[实用新型]质子交换膜燃料电池、电堆和流场板复合系统

说明书

质子交换膜燃料电池、电堆和流场板复合系统，电池包括氢氧气流场板复合系统以及两者之间的质子交换膜电极，流场板复合系统包括流场板、涂覆在流场板表面的导电镀膜部分和旁路导电接头；导电镀膜部分为导电材料制造的镀层，用于将氢氧反应所产生的电流扩散到整个镀层的表面；旁路导电接头连接导电镀膜部分，跨过流场板复合系统的两极，将流场板复合系统的正负极连接在一起，构成流场板外的旁路导电电路，用于将电化学反应生成的电流不经过流场板地旁路导出。本实用新型使得身兼气体流场、导电、导热功能的高需求双极板变成了容易制造的流场板复合系统：流场板、导电镀膜部分和导电接头部分，将极大地促进流场板材料和制造工艺的发展。

技术领域

本发明总体地涉及燃料电池，更具体地涉及一种燃料气体(如氢气、甲烷气、乙醇气体等)和空气反应产生电能的装置，可以用作发电设备，用于各种交通工具、各种设备等的电源装置，涉及石墨烯基高导热材料在新能源领域的应用，还涉及燃料气体和空气发生化学反应产生能源装置的设计和制造方法。

背景技术

氢燃料电池电堆是将氢氧反应的化学能转换为电能的装置，一般由阴极流场板、阳极流场板，以及两者之间的膜电极所组成。其中膜电极包括扩散层、催化剂层、质子膜等五层所组成。膜电极将氢氧反应的化学能转换为电能和热能，假设氢氧反应的化学能转换为电能的效率为50％，则有50％的化学能转换为热能。因此，散热是质子交换膜燃料电池电堆稳定运行所必须解决的重要问题之一。

目前质子交换膜燃料电池电堆根据其散热方式主要分为两种：气冷堆和水冷堆。气冷堆结构简单，但气冷效率低，主要用于小型、实验型质子交换膜燃料电池电堆的冷却。由于干燥空气容易吹干质子膜，造成电堆的运行效率降低，因此气冷堆的使用效率有限，一般用于示范电堆。水冷或液冷堆结构复杂，散热效果好，同时降低了堆内空气流量，通过对进堆的空气的加湿，而使得电堆能够在干燥的空气环境中稳定运行。但水冷堆结构复杂，水冷通路占了反应堆的30％～50％的位置，使得反应堆的反应区域减少，质子膜及其催化剂不能有效地得到利用，最终使得反应堆的价格高昂。目前汽车用堆一般都采用这种液冷方式。

图10～13示出了传统气冷质子交换膜燃料电池电堆的结构原理图。其中图10中31示出了阴极流场，32示出了氢气流通道，图11中33示出了阳极流场。图12示出了夹在两个流场板之间的五层结构膜电极，包括中间的质子交换膜34，膜两则的催化剂35，以及更外侧的扩散层36。图13示出由多个流场板和膜电极堆叠而成的质子交换膜燃料电池电堆，以及电堆的产生的电流9。

一般情况下，流场板水平放置，阴极流场呈水平状，气体自左至右或自右至左流动，氢氧反应生成的水从其中一端或两端流出。氢氧反应时氢气在催化剂的作用下释放出电子穿过流场板被氧气俘获，而质子则穿过质子交换膜和另一侧的氧气结合同时俘获氢气在催化剂作用下释放的电子。电子和质子的运动形成电流，穿过流场板从电堆的两端输出(图13)。目前，流场板的材料一般采用石墨。一方面，石墨具有抗腐蚀、高电导、不渗漏、易于制造等诸多优点。另一方面，石墨流场板的导热性差，氢氧的反应热难以及时散出，从而导致电堆难以做大。因此，石墨气冷电堆大都是数千瓦之内的小功率电堆。

空气直冷的反应堆中，氢氧反应所需的氧气和冷却所需的空气都来源于穿过反应堆流场板的空气流，通过调节阴极空气流的大小可以很方便地控制质子膜的湿度和电堆的温度，维持电堆的稳定发电。这样设计的优点是电堆系统结构简单，体积小、重量轻，造价便宜。相应地，这种设计的缺点也十分明确，首先是由于空气散热的效率有限，流场板不能做得太大，从而限制了电堆的总功率；其次，在空气干燥的地区，如沙漠、冬天低温干燥等，散热空气所带走的水汽太多，从而导致质子膜干燥而影响发电；最后，大量的散热空气进入电堆带入大量的空气污染物，引起堵塞扩散层、毒化催化剂等多种问题，从而大大地降低电堆的寿命。因此，空气直冷的电堆在低成本的小功率电堆方面有优势，而在大功率的商用电堆方面，则有明显的劣势。