型直行阴极流场和蛇型阳极流场流场结构，该二流场分别处在极板表面的中心位置，阴极板和阳极板分具有上、下两个表面，这两个表面分别为气腔侧和冷却剂腔侧；金属双极板边框部位冲孔得到金属双极板的公用管道，包括金属双极板的空气、氢气的阴极气体公用管道和阳极气体公用管道，以及阴极水公用管道、阴极公用管道、阳极公用管道和阳极水公用管道。