技术领域
[0001] 本
申请涉及新
能源技术领域,特别是涉及一种
燃料电池堆、双极板及气体扩散层。
背景技术
[0002] 燃料电池是一种将
化学能直接转化为
电能的
能量转换装置,具有高效率、低噪声、环境友好等特点,拥有巨大的发展潜
力和应用前景。组成燃料电池的三个主要部件为膜电极、双极板和气体扩散层。
[0003] 膜
电极由
质子交换膜及其两侧的催化剂层组成。催化剂层是电化学反应进行的场所。氢气在
阳极催化剂层发生
氧化反应。氧气在
阴极催化剂层发生还原反应同时生成
水。双极板一般采用金属或
石墨制成。目前燃料电池尚未实现商业化,燃料电池的功率
密度和耐
久性是关键的限制因素。金属双极板燃料电池功率密度高,但耐久性差;石墨双极板耐久性优良,但功率密度偏度。因此,怎样才能提高燃料电池的性能是亟待解决的问题。
发明内容
[0004] 基于此,有必要针对怎样才能提高燃料电池的性能的问题,提供一种燃料电池堆、双极板及气体扩散层。
[0005] 一种燃料电池堆包括顺次排布的多个第一石墨双极板、多个第二石墨双极板和多个反应单元。
[0006] 所述第一石墨双极板包括相对的第一表面和第二表面。所述第一表面开设空气流道。所述第二表面开设氢气流道。所述第一表面和所述第二表面之间开设冷却流道。
[0007] 相邻的两个所述第一石墨双极板之间设置至少一个所述第二石墨双极板。所述第二石墨双极板包括相对的第三表面和第四表面。所述第三表面开设所述空气流道。所述第
四表面开设所述氢气流道。
[0008] 任意双极板的所述空气流道的空气开口与相邻的所述双极板的所述氢气流道的氢气开口相对间隔设置。任意两个相邻的双极板之间设置一个所述反应单元。
[0009] 在一个
实施例中,每个所述第一石墨双极板包括阴极板和阳极板。所述阴极板包括相对设置的第一阴极表面和第二阴极表面。所述第一阴极表面开设所述空气流道。所述
第一阴极表面即为所述第一表面。所述阳极板包括相对设置的第一阳极表面和第二阳极表
面。所述第一阳极表面开设所述冷却流道。所述第二阳极表面即为所述第二表面。所述第二阳极表面开设所述氢气流道。所述第一阳极表面设置于所述第二阴极表面。
[0010] 在一个实施例中,所述冷却流道与所述氢气流道错位设置。
[0011] 在一个实施例中,采用激光雕刻法开设所述空气流道、所述氢气流道或所述冷却流道。
[0012] 在一个实施例中,采用高能
激光器在石墨双极板毛坯表面加工所述空气流道、所述氢气流道或所述冷却流道,以得到所述第一石墨双极板或所述第二石墨双极板。
[0013] 在一个实施例中,所述石墨双极板毛坯为模压柔性石墨
基板。
[0014] 在一个实施例中,每个所述反应单元包括相对设置的两个气体扩散层和膜电极。所述膜电极设置于两个所述气体扩散层之间。
[0015] 在一个实施例中,所述气体扩散层的厚度小于0.2mm。
[0016] 在一个实施例中,所述空气流道、所述氢气流道或所述冷却流道的宽度小于0.6mm。
[0017] 在一个实施例中,相邻的两个流道之间形成脊,所述脊的宽度小于0.6mm。
[0018] 在一个实施例中,所述第一石墨双极板和所述第二石墨双极板的厚度均不超过2mm。
[0019] 一种石墨双极板包括流道。相邻两个所述流道之间形成脊。所述流道的宽度小于0.6mm。所述脊的宽度小于0.6mm。
[0020] 一种气体扩散层,所述气体扩散层的厚度小于0.2mm。
[0021] 本申请实施例提供的所述燃料电池堆,包括顺次排布的多个第一石墨双极板、多个第二石墨双极板和多个反应单元。所述第一石墨双极板包括相对的第一表面和第二表
面。所述第一表面开设空气流道。所述第二表面开设氢气流道。所述第一表面和所述第二表面之间开设冷却流道。相邻的两个所述第一石墨双极板之间设置至少一个所述第二石墨双
极板。所述第二石墨双极板包括第三表面和第四表面。所述第三表面开设空气流道,所述第四表面开设氢气流道。任意双极板的所述空气流道的开口与相邻的所述双极板的所述氢气
流道的开口相对间隔设置。任意两个相邻的双极板之间设置一个所述反应单元。
[0022] 相对于
现有技术,所述第一石墨双极板和所述第二石墨双极板的厚度减薄。两个相邻石墨双极板与一个所述反应单元形成一个燃料电池单片。所述燃料电池单片的体积和
导热热阻减小。相邻的两个所述第一石墨双极板为中间的所述第二石墨双极板降温冷却,
可以保证良好的
散热效果。第二双极板厚度比第一双极板的厚度减小40%。单位体积内,所述燃料电池单片的数量增大,电能产量增加。所述燃料电池堆的功率密度增大,进而提高了燃料电池的性能。
附图说明
[0023] 图1为本申请一个实施例中提供的所述燃料电池堆的结构示意图;
[0024] 图2为本申请另一个实施例中提供的所述燃料电池堆的结构示意图;
[0025] 图3为本申请一个实施例中提供的气体扩散示意图;
