一种基于塑料双极板的质子交换膜燃料电池电堆

技术领域

本发明属于燃料电池应用领域，具体涉及一种基于塑料双极板的质子交换膜燃料电池电堆。

背景技术

随着经济的发展，世界各国对能源的需求也在日益增大。我国作为能源消费大国，我国未来能源消费总量将于2040年达到美国的两倍。目前全球的能源消费仍以化石能源为主，而化石能源正在逐年减少，同时化石能源的大量消耗造成了严重的环境问题。针对这一现状，我国已经开始了经济结构的调整，正在转向低能耗、环境友好的经济发展模式。质子交换膜燃料电池是一种将化学能直接转变为电能的清洁能源技术，具有能量转化效率高、运行温度低、启动快和能量密度高等优点，可广泛应用于航空、航天、航海、轨道交通、电子设备和备用电源等领域，特别是在新能源汽车领域PEMFCs有重要的应用价值。燃料电池汽车通过氢气发电提供动力，不使用汽柴油，可摆脱化石能源的制约。我国原油的对外依存度已经超过了70％，燃料电池汽车的大规模商业化可以减少对进口原油的依赖，并改善我国的能源消费结构。另外，不同于传统内燃机汽车，燃料电池汽车不排放有害气体和颗粒物，环境友好，有利于雾霾的根治。

双极板作为燃料电池的核心部件之一，具有支撑作用，这要求双极板具有一定的机械特性。同时双极板表面刻有流道，可以传输反应气体或者将反应产生的水排出电池，此外双极板应该具有导电和集流作用。目前普遍使用的双极板为石墨双极板尽管石墨具有高的耐腐蚀性和导电性，但它的气体渗透性较大且易碎。Radzuan等人制备碳复合材料，碳复合材料由聚合物粘合剂和导电碳填充物组成，前者提供机械强度和不透气性，并且后者提供了电子和热的传导途径。但是构成碳的填料低于一定值，则这类材料的电导率或导热率会降低，且成本特较高(Composites Part B Engineering，2017，110，153-160)。金属板则是另一种被广泛使用的双极板材料，但需要面对的主要问题是在酸性环境下的耐久性。防护涂层是普遍使用提高金属双极板耐腐蚀性的技术，Yang等制备了纳米晶体Nb

综上所述，目前使用的双极板多为石墨材料或金属材料，制备工艺复杂且成本较高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于塑料双极板和导电介质搭建成的质子交换膜燃料电池电堆，塑料无论成本或者加工工艺均廉价易得，且性质稳定能够在燃料电池工作环境下稳定存在，适用于质子交换膜燃料电池。

本发明技术方案如下：

一种基于塑料双极板的质子交换膜燃料电池电堆，所述双极板为塑料材质，所述双极板上、下表面中心位置分别相对应设有大小形状相同的阳极流场和阴极流场，阳极流场和阴极流场表面刻有流道，相邻两个流道之间的部分为流道间脊，流场周围以及流道间脊表面均覆盖有导电介质，且通过导电介质导通同一个双极板两侧的阳极流场和阴极流场以及电堆中相邻两个双极板的阳极流场和阴极流场；双极板上还设有气体进、出口，气体进、出口通过通道与流道相连通，气体进、出口贯穿双极板设置。

进一步地，上述技术方案中，所述气体进、出口包括阳极流场气体入口、阳极流场气体出口、阴极流场气体入口和阴极流场气体出口，阳极流场气体入口与阳极流场气体出口位于流场的一个对角，且通过通道与阳极流场的流道相连通，阴极流场气体入口与阴极流场气体出口位于流场的另一个对角，且通过通道与阴极流场的流道相连通；所述气体进、出口的位置与端板上气体进、出口的位置相对应。

进一步地，上述技术方案中，所述双极板的四个角分别设有通孔。

进一步地，上述技术方案中，电堆由若干双极板、密封垫、膜电极和端板组成，密封垫覆盖在双极板两侧的流场上，并使流场的流道内以及通道内气体密闭，在相邻两个双极板的密封垫之间放置膜电极，并使膜电极位于相邻两个双极板的流场之间，将数个包夹了膜电极的双极板堆叠在一起，两侧放置端板，将表面包裹绝缘套的螺栓穿过端板上的通孔以及双极板上的通孔，以固定端板和双极板，组装成电堆。

使用适宜长度的螺丝，并在其表面包裹绝缘套，防止短路。

进一步地，上述技术方案中，所述流道和流道间脊等宽，均为0.5-1mm；流道深度为1-2mm。

进一步地，上述技术方案中，所述塑料材质包括聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯。所述塑料材料需要一定的温度承受能力，以及能够在燃料电池工作的酸性环境中稳定存在。

进一步地，上述技术方案中，所述导电介质包括碳布、碳导电胶带、金属导电胶带或金属丝。导电介质需满足，厚度薄、柔韧性好，接触电阻小，导电性好。

使用柔韧性好且较薄的导电介质覆盖到双极板两侧流场表面，为保证气体的正常传输将流道部分暴露，而将流道中间的脊覆盖导电介质。这样能够保证气体扩散层与导电介质的接触面积，起到了集流与传输电子的作用，从而使燃料电池电堆在此状态下能够正常工作。

进一步地，上述技术方案中，所述密封垫包括聚四氟乙烯薄垫、硅胶垫。密封垫可防止阴阳极的气体交叉从而形成危险。将膜电极放入相邻两个密封垫之间，调整位置使其能够在流道上方，从而能够有效利用反应气体。

