[发明专利]一种单极板、双极板及电堆

说明书

本发明公开了一种单极板、双极板及电堆，属于燃料电池技术领域。本发明的单极板、双极板及电堆，单极板包括第一板体和第二板体，第一板体具有沿第一方向相对的第一表面和第二表面，第一表面设有若干气体流道；第二板体具有沿第一方向相对的第三表面和第四表面，第四表面设有若干冷却流道，第三表面与第二表面固定连接，且第三表面与第二表面之间形成有封闭的容纳槽，容纳槽内设有冷却液。气体流道中的反应物发生电化学反应产生的热量传递至单极板的表面，可使容纳槽中的冷却液迅速蒸发以带走热量，随着蒸发后的冷却液扩散，将热量传递至整个容纳槽内部，具有提高双极板热量分布均匀性的作用，避免局部过热；还能提高单极板冷却速度。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种单极板、双极板及电堆。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)是一种能量转换装置，具有能量转换效率高、零排放、无噪声等优点，相应技术进步可推动氢气制备、储藏、运输等技术体系的发展升级。

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和双极板。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。氢燃料电池中的双极板又称流场板，起到分隔氧化剂、还原剂和冷却剂，通过流道将反应物(常用为氢气和氧气)从公用管道入口均匀分配到电堆内各电池电极的各处，并将反应物汇集到公用管道出口，此外双极板起到收集并传导电流和支撑膜电极的作用，同时还承担整个燃料电池的散热和排水功能。因此，双极板需满足电导率高、高导热性、气体致密性好、机械和耐腐蚀性能优良等要求。

双极板对燃料电池电流密度、体积/质量功率密度、成本、寿命等多个参数有重要影响，是其核心部件之一，是决定燃料电池的商业化应用进程重要因素之一。

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，在反应过程中会产生巨大的热量，冷却剂在双极板中间流动，及时带走电化学反应产生的热量。

燃料电池双极板的散热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。通过对双极板流场的设计优化可将电化学反应产生的热量及时带走，进而提升燃料电池的效率。

目前的双极板材料主要分为三类，分别为石墨双极板、复合材料双极板和金属双极板。其中，金属双极板厚度薄、导电性能优异、机械强度高且气体隔绝性好，有利于电池比功率密度的提升，此外金属材料加工工艺成熟，容易实现极板的量化生产，已成为氢燃料电池的主流双极板材料。

为了让燃料的化学反应更加充分，金属双极板设计有较为复杂的流道结构，组成双极板的每个单极板上均分布着数十个甚至数百个精细的沟槽，在发生电化学反应时候会产生大量的热量。如果这些热量不能被及时带走，则会导致电堆出现过热风险，不仅影响燃料电池性能，还存在安全隐患，因此，通常利用循环的冷却液对双极板进行冷却。

但是，受反应物浓度等因素的影响，在双极板的不同部位，电化学反应产生的热量并不完全一致，因此会导致双极板出现局部过热问题，依然会影响电堆的性能及可靠性。为了解决该问题，现有技术中，通过控制冷却液流量，以提高双极板散热效率，这种方式不仅能耗高，而且没有从设计根本上解决双极板局部过热的问题。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种单极板，可提高双极板热量分布的均匀性，并可避免出现局部过热问题。

本发明的第二个目的在于提供一种双极板，通过应用上述单极板，提高了双极板热量分布的均匀性，并可避免出现局部过热问题。