[0026] 图4为本申请一个实施例中提供的致密流场电池
单体的性能测试图。
[0027] 附图标号:
[0028] 燃料电池堆 10
[0029] 空气流道 101
[0030] 空气开口 111
[0031] 氢气流道 102
[0032] 氢气开口 112
[0033] 冷却流道 103
[0034] 脊 104
[0035] 第一石墨双极板 20
[0036] 阴极板 210
[0037] 第二阴极表面 212
[0038] 阳极板 220
[0039] 第一阳极表面 221
[0040] 第一表面 201
[0041] 第二表面 202
[0042] 第二石墨双极板 30
[0043] 第三表面 301
[0044] 第四表面 302
[0045] 反应单元 40
[0046] 底部厚度 H
[0047] 气体扩散层 410
[0048] 膜电极 420
具体实施方式
[0049] 为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申
请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不
违背本申请内涵的情况下做类似改进,因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
[0050] 本文中为部件所编序号本身,例如“第一”、“第二”等,仅用于分所描述的对象,不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”,如无特别说明,均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺
时针”、“逆时针”等指示的方位或
位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本
申请的限制。
[0051] 在本申请中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接
接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0052] 请参见图1和图2,本申请实施例提供一种燃料电池堆10包括顺次排布的多个第一石墨双极板20、多个第二石墨双极板30和多个反应单元40。
[0053] 所述第一石墨双极板20包括相对的第一表面201和第二表面202。所述第一表面201开设空气流道101。所述第二表面202开设氢气流道102。所述第一表面201和所述第二表面202之间开设冷却流道103。
[0054] 相邻的两个所述第一石墨双极板20之间设置至少一个所述第二石墨双极板30。所述第二石墨双极板30包括相对的第三表面301和第四表面302。所述第三表面301开设所述
空气流道101。所述第四表面302开设所述氢气流道102。
[0055] 任意双极板的所述空气流道101的空气开口111与相邻的所述双极板的所述氢气流道102的氢气开口112相对间隔设置。任意两个相邻的双极板之间设置一个所述反应单元
40。
[0056] 本申请实施例提供的所述燃料电池堆10中所述第一石墨双极板20和所述第二石墨双极板30的厚度减薄。两个所述相邻双极板与一个所述反应单元40形成一个燃料电池单
片。所述燃料电池单片的体积和导热热阻减小。相邻的两个所述第一石墨双极板20为中间
的所述第二石墨双极板30降温冷却,可以保证良好的散热效果。第二双极板厚度比第一双
极板的厚度减小40%。单位体积内,所述燃料电池单片的数量增大,电能产量增加。所述燃料电池堆10的功率密度增大,进而提高了燃料电池的性能。
[0057] 功率密度是指燃料电池的额定功率或最大功率与燃料电池的体积或
质量之比,由此就有体积功率密度和质量功率密度两种。本
专利中提到的功率密度指体积功率密度。一
般情况下,体积功率密度增大,质量功率密度相应也会增大。
[0058] 现有技术中,金属双极板在使用过程中会析出
金属离子,
腐蚀质子交换膜,严重降低燃料电池的使用寿命。本申请中所述第一石墨双极板20和所述第二石墨双极板30均采用石墨材料。石墨双极板不会析出金属离子,不会对质子交换膜造成影响,经久耐用。
[0059] 所述第一石墨双极板20与所述第二石墨双极板30相邻时,所述第一石墨双极板20的所述空气流道101的空气开口111与所述第二石墨双极板30的所述氢气流道102的氢气开
口112相对间隔设置。所述第一石墨双极板20与所述第二石墨双极板30之间设置一个所述
反应单元40。
[0060] 两个所述第二石墨双极板30相邻时,一个所述第二石墨双极板30的所述空气流道101的空气开口111与另一个所述第二石墨双极板30的所述氢气流道102的氢气开口112相
对间隔设置。两个所述第二石墨双极板30之间设置一个所述反应单元40。