进一步地，上述技术方案中，所述阳极流场和阴极流场包括平行流场、蛇形流场、交指形流场、三维微型格子流场。

本发明搭建的燃料电池电堆使用塑料材料作为双极板，仅保留双极板的支撑和传输气体作用，使用柔韧性好、厚度较薄、价格低廉的导电介质完成集流和传导电子的作用，由于塑料和所述导电介质原材料获取容易且加工工艺简单，成本低廉、方便易得。搭建出的燃料电池电堆与石墨材料搭建的燃料电池电堆性能相近。

附图说明

图1是实施例1所述基于塑料双极板的质子交换膜燃料电池电堆结构示意图。

图2是实施例1所述双极板阳极流场侧结构示意图。

图3是实施例1所述双极板阴极流场侧结构示意图。

图中，1、双极板；2、阳极流场；3、流道；4、流道间脊；5、导电介质；6、阳极流场气体入口；7、阳极流场气体出口；8、阴极流场气体入口；9、阴极流场气体出口；10、通道；11、通孔；12、阴极流场。

图4是本发明实施例3所搭建的塑料双极板与现有技术的石墨双极板的性能对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。

实施例1

如图1-3所示，一种基于塑料双极板的质子交换膜燃料电池电堆，电堆由若干双极板、密封垫、膜电极和端板组成，密封垫覆盖在双极板两侧的流场上，并使流场的流道内以及通道内气体密闭，在相邻两个双极板的密封垫之间放置膜电极，并使膜电极位于相邻两个双极板的流场之间，将数个包夹了膜电极的双极板堆叠在一起，两侧放置端板，将表面包裹绝缘套的螺栓穿过端板上的通孔以及双极板上的通孔11，以固定端板和双极板，组装成电堆。

所述双极板1为塑料材质，所述双极板上、下表面中心位置分别相对应设有大小形状相同的阳极流场2和阴极流场12，阳极流场2和阴极流场12表面刻有流道3，相邻两个流道3之间的部分为流道间脊4，流场周围以及流道间脊表面均覆盖有导电介质5，且通过导电介质5导通同一个双极板两侧的阳极流场和阴极流场以及电堆中相邻两个双极板的阳极流场和阴极流场；双极板上还设有气体进、出口，气体进、出口通过通道10与流道相连通，气体进、出口贯穿双极板设置。

所述气体进、出口包括阳极流场气体入口6、阳极流场气体出口7、阴极流场气体入口8和阴极流场气体出口9，阳极流场气体入口与阳极流场气体出口位于流场的一个对角，且通过通道与阳极流场的流道相连通，阴极流场气体入口与阴极流场气体出口位于流场的另一个对角，且通过通道与阴极流场的流道相连通；所述气体进、出口的位置与端板上气体进、出口的位置相对应。

所述双极板的四个角分别设有通孔11。

所述流道3和流道间脊4等宽，均为0.5-1mm；流道3深度为1-2mm。

实施例2

所述基于塑料双极板的质子交换膜燃料电池电堆通过如下方法搭建：

(1)设计、加工塑料双极板

设计双极板的尺寸、流场形状，选定一种塑料材料进行加工。双极板形状为矩形，双极板中心设有阳极流场和阴极流场，并设有阳极入口、阳极出口、阴极入口、阴极出口，各个气体进出口设计位置与端板相对应。阴极阳极流场表面均刻有流场，流道宽度为0.5-1mm，流道间脊宽为0.5-1mm，流道深度为1-2mm。在双极板四角打孔用于安装螺丝以便进行固定和搭建。

所述塑料材料需要一定的温度承受能力，以及能够在燃料电池工作的酸性环境中稳定存在。可为聚乙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯等。

所述流场可以为平行流场、蛇形流场、交指形流场、三维微型格子流场等

(2)导电作用

使用柔韧性好且较薄的导电介质覆盖到双极板两侧流场表面，为保证气体的正常传输将流道部分暴露，而将流道中间的脊覆盖导电介质。这样能够保证气体扩散层与导电介质的接触面积，起到了集流与传输电子的作用，从而使燃料电池电堆在此状态下能够正常工作。

所述导电介质可为碳布、金属丝、导电胶带。

(3)搭建燃料电池电堆

使用适宜长度的螺丝，并在其表面包裹绝缘套，防止短路。

采用聚四氟乙烯薄垫、硅胶垫作为密封装置，防止阴阳极的气体交叉从而形成危险。将膜电极放入相邻两个密封垫之间，调整位置使其能够在流道上方，从而能够有效利用反应气体。

实施例3

选用聚四氟乙烯作为双极板材料并对其进行加工，双极板形状为矩形，双极板中心设有阳极流场和阴极流场，并设有阳极入口、阳极出口、阴极入口、阴极出口，各个气体进出口设计位置与端板相对应。表面刻有流场，流场形状设计为蛇形流场，流道宽度为1mm，流道间肋宽为1mm，流道深度为1mm，流场面积共计21mm*20mm。

在双极板四角打孔用于安装螺丝以便进行固定和搭建。选用铜导电胶带作为导电介质，导电胶带大小为110mm*21mm，使其覆盖到双极板两侧流场表面，将流道位置留出仅保留流道间脊处的导电胶带。聚四氟乙烯薄垫、硅胶垫作为密封装置，防止阴阳极的气体交叉从而形成危险。将膜电极放入相邻两个密封垫之间，调整位置使其能够在流道上方，从而能够有效利用反应气体。

本实施例所搭建的塑料双极板与市购的石墨双极板的性能对比图如图4所示，本发明所述塑料双极板的性能与石墨双极板想接近，相比于石墨双极板，塑料双极板成本更低，搭建方法更简单，方便易得，易于批量化生产。