[实用新型]一种质子交换膜燃料电池电堆

说明书

技术领域

本实用新型属于燃料电池技术领域，尤其是一种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以氢气或甲醇为燃料，氧气或空气为氧化剂，将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的发电装置。质子交换膜燃料电池具有能量转化效率高、环境友好、低温快速启动等优点，具有广阔的应用前景。双极板是质子交换膜燃料电池的核心部件之一，具有支撑膜电极组件、均匀分布反应气体、集流导电、排出反应生成水及散热等重要功能。金属材料具有良好的导电导热性、较高的机械强度、成本低、适合批量化生产等优点，因此被认为是质子交换膜燃料电池双极板的理想材料。林政宇、张杰、刘兵和郑永平所著《PEMFC双极板的材料及制备工艺综述》分析了质子交换膜燃料电池双极板材料的优缺点，并指出表面改性的金属板是质子交换膜燃料电池双极板的发展趋势。

质子交换膜燃料电池金属双极板是由金属薄板制成的阴极单极板和阳极单极板通过焊接或粘接构成。阴极单极板和阳极单极板的左右侧均设有燃料气体腔、冷却介质腔和氧化剂气体腔，阴、阳单极板正背两面均设有凸凹沟槽构成的流场区。现有技术中，质子交换膜燃料电池金属双极板流场区的凸凹沟槽都是平面的。由于质子交换膜燃料电池电堆组装时需要一定的预紧力，普通平面流道的金属双极板表现出较强的刚性特征。膜电极组件在工作过程中存在不均匀的机械应力，会导致膜电极性能下降、寿命变短。质子交换膜燃料电池电堆长时间运行或闲置后，容易出现应力松弛现象，这会导致金属双极板与膜电极组件的接触电阻增大，进而引起质子交换膜燃料电池电堆性能及寿命的衰减。

中国专利公开号为CN101572318A，发明名称为“一种质子交换膜燃料电池金属双极板”的专利文献，将双极板分配流道设计为点状流道；中国专利公开号为CN101937997A，发明名称为“质子交换膜燃料电池金属双极板及其构成的单池和电堆”的专利文献，采用带有一定曲率的非平面弧形金属双极板用于质子交换膜燃料电池中。虽然这两种金属双极板的结构均容易实现，但是在质子交换膜燃料电池电堆预紧力的作用下均会表现出较强的刚性特征，与普通金属双极板一样不能解决质子交换膜燃料电池的机械挤压与应力松弛问题。

因此，为了解决质子交换膜燃料电池电堆中的机械挤压和应力松弛等问题而进行的质子交换膜燃料电池金属双极板的结构优化是非常必要的。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种质子交换膜燃料电池电堆，以克服上述现有技术的缺陷。

本实用新型为解决其技术问题采用的技术方案是：由多个单电池以串联方式叠加，将各单电池之间嵌入密封件，经前端板、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢而成；每个单电池是由阴极单极板、阳极单极板，以及位于它们之间的膜电极组件组成；所述阴极单极板和阳极单极板背面相对，其板体上的左右侧均设有对应重合的燃料气体腔、冷却介质腔和氧化剂气体腔，其板体上的中部均设有流场区，该流场区设有多个呈弧形的相互对应的凸台和凹槽。

所述的膜电极组件可以是按气体扩散层、催化剂层、质子交换膜、催化剂层、气体扩散层的顺序热压而成。

所述阴极单极板与相邻单电池的阳极单极板背面相对后，可以利用激光焊接技术焊接成金属双极板；阳极单极板背面的凹槽与阴极单极板背面的凹槽相对形成冷却介质流道；阳极板凸台和与之接触的膜电极组件中的气体扩散层之间形成燃料气体流道，阴极板凸台和与之接触的膜电极组件中的气体扩散层之间形成氧化剂气体流道。

本实用新型与现有技术相比，具有以下主要优点：

1.采用了弧形凹凸沟槽的金属双极板，其相对于普通金属双极板具有良好的弹性特性。

2.当膜电极组件受到各种物理量快速变化引起的机械冲击导致松弛时，金属双极板可以通过自身的弹性变形缓冲机械冲击，有效地保护膜电极组件和延长该膜电极组件的使用寿命。

3.可以确保金属双极板与膜电极组件之间接触良好，从而降低接触电阻。

4.当电堆运行或闲置出现应力松弛时，金属双极板的弧形凸凹沟槽通过弹性变形自动补偿电堆的应力松弛，维持电堆正常工作的夹紧力，提高了质子交换膜燃料电池电堆的性能及寿命。

附图说明

图1是本实用新型的阳极单极板结构示意图。

图2是本实用新型的阴极单极板结构示意图。

图3是本实用新型的金属双极板在未受力时的流场区局部剖面示意图。

图4是本实用新型的金属双极板在预紧力P₁作用下的流场区局部剖面示意图。