[0061] 所述氢气流道102用于流通氢气。所述空气流道101用于流通空气。所述冷却流道103用于流通冷却介质。
[0062] 所述反应单元40用于完成氢气与氧气的电化学反应,产生电能。电化学反应产生电能的同时也会放热,所述燃料电池堆10中的所述双极板和反应单元升温。所述冷却介质
用于为所述双极板和所述反应单元降温。
[0063] 在一个实施例中,每个所述第一石墨双极板20包括阴极板210和阳极板220。所述阴极板210包括相对设置的第一阴极表面和第二阴极表面212。所述第一阴极表面开设所述
空气流道101。所述第一阴极表面即为所述第一表面201。所述阳极板220包括相对设置的第一阳极表面221和第二阳极表面。所述第一阳极表面221开设所述冷却流道103。所述第二阳极表面即为所述第二表面202。所述第二阳极表面开设所述氢气流道102。所述第一阳极表
面221设置于所述第二阴极表面212。
[0064] 在一个实施例中,每个所述第一石墨双极板20包括阴极板210和阳极板220。所述阴极板210包括相对设置的第一阴极表面和第二阴极表面212。所述第一阴极表面开设所述
空气流道101。所述第一阴极表面即为所述第一表面201。所述第二阴极表面212开设所述冷却流道103。所述阳极板220包括相对设置的第一阳极表面221和第二阳极表面。所述第二阳极表面即为所述第二表面202。所述第二阳极表面开设所述氢气流道102。所述第一阳极表
面221设置于所述第二阴极表面212。
[0065] 在一个实施例中,所述冷却流道103与所述氢气流道102错位设置,提高了冷却介质
对流道之间的脊的冷却效率。
[0066] 在一个实施例中,所述冷却流道103与所述氢气流道102相对设置。
[0067] 在一个实施例中,采用激光雕刻法开设所述空气流道101、所述氢气流道102或所述冷却流道103。
[0068] 在一个实施例中,采用高能激光器在石墨双极板毛坯表面加工所述空气流道101、所述氢气流道102或所述冷却流道103,以得到所述第一石墨双极板20或所述第二石墨双极
板30。
[0069] 所述高能激光器包括纳秒、皮秒或飞秒激光器。所述高能激光器加工不产生机械
应力,不会在流道底部造成加工
缺陷,因此流道底部的厚度可以由传统石墨双极板的1mm水平降低到0.6mm,甚至更薄。
[0070] 在一个实施例中,所述石墨双极板毛坯为模压柔性石墨基板。所述模压柔性石墨基板包括粗加工流道。通过高能激光器对粗加工流道进行精细雕刻,流道底部厚度降低到
0.2mm,从而显著降低石墨双极板的厚度。双极板厚度减小一方面使燃料电池的体积减小,另一方面也使双极板的
电子传递阻抗减小、极化损失减小,从而提高了所述燃料电池堆的
功率密度,进而提高了燃料电池的性能。
[0071] 在一个实施例中,所述空气流道101和所述氢气流道102的底部厚度H均不超过0.5mm,以使所述空气流道101和所述氢气流道102所在的多个所述第一石墨双极板20、多个所述第二石墨双极板30均为超薄双极板。
[0072] 相邻的两个所述第一石墨双极板20之间设置至少一个所述第二石墨双极板30,以形成间隔冷却结构。
[0073] 现有技术中,石墨双极板燃料电池单片的厚度较厚。如果采用间隔冷却结构,没有冷却流道的双极板远离冷却介质。由于热阻与导热距离成正比,因此没有冷却流道的双极板的热量不容易被冷却介质带走。热量积累产生局部高温,降低了燃料电池的性能和寿命,因此在双极板减薄之前无法采用间隔冷却。
[0074] 在一个实施例中,所述第一石墨双极板20和所述第二石墨双极板30的厚度均不超过2mm。
[0075] 采用所述超薄双极板,燃料电池单片的厚度整体减小。即使采用间隔冷却,没有冷却流道的所述第二石墨双极板30与冷却介质距离较小。所述第二石墨双极板30的热量足够被冷却介质带走,也就不会产生上述的局部高温问题。
[0076] 采用高能激光器加工所述石墨双极板毛坯。高能激光使流道位置的石墨材料等离子化,以实现流道的雕刻。高能激光焦点处的光斑直径仅为十几到数十微米,可以加工出极细的流道。高能激光加工热效应小、无机械应力产生,不会对脊背和流道底部造成损伤。高能激光的
精度极高,可达几微米,满足致密流道场对加工精度的高要求。高能激光灵活且自动化程度高,可以全自动加工出各种复杂的流场。
[0077] 在一个实施例中,所述空气流道101、所述氢气流道102或所述冷却流道103的宽度小于0.6mm。
[0078] 在一个实施例中,相邻的两个流道之间形成脊104,所述脊104的宽度小于0.6mm。
[0079] 上述实施例中,所述空气流道101、所述氢气流道102或所述冷却流道103的宽度以及所述脊104的宽度较小,使得所述第一石墨双极板20和所述第二石墨双极板30表面形成
致密流场,提高了所述燃料电池堆10的功率密度,进而提高了燃料电池的性能。
