CN105428671B - 一种高功率密度pemfc电堆 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高功率密度PEMFC电堆，包括两侧的端板，固定在所述端板内侧的集电板，和重复堆叠在两侧集电板之间的若干片单元电池，每片所述单元电池均包括三合一膜电极和分布在所述三合一膜电极两侧的质子交换膜燃料电池专用极板，该专用极板的表面一面为平板面，另一面根据设计的流场压制有气体流场，其中，平板表面贴合在所述三合一膜电极上，流场表面紧密贴合在导电连接件上，所述导电连接件由金属材料或非金属材料制成。本发明的电堆不使用双极板，大幅度减少了电堆重量，提高了电堆比功率密度，降低了电堆的生产成本；提高了电堆的组装效率，加快了燃料电池产业化的脚步。

Description

一种高功率密度PEMFC电堆

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种高功率密度PEMFC（质子交换膜燃料电池）电堆。

背景技术

质子交换膜燃料电池是将氢气的化学能转化为电能的装置，其优点是产物是水，零排放无污染，噪音低，转化效率高。工作温度可在低温环境下运行，是移动电源和基站电源和固定电源的首选。传统的燃料电池，是由膜电极、双极板、集电板、端板和紧固件组成。由于聚合物膜燃料电池单片电压低，在实际应用中，是由多个电池单元叠加在一起进行串联起来，形成电堆。

轻质化和结构紧凑化是燃料电池未来发展的重点之一，目前的燃料电池由于体积、重量等原因，只能在一些特定场所适用，极大的制约了燃料电池的推广应用，如何减轻燃料电池电堆的重量，提高燃料电池体积能量密度，将燃料电池应用范围更广泛，成为目前急需解决的重要问题。

双极板是燃料电池部件中最重的构件，主要起支撑和分配气体的作用。传统的双极板基本上是石墨双极板或金属双极板，重量占电堆重量一半以上，体积占燃料电池体积的30%--70%左右，使得燃料电池重量与体积偏大，限制燃料电池应用范围与领域，在当今对燃料电池的体积密度和重量密度要求接近苛求的条件下，越来越制约燃料电池的商业化脚步。因此，燃料电池电堆轻质化和紧凑化的问题重点便在于对燃料电池传统双极板结构的改造。

目前市场上的燃料电池中，还很少见不使用双极板直接组装电堆的，即使有，也是出于一定的目的使用其它装置来代替双极板，比如公开号为CN 102422469 A的一件发明专利申请，便公开了一种未设置双极板的电堆，具有固体聚合物电解质膜和夹持所述聚合物电解质膜的一对催化剂层。固体聚合物电解质膜和催化剂层的层压体由一对气体扩散层进一步夹持。相邻的催化剂层和气体扩散层构成气体扩散电极。固体聚合物电解质膜和一对气体扩散电极进一步以层压状态构成膜电极组件（MEA）。MEA进一步由一对隔离膜夹持。该隔离膜通过以下方式来获得：将冲压成型工艺应用在厚度0.5mm以下的薄板上，成型为凹凸形状。从MEA 侧观察到的隔离膜的凸部与MEA接触。从MEA 侧观察到的隔离膜的凹部用作在燃料电池运行期间气体通过用气体通路。该公开文件中，包括电解质膜层、催化剂层、气体扩散层和最外侧的隔离膜，其中虽然未设置双极板，然而隔离膜不论从形状上还是功能上与双极板所起的作用都是一致的，相比双极板减轻了一些重量，但仍占据一定的重量与体积，并不能从根本上解决问题。

发明内容

发明目的：基于目前的燃料电池双极板的状况和市场对燃料电池的能量密度要求，本发明提供一种高功率密度PEMFC电堆的结构，减轻电堆的重量与体积，提高电堆的能量密度，拓宽电堆的应用领域，为电堆的商业化奠定了坚实的基础。

