[发明专利]一种双极板及燃料电池

说明书

本发明公开了一种双极板及燃料电池，属于燃料电池技术领域。本发明的双极板，阳极半高脊的设置使得阳极气体流道的深度在第二方向有深有浅，和/或，阴极半高脊的设置使得阴极气体流道的深度在第二方向有深有浅，进而使流体的流动速度和压力产生波动，使流体在流道内的运动状态表现为紊流，提高了传质能力，有利于提高燃料电池的工作效率；同时，部分阴极板嵌设于对应的阳极让位槽内，和/或，部分阳极板嵌设于对应的阴极让位槽内，进而可使阳极板与阴极板形成部分互嵌结构，相比于现有技术，减小了双极板的厚度，有利于提高燃料电池的体积功率密度。本发明的燃料电池，通过应用上述双极板，提高了燃料电池的有效输出效率。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种双极板及燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)通过氢气和氧气电化学反应直接将化学能转化为电能，因而具有能量转化率高、对环境友好等特点，被公认为最理想新能源技术之一，目前被广泛应用于便携式设备、交通及固定发电等领域。

质子交换膜燃料电池由多组单电池串联构成，每组单电池核心组件为膜电极组件(MEA)和双极板，膜电极组件(MEA)用于为电化学反应提供工作界面，各个膜电极组件和布置在两侧的双极板(也称作流场板或隔膜板)共同构成单电池单元(unitcell)，双极板在质子交换膜燃料电池中起到分隔燃料气体(氢气)、氧化剂以及为燃料气体和氧化剂提供到达膜电极组件表面的通路的作用，并且还具有收集并传导电流、进行电化学反应热交换、为膜电极组件提供结构支撑等功能。

在燃料电池工作过程中，氢气通过氢气进气总管进入双极板，经由双极板分配进入氢气流场，扩散进入气体扩散层，从而到达阳极催化电极表面，而后氢离子透过质子膜到达阴极催化电极表面，电子则穿过双极板到达相邻单电池阴极；同理氧化剂通过空气进气总管进入双极板，经由双极板分配进入空气流场，从而到达阴极催化电极表面进行电化学反应；反应产物及未参加反应的工作介质通过流场收集排出双极板进一步通过排气总管排出燃料电池。

燃料电池双极板及流场的设计将直接影响燃料电池燃料气体和氧化剂的流体分布以及水、热管理，从而直接影响燃料电池的工作效率以及使用寿命。

相对于阳极氢气发生的氧化反应，阴极一端的反应动力学极为缓慢，氧气的扩散系数较氢气低约一个数量级，且电化学反应产物水主要也从阴极侧排出，如果流场结构设计不合理，会导致气体的扩散即反应物传质能力降低和反应产物难以排出即“水淹”等问题出现。此外，催化层内反应物的耗尽(或生成物的聚积)也会对燃料电池性能产生极为不利的影响，这种情况下，燃料电池性能损耗被称为燃料电池的浓差极化或浓差损耗。

现有技术中，常见的流道设计多为二维平面内的设计，即沿流体流动方向流道横截面面积不发生变化、或水力直径无变化的设计。在此类二维流场板中，气体主要依靠浓度差异的扩散作用由流道中进入扩散层和电极表面，传质性能较差，尤其在高电流密度下，浓差极化现象尤为明显，反应物往往不能及时输送至多孔电极电化学反应表面，造成电池性能急剧衰减；气体扩散层中排到流道中的水滴往往在气体扩散层表面以恒定状态运动，直至吹扫出流道，且在气体扩散层中尤其是脊下所对区域会存在停留的液滴，导致反应气体向多孔电极中扩散的有效面积减小，从而进一步恶化了传质性能。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种双极板，厚度小，传质能力强，有利于提高燃料电池的有效输出效率。

本发明的另一个目的在于提供一种燃料电池，通过应用上述双极板，提高了燃料电池的有效输出效率。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

一方面，提供了一种双极板，包括：

阳极板，所述阳极板的一个表面设有多个沿第一方向排列设置的阳极气体流道，另一个表面设有多个沿所述第一方向排列设置的阳极冷却流道；所述阳极气体流道沿第二方向延伸；