[0080] 请一并参见图3,在一个实施例中,每个所述反应单元40包括相对设置的两个气体扩散层410和膜电极420。所述膜电极420设置于两个所述气体扩散层410之间。
[0081] 所述膜电极420由质子交换膜及其两侧的催化剂层组成。催化剂层是电化学反应进行的场所。氢气在阳极催化剂层发生氧化反应。氧气在阴极催化剂层发生还原反应同时
生成水。
[0082] 仅依靠流道不能保证气体均匀分配到催化剂层各处,因此在双极板和膜电极之间需要气体扩散层。气体扩散层是一层多孔介质,内部有很多微孔隙,流道内的反应物透过这些孔隙扩散到催化剂层。催化剂层生成的水也透过这些孔隙排出到流道中。气体扩散层的
作用是保证配气的均匀性,增大反应面积,以提高反应效率。
[0083] 气体主要沿垂直于气体扩散层的方向扩散,同时会有一部分气体平行于气体扩散层扩散。气体从流道扩散到脊背下方位置的催化剂层靠的就是平行扩散。对于传统的流道,由于加工工艺限制,脊背较宽。为了增大反应面积,需增加气体在气体扩散层中平行扩散的时间,进而需要增加气体扩散层的厚度。但越厚的气体扩散层对反应物传质阻力越大,会造成催化剂层反应物浓度降低,影响燃料电池性能。
[0084] 在一个实施例中,所述气体扩散层410的厚度小于0.2mm。由于多个所述第一石墨双极板20和多个所述第二石墨双极板30均采用致密流道,脊背的宽度减小。气体在所述气
体扩散层410的平行扩散距离减小,所述气体扩散层410的厚度小于0.2mm能够满足气体均
匀性的要求。
[0085] 请一并参见图4,在一个实施例中,采用高能激光加工后的致密流场双极板组成的电池单片的性能测试实验。采用致密流场后,相同
电流密度下燃料电池的极化损失减小、性能提升。我们对激光加工的致密流场单片进行了装堆测试。测试结果如图4所示,采用致密流场后,在1700mA/cm2的电流密度下,流道/脊背=0.2mm/0.2mm的单片
电压比流道/脊背=
1mm/1mm的单片电压高出200mV以上,足以说明致密流场单体与传统流场单体相比,功率密
度增大,进而提高了燃料电池的性能。这仅仅是由双极板采用致密流场带来的性能提升。若电池堆进一步采用超薄双极板以及超薄气体扩散层,传质阻抗和欧姆阻抗会进一步减小,
从而使极化损失进一步降低,性能进一步提升。
[0086] 下表对采用本技术方案前后双极板的厚度进行了对比:
[0087]部件名称 采用本技术方案前 采用本技术方案后
第一石墨双极板 5mm 1mm
第二石墨双极板 - 0.6mm
气体扩散层 0.45mm 0.2mm
平均单片厚度 6mm 1.3mm
[0088] 所述平均单片厚度是根据两种双极板的比例加权平均后得到的。
[0089] 如果两个所述第一石墨双极板20之间间隔一个所述第二石墨双极板30,则所述第一石墨双极板20与所述第二石墨双极板30的数量之比为1:1,则:
[0090] 所述平均单片厚度=所述反应单元厚度+所述第一双极板厚度/2+所述第二双极板厚度/2。
[0091] 如果两个所述第一石墨双极板20之间间隔两个所述第二石墨双极板30,则所述第一石墨双极板20与所述第二石墨双极板30的数量之比为1:2,则:
[0092] 所述平均单片厚度=所述反应单元厚度+所述第一双极板厚度/3+所述第二双极板厚度×2/3。
[0093] 使得平均单片厚度×单片数量即为燃料电池电堆的总厚度,便于与现有燃料电池单片的厚度进行比较。
[0094] 所述燃料电池堆10采用流道致密、流道底部减薄的所述第一石墨双极板20和超薄的气体扩散层410,增大了功率密度,提高了燃料电池的性能。
[0095] 本申请实施例提供一种石墨双极板包括流道。相邻两个所述流道之间形成脊。所述流道的宽度小于0.6mm。所述脊104的宽度小于0.6mm。单位面积内,流道数量增加。
[0096] 在一个实施例中,所述流道的底部厚度H均不超过0.5mm。所述石墨双极板的体积减薄。
[0097] 本申请实施例提供一种气体扩散层410,所述气体扩散层410的厚度小于0.2mm,应用于所述燃料电池堆,使得所述燃料电池堆的体积减小。以上所述实施例的各技术特征可
以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都
进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本
说明书记载的范
围。
[0098] 以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式,但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请构思的前提下,还可以做出若干
变形和改进,这些都属于本申请的保护范围。因此,本申请专利的保护范围应以所附
权利要求为准。