[发明专利]一种具有内分水/内增湿结构的燃料电池双极板

说明书

本发明提供了一种燃料电池双极板，所述双极板的一侧至另一侧依次设有氧极板、导电水流场板和氢极板；所述双极板的氧极板和氢极板至少其中之一为内分水/内增湿的组合板；内分水/内增湿的组合板，由外侧至内侧依次为导电微孔板、含有通孔的导电实心板；通孔处覆盖有导水阻气膜；导水时导电亲水微孔材料将电池生成水原位吸收至其微孔中并在毛细力作用下迁移至导水区，在压差作用下进入到水腔，从而实现生成水从电极表面的排出；增湿时水腔的水依次通过导水阻气膜、导电亲水微孔材料进入到气体腔中使气体增湿，实现内增湿功能。这种燃料电池双极板具有良好的内分水/内增湿效果。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种具有内分水/内增湿结构的燃料电池双极板。

背景技术

燃料电池具有清洁、高效、功率密度高以及低温快速启动等优点，在车载电源和分布式发电、军事领域等领域有着广泛的应用。质子交换膜燃料电池是目前应用最广泛的一类燃料电池，它通常采用全氟磺酸膜作为固体电解质隔膜。这类电池的水管理是决定其性能和可靠性的关键因素之一。水管理的目的一是使燃料电池生成的水及时从电极表面排出，从而使反应气能高效的传导至电极催化剂表面进行反应，降低传质极化；二是确保电解质隔膜和催化层中的离子树脂具有一定的含水量，从而保障其离子传导能力。

氢氧型质子交换膜燃料电池使用