技术方案：本发明所述高功率密度PEMFC电堆，包括两侧的端板，固定在所述端板内侧的集电板，和重复堆叠在两侧集电板之间的若干片单元电池，其特征在于，每片所述单元电池均包括三合一膜电极和分布在所述三合一膜电极两侧的质子交换膜燃料电池专用极板，该专用极板的表面一面为平板面，另一面根据设计的流场压制有气体流场，其中，平板表面涂覆导电缓冲层后贴合在所述三合一膜电极上，流场表面紧密贴合在导电连接件上，所述导电连接件由金属材料或非金属材料制成，外部表面设置有导电镀层，传导电流，内部具有冷却液流场，冷却电堆；

所述质子交换膜燃料电池专用极板由如下组分制备而成：

碳纤维短纤 40~60份；

树脂 4~18份；

碳粉 10~40份；

造孔剂 0.5~1.5份；

增强剂DH-4 1.5~2.5份，

各组分以重量份计。

在本发明中，质子交换膜燃料电池专用极板不仅起到将气体扩散到三合一膜电极进行反应的作用，还在表面压制有流场，无需设置双极板，即可对气体进行均匀分布，集合传统燃料电池中的气体扩散层和双极板为一体，大幅度减轻电堆的重量。而为了防止氢气与氧气在电堆里面泄漏与混合，又在两片单元电池之间设置了具有密封、冷却和导电性能的导电连接件。

本发明进一步优选地技术方案为，所述三合一膜电极两侧的质子交换膜燃料电池专用极板分别为阳极专用极板和阴极专用极板，所述阳极专用极板表面的流场深度为0.3~1 mm，所述阴极专用极板表面的流场深度为0.5~2 mm。

进一步地，所述阳极专用极板和阴极专用极板的平板表面对称叠放在三合一膜电极两侧。

进一步地，所述质子交换膜燃料电池专用极板的制备方法为：

（1）混料：将碳纤维短纤与树脂混合，并搅拌均匀后，再加入碳粉、造孔剂、增强剂DH-4，继续搅拌；

（2）压制：根据设计的流场形状与尺寸，将步骤（1）处理后混合物放入模具内压制成一面为平板面，另一面具有流场结构的极板，该极板厚度为0.6~3 mm，孔隙率为50%~80%，孔径为0.1μm~3μm；

（3）石墨化：将压制成型的极板进行高温石墨化处理，石墨化条件为：高温1800---2300℃，氮气保护或者在真空氛围内，完成后冷却待用；

（4）疏水：将石墨化后的极板放入10%~60%的PTFE溶液中浸泡，沥干后，在300~400℃下灼烧疏水处理，完成后冷却，得到该质子交换膜燃料电池专用极板。

优选地，电堆两侧的两块端板之间还设置有L型定位支撑件，所述L型定位支撑件将若干片所述单元电池固定支撑在两侧端板之间。

进一步地，所述L型定位支撑件为4个，分别固定在所述端板的四个角上。

优选地，单元电池之间通过导电连接件隔开，所述导电连接件的两面四周具有与单元电池相匹配的密封垫，用于电堆密封。

优选地，电堆两侧的两块端板之间通过工字型紧固件固定，将两块端板之间的若干片单元电池压贴固定。

本发明的工作原理是：由于燃料电池的单片电压较低，需要将单片电池进行叠加串联在一起形成电堆。氢气与氧气分别由各自的进气口进入电堆，在专用极板流场的作用下均匀分布，并通过专用极板的孔隙扩散到膜电极的表面进行相应的电化学反应，产生的水通过专用极板的孔隙扩散到对应的流场中，经流场排出。

有益效果：（1）本发明的电堆不使用双极板，使用轻质化的极板代替传统的双极板和气体扩散层，大幅度减少了电堆重量，提高了电堆比功率密度，与传统的电堆相比较，本发明组成的风冷的电堆功率密度＞2.1kw/L，水冷的电堆＞3.2kw/L；同时由于本发明的电堆不使用双极板，降低了电堆的体积，拓宽了质子交换膜燃料电池应用领域；减少了电堆配件数量和电堆内部的接触电阻，提高电堆的性能；提高了电堆的组装效率，加快了质子交换膜燃料电池产业化的脚步；

