[发明专利]质子交换膜燃料电池金属双极板及其构成的单池和电堆

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池的双极板、以及由该双极板分别组成的燃料电池单池和电堆。

背景技术

质子交换膜燃料电池因其具有功率密度高、结构简单、启动速度快、无腐蚀等优点，适用范围广，从而成为研究热点之一。双极板是质子交换膜燃料电池的核心部件，占据电池组重量和成本的绝大部分，起到分隔反应气体并通过流场将反应气体导入燃料电池、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系统的散热和排水功能，其性能优劣直接影响电池的输出功率和使用寿命。双极板的功能决定了它应达到以下要求：较低的面电阻、体电阻及与膜电极扩散层的接触电阻，低透气性，较好的耐腐蚀性，一定的机械强度，易于加工，较低的成本。

由于金属材料具有导电导热性好、机械强度高、容易薄片化、易加工等优点，而成为燃料电池双极板的主要材料。虽然，金属材料双极板由于良好的导电性、机械强度和低成本而成为研究热点，但是以往对金属双极板的研究普遍集中在材料的简单替代，如“竺斌，梅炳初，沈春晖所著《PEMFC复合双极板的研究进展》”中介绍了碳/碳复合双极板、聚合物/填料复合双极板及金属基复合双极饭的制备方法及其性能的研究进展，并对这些双极板材料的优缺点进行了比较；“施祥兰，倪红军，黄明宇所著《质子交换膜燃料电池双极板材料的研究进展》”中介绍了双极板材料的种类主要有石墨材料、金属或合金材料以及各种复合材料，并针对这些双极板材料的优缺点进行了比较；

“谭俊，石恭臣，毛爱清，陈林所著《PEMFC金属双极板表面改性技术》”中重点对金属双极板表面改性技术的国内外研究进展进行了较为详细的评述；“黄乃宝，衣宝廉，侯明，明平文所著《PEMFC薄层金属双极板研究进展》”中对铁基合金、镍基合金和铝、钛等轻金属三大类薄层金属板及其表面改性方法进行了详细评述，在此基础上提出了导电化合物和电化学方法对薄层不锈钢改性是今后薄层金属双极板的发展方向：

专利CN101572318A《一种质子交换膜燃料电池双极板》中所述的点状流道以使流体分配好，双极板有效使用面积高，加工简单，成本低；专利CN1889294A《用于质子交换膜燃料电池的组合式整体双极板》中所述的组合式整体双极板，重量轻，生产工艺简单，成本低廉；但是由于双极板必须满足实现单池之间电的联结功能，所以双极板必须是电的良导体，因此就要实现双极板流场区的凸台部分与膜电极扩散层的紧密接触以减小接触电阻。至今，绝大多数质子交换膜燃料电池的单池是按压滤机方式组装成为电池组，流场区的凸台部分靠电池组装力与膜电极扩散层接触。但是普通平面金属双极板由于在成形时的应力变化等因素的影响易发生翘曲变形而降低其平面度，最终导致流场区凸台部分与膜电极扩散层的接触不完全而减小接触面积，增大了接触电阻。

因而对改良双极板本身的结构以提高其机械性能和刚度并减小内阻和使其更易装配，从而使燃料电池的性能更加稳定和完善的研究就显得非常必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术不足而提供一种机械性能和刚度好、不易发生变形、安装后不易错动、稳定性高、内阻较低、能耗少、燃料利用率高的质子交换膜燃料电池金属双极板、以及由该双极板分别组成的燃料电池单池和电堆。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

质子交换膜燃料电池金属双极板，由金属薄板制成的阴极单极板和阳极单极板相对结合构成；阴极单极板和阳极单极板的分别包括阴、阳极腔、冷却介质腔和各自的流场区沟槽和凸台；两板的阴、阳极腔、冷却介质腔和流场区沟槽和凸台相互对应，分别组成燃料气体通道、氧化剂气体通道、冷却介质通道；其特征在于：所述的金属双极板为带有一定曲率的非平面弧形板。

按上述方案，所述的燃料气体通道、氧化剂气体通道、冷却介质通道均在所述金属双极板的非平面弧形结构基础上建立。

按上述方案，所述金属双极板的非平面弧形结构包括柱面、球面、椭球面结构在内的所有非平面弧形结构。

按上述方案，两块板均为在金属薄板上成形出上述的阴、阳极腔、冷却介质腔和流场区沟槽和凸台。

按上述方案，两块板按照预先设定的结合轨迹相对结合而成所述金属双极板。

按上述方案，金属双极板的流场区为蛇形流道、平行流道或交叉梳状流道。

按上述方案，所述金属双极板的非平面弧形曲率半径为5000-8000mm。