CN2886818Y - 用于燃料电池堆及电解反应堆的复合流道板 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于电化学领域，它涉及质子交换膜燃料电池堆及电解反应堆中流道板。该流道板与通常的双极板不同，它是一种三层结构的流道板。流道板中层为绝缘连接片，上下为导电金属片，复合流道板的中间流道是上下贯通的。两个导电金属片电极根据使用场合可以直接连接或不直接相连，并同为相邻单电池的阴极或阳极，但都共用一个流道。结果流道板可以做得很薄，以致单电池厚度甚至可以做到1mm以下，为现有单电池厚度的二分之一左右。从而可以大幅减少燃料电池堆或电解反应堆的体积，为燃料电池堆及电解反应堆的实用化提供更有利的技术支撑。

Description

用于燃料电池堆及电解反应堆的复合流道板

技术领域

本实用新型属于电化学领域，它涉及质子交换膜燃料电池堆及电解反应堆中流道板。

背景技术

质子交换膜燃料电池堆是一种能量转化装置，它将化学能直接转化成电能，对外供电。

在电池堆中主要有两部份，一是膜电极，简称MEA，该膜电极是在一质子交换膜的两边分别附着一层催化剂，其中一层催化剂为阳极催化剂，可以将燃料如甲醇和氢气氧化，产生的电子通过外电路转移至另一层催化剂，即阴极催化剂，由催化剂传递给氧气，将氧气还原。阳极氧化产生的质子通过质子交换膜传递到阴极，与阴极产生的氢氧离子结合形成水。电池堆中另一主要部份是双极板，它的功能一方面是为燃料或氧化剂及反应产物提供通道，以利于反应的连续运行，另一方面是为反应中产生的电子提供通道，还有一方面是在空间上分离开燃料和氧化剂，避免它们混合在一起。这样的燃料电池堆只有一种组合方式，即各个单电池是串联在一起的，电池堆的电压是各个单电池的电压之和。在电池堆中还包括其它的部件，如端板、密封垫、连接杆等辅助部件。

一般电池堆的基本结构正如张海峰等人在文章“千瓦级质子交换膜燃料电池(电源技术：Vol.27 No.4，p348，8月.2003年)”中所显示的一样，在电池堆中主要包含有如下组件：两块端板，两个集流板，多个双极板，多个膜电极，连接杆以及外电路和辅助设备。它们按如下顺序排列：端板-集流板-质子交换膜电极-双极板-质子交换膜电极-……-集流板-端板，由连接杆固定，组成电池堆，省略号表示重复单元，每一个重复单元包括一个质子交换膜电极和一个双极板。双极板作为电子和反应物的传输通道并作为电池的支撑体，其厚度一般在2.5～5mm之间，材质为石墨板或金属板。双极板上下表面均各自加工出流道，上下流道不相连通。图2(1)为一种双极板的单面正视图，其表面有一单通流道，图2(2)为该双极板中部单面侧视图，可以看出两边的流道是不相连通的。双极板在电池中分别与相邻单电池的阴极和阳极相连，结果形成一串联电路，由于双极板需要将氧气和燃料分开，同时还要为它们提供足够的运输通道，所以双极板不可能做得太薄，否则将产生很大的传输阻力，使得电池不能正常运行。双极板的厚度就直接影响了燃料电池堆的大小。如何在保证效率的前提下减少双极板厚度是一个令无数专家注目的课题。它成了当今燃料电池能否实用的瓶颈之一

电解反应的工作原理正好是燃料电池的逆过程，因此电解反应堆可以利用同样的电池结构，只是选用的催化剂体系不同。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种用于燃料电池堆及电解反应堆的复合流道板。

为了在保证效率的基础上减小反应堆的体积，即主要是减小双极板的厚度。本实用新型为了达到这一目的，采用了一种复合流道板。如图3所示，该复合流道板中层为绝缘连接片30，上下两层为导电金属片20。其外观如图4-1、4-2、4-3，图5-1、5-2、5-3，图6-1、6-2、6-3所示，分别为三种不同结构的复合流道板的正面视图、侧视图和反面视图。