（2）本发明在两侧端板之间设置L型定位支撑件，在专用极板内加入增强剂，可确保专用极板完成电堆的支撑，在不设置双极板的前提下，保持结构稳固，外部支撑有利于减轻电堆的重量与体积，提高了电堆的比体积密度和比重量密度。

附图说明

图1为本发明所述高功率密度PEMFC电堆的内部结构示意图；

图2为本发明所述高功率密度PEMFC电堆的外形图。

其中：1-端板、2-集电板、3-膜电极、4-阳极专用极板、5-阴极专用极板、6-导电缓冲层、7-导电连接件、8-L型定位支撑件、9-工字型紧固件、41-阳极气体流场、51-阴极气体流场。

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：一种高功率密度PEMFC电堆，包括两侧的端板1，固定在端板1内侧的集电板2，和重复堆叠在两侧集电板2之间的若干片单元电池，每片单元电池包括三合一膜电极3和分别分布在膜电极两侧的阳极专用极板4和阴极专用极板5；

阳极专用极板4的厚度为0.6~3 mm，孔隙率为50~80%，孔径为0.1~3μm，其表面一面为平板面，表面涂布有厚度为10~700μm导电缓冲层6，另一面根据设计的流场压制有阳极气体流场41，流场深度为0.3~1 mm。

优选地，阳极专用极板4的厚度为1.2 mm，孔隙率为70%，孔径为1.5 μm，阳极气体流场41的深度为0.6 mm，阳极气体流场41形成的流场为蛇形流场。

阴极专用极板5的厚度为0.6~3 mm，孔隙率为50~80%，孔径为0.1~3μm，其表面一面为平板面，表面涂布有厚度为10~700μm导电缓冲层6，另一面根据设计的流场压制有阴极气体流场51，流场深度为0.5~2 mm。

优选地，阴极专用极板5的厚度为1.2 mm，孔隙率为65%，孔径为2 μm，其平板表面的导电缓冲层厚度为100μm阴极气体流场51的深度为1 mm，阴极气体流场51形成的流场为蛇形流场。

阳极专用极板4的平板表面贴合在三合一膜电极3上，最外侧的一片单元电池的阳极专用极板4的流场表面通过导电连接件7贴合在一侧的集电板2上，其余单元电池的阳极专用极板4的流场表面通过导电连接件7贴合在另一片单元电池的阴极专用极板5上。

阴极专用极板5的平板表面贴合在三合一膜电极3上，最外侧的一片单元电池的阴极专用极板5的流场表面通过导电连接件7贴合在另一侧的集电板2上，其余单元电池的阴极专用极板4的流场表面通过导电连接件7贴合在另一片单元电池的阳极专用极板5上。

导电连接件7用金属材料或非金属材料制成，外部表面设置有导电镀层，传导电流，内部具有冷却液流场，冷却电堆。

两侧的端板1之间还设置有四个L型定位支撑件8，分别固定在端板1的四个角上，L型定位支撑件8将若干片单元电池固定支撑在两侧端板1之间；同时两块端板1之间通过工字型紧固件9固定，将两块端板1之间的若干片单元电池压贴固定。

在本实施例中质子交换膜燃料电池专用极板包括如下组分：

碳纤维短纤 40~60份；

树脂 4~18份；

碳粉 10~40份；

造孔剂 0.5~1.5份；

增强剂DH-4 1.5~2.5份，

各组分以重量份计。

优选地，碳纤维短纤为49份；树脂为10份；碳粉为38份；造孔剂为1份；增强剂DH-4为2份。

该质子交换膜燃料电池专用极板具体制备方法为：

（1）混料：将碳纤维短纤与树脂混合，并搅拌均匀后，再加入碳粉、造孔剂、增强剂DH-4，继续搅拌；

（2）压制：根据设计的流场形状与尺寸，将步骤（1）处理后混合物放入模具内压制成一面为平板，另一面具有流场结构的极板，该极板厚度为0.6~3 mm，孔隙率为50%~80%，孔径为0.1μm~3μm；

