[发明专利]一种基于塑料双极板的质子交换膜燃料电池电堆

说明书

本发明公开了一种基于塑料双极板的质子交换膜燃料电池电堆，属于燃料电池应用领域。所述双极板为塑料材质，双极板上、下表面设有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。本发明仅保留双极板的支撑和传输气体作用，使用柔韧性好、厚度较薄的导电介质完成集流和传输电子的作用，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，因此成本低廉。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。

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Nb₂N并沉积在金属双极板上，经过测试该涂层可以降低腐蚀速率和界面接触电阻，但是制备Nb₂N需要在氩气保护条件下在熔融状态的NaCl中发生歧化反应，反应工序复杂且成本高(Corrosionence,2020,174:108862.)。

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。