从图中可以看出，复合流道板的最明显特征是：中层是绝缘片30，将上下两导电片层20隔开。复合流道板的中间流道如图4-1中的8在中间部份是上下贯通的。从图4-1中40处放大图4-1-1可以看出：只是在流道的两边还有一薄层10用于固定中间流道8，这一薄层的厚度小于复合流道板的厚度。两层导电片分别与两个单电池质子交换膜电极的催化剂层接触，当两个导电片分别与邻近单电池的相反极性电极导电片相接时，如图1-1所示，可以组成一个正负极相连的串联电路的燃料电池堆及电解反应堆；当所有阳极导电片连在一起，所有阴极导电片连在一起时，如图1-2所示，可以组成一个大的单电池，电压只有一个单电池大，但电流是各个单电池的总和；当采用其它的方式连接时，还可以获得不同的电压与电流输出的燃料电池堆及电解反应堆。燃料或者氧化气体在复合流道板的中间流道8中通过时，将同时为两个电极提供反应物。由于在同样的压力下，气体或液体的流量近似与流道尺寸的立方成正比，所以只要复合流道板的厚度比同样场合双极板单流道厚度大不到30％，即可获得与双极板同样的效果。这样就减少了将近一个流道的厚度及双极板中间阻隔层的厚度，从而复合流道板的厚度可在现有双极板厚度的二分之一左右，整体燃料电池的体积和重量将减小将近一半。

复合流道板中间绝缘片30层可以是在酸性条件和电池工作温度下不腐蚀、不溶解、不导电的塑料、树脂。例如不饱和聚脂树脂、尼龙树酯、聚碳酸酯、聚四氟乙烯以及其它的聚烯烃类，还有聚酰亚胺及其它的绝缘漆。上下两层导电片层20可以是在在酸性条件和电池工作温度下不腐蚀、不溶解、保持良好导电性的金属，这样的金属有不锈钢、钛片，可以在它们表面镀贵金属金、银、铂，或者在钛片表面进行氮化处理。

这样构成的燃料电池堆的结构如下：端板1-单极板2-质子交换膜电极3-复合流道板-质子交换膜电极3-……-单极板2-端板1，由连接杆5固定，组成电池堆，其中“质子交换膜电极3-复合流道板”组成重复单元，若干重复单元组合成燃料电池堆或电解反应堆。

反应物由端板1导入电池堆，通过单极板2、由复合流道板的物料通道6进入各个单电池，由其中一个通道6输入，通过复合流道板中间流道8，由另一个物料通道6流出，再经由单极板2、端板1流出电池堆。

本实用新型所描述的复合流道板的厚度，根据反应面积的大小，可以在0.2～6毫米之间调整，比较适合的复合流道板厚度为1～3毫米。复合流道板中间绝缘片30的厚度为：0.1毫米至复合流道板总厚度的99％以下，它的主要作用是隔开两导电片20并参与构筑流道8。复合流道板的中间流道8的宽度和流道之间的宽度与通用双极板的流道宽度相近，在0.2～2mm之间，通常为1～1.5毫米，中间流道8可以加工成单通直流道，如图4-1所示，也可以加工成普通直流道，如图5-1所示，或者双通流道，如图6-1所示。加工成其它曲线流道也是可以的。电池堆其它部件的外观尺寸与复合流道板的大小相一致。