（3）石墨化：将压制成型的极板进行高温石墨化处理，石墨化条件为：高温1800~2300℃，氮气保护或者在真空氛围内，完成后冷却待用；

（4）疏水：将石墨化后的极板放入10%~60%的PTFE溶液中浸泡，沥干后，在300~400℃下灼烧疏水处理，完成后冷却，得到该专用极板。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (8)

1.一种高功率密度PEMFC电堆，包括两侧的端板，固定在所述端板内侧的集电板，和重复堆叠在两侧集电板之间的若干片单元电池，其特征在于，每片所述单元电池均包括三合一膜电极和分布在所述三合一膜电极两侧的质子交换膜燃料电池专用极板，该专用极板的表面一面为平板面，另一面根据设计的流场压制有气体流场，其中，平板表面涂覆导电缓冲层后贴合在所述三合一膜电极上，流场表面紧密贴合在导电连接件上，所述导电连接件由金属材料或非金属材料制成，外部表面设置有导电镀层，传导电流，内部具有冷却液流场，冷却电堆；

所述质子交换膜燃料电池专用极板由如下组分制备而成：

碳纤维短纤 40~60份；

树脂 4~18份；

碳粉 10~40份；

造孔剂 0.5~1.5份；

增强剂DH-4 1.5~2.5份，

各组分以重量份计。

2.根据权利要求1所述的高功率密度PEMFC电堆，其特征在于，所述三合一膜电极两侧的质子交换膜燃料电池专用极板分别为阳极专用极板和阴极专用极板，所述阳极专用极板表面的流场深度为0.3~1 mm，所述阴极专用极板表面的流场深度为0.5~2 mm。

3.根据权利要求2所述的高功率密度PEMFC电堆，其特征在于，所述阳极专用极板和阴极专用极板的平板表面对称叠放在三合一膜电极两侧。

4.根据权利要求1所述的高功率密度PEMFC电堆，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池专用极板的制备方法为：

（1）混料：将碳纤维短纤与树脂混合，并搅拌均匀后，再加入碳粉、造孔剂、增强剂DH-4，继续搅拌；

（2）压制：根据设计的流场形状与尺寸，将步骤（1）处理后混合物放入模具内压制成一面为平板面，另一面具有流场结构的极板，该极板厚度为0.6~3 mm，孔隙率为50%~80%，孔径为0.1μm~3μm；

（3）石墨化：将压制成型的极板进行高温石墨化处理，石墨化条件为：高温1800---2300℃，氮气保护或者在真空氛围内，完成后冷却待用；

（4）疏水：将石墨化后的极板放入10%~60%的PTFE溶液中浸泡，沥干后，在300~400℃下灼烧疏水处理，完成后冷却，得到该质子交换膜燃料电池专用极板。

5.根据权利要求1所述的高功率密度PEMFC电堆，其特征在于，电堆两侧的两块端板之间还设置有L型定位支撑件，所述L型定位支撑件将若干片所述单元电池固定支撑在两侧端板之间。

6.根据权利要求5所述的高功率密度PEMFC电堆，其特征在于，所述L型定位支撑件为4个，分别固定在所述端板的四个角上。

7.根据权利要求1所述的高功率密度PEMFC电堆，其特征在于，单元电池之间通过导电连接件隔开，所述导电连接件的两面四周具有与单元电池相匹配的密封垫，用于电堆密封。

8.根据权利要求1~7任意一项所述的高功率密度PEMFC电堆，其特征在于，电堆两侧的两块端板之间通过工字型紧固件固定，将两块端板之间的若干片单元电池压贴固定。