附图说明

图1-1和图1-2是质子交换膜燃料电池堆装配图的示意图；

图2(1)为一种双极板的单面正视图；

图2(2)为该双极板中部单面侧视图；

图3是复合流道板的侧面示意图；

图4-1、图5-1、图6-1为三种不同复合流道板的表面主视图；

图4-2、图5-2、图6-2分别为三种不同复合流道板的侧面图；

图4-3、图5-3、图6-3分别为三种不同复合流道板的背面视图；

图4-1-1是图4-1的40局部放大图；

本实用新型的技术方案结合附图描述如下：

附图1-1和图1-2是质子交换膜燃料电池堆装配图的示意图，由多个单电池重复单元组成电池堆。其中101，102，103，104均为复合流道板。采用这种复合流道板，可以进行不同的组合，这是普通双极板无法实现的。如当101的左端负极与102的左端正极相连，当101的右端负极与102的右端正极相连，其它与此类似相连，如图1-1所示，即为一由各个单电池串联组成的电池堆。当图中正极单极板与图中102、104等相连，负极单极板与101、103等相连，同时复合流道板100的两电极也相连时，如图1-2所示，即组成为一个由各单电池并联在一起的电池堆。

附图3是复合流道板的侧面示意图，可以看出它是由三层组成的。中间为绝缘层30，左右为导电片层20。此图也是说明书附图。

图4-1、图5-1、图6-1为三种不同复合流道板的主视图，上面加工出上下贯通的中间流道8，进出物料孔6，用于进出冷却介质的孔7，以及接线端9。图4-2、图5-2、图6-2分别为复合流道侧面图。图4-3、图5-3、图6-3分别为复合流道板的背面视图，该面与中间层相接触。中间层由绝缘材料制成，其形状与表面导电片层20的背面形状一致。上下两层由耐腐金属片制成。

具体实施方式

实施例1：

一种用于质子交换膜燃料电池堆及电解反应堆的复合流道板，该复合流道板的中间层30为绝缘片层，本实例采用的是聚四氟乙烯；上下两层为导电金属片20，本实例采用的是不锈钢片；导电金属不锈钢片与质子交换膜电极的催化剂层相接触；本实例的复合流道板的中间加工有上下贯通的流道8，当反应物流过流道时，将同时为上下两个催化剂层提供反应物，并带走产物。

中间绝缘片层30还可以是在酸性条件和电池工作温度下不腐蚀、不溶解、不导电的塑料、树脂：例如不饱和聚脂树脂、尼龙树酯、聚碳酸酯、聚四氟乙烯以及其它的聚烯烃类，还有聚酰亚胺及其它的绝缘漆；上下两层导电片层20可以是在在酸性条件和电池工作温度下不腐蚀、不溶解、保持良好导电性的金属片，这样的金属片有不锈钢片、钛片，可以在它们表面镀贵金属如金、银、铂，或者在钛片表面进行氮化处理。

如图5-1所示，本实例的复合流道板的中间加工有上下贯通的流道8，进出物料孔6，用于进出冷却介质的孔7，以及接线端9。图5-1为实施例采用的复合流道板的尺寸。

Claims (3)

1、一种用于质子交换膜燃料电池堆及电解反应堆的复合流道板，其特征是该复合流道板的中间层为绝缘片层，上下两层为导电金属片；复合流道板的中间加工有上下贯通的流道(8)，为质子交换膜燃料电池堆及电解反应堆中的上下两个催化剂层提供反应物，并带走产物；还有进出物料孔(6)，用于进出冷却介质的孔(7)。

2、如权利要求1所述的复合流道板，其特征在于：其还有接线端(9)。

3、如权利要求1或2所述的复合流道板，其特征在于：中间绝缘片层是在酸性条件和电池工作温度下不腐蚀、不溶解、不导电的塑料或树脂，包括不饱和聚脂树脂、尼龙树酯、聚碳酸酯、聚四氟乙烯以及其它的聚烯烃类，还有聚酰亚胺及其它的绝缘漆；上下电片层是在酸性条件和电池工作温度下不腐蚀、不溶解、保持良好导电性的不锈钢或钛片，或在表面镀贵金属金、银、铂的不锈钢或钛片，或在表面进行氮化处理的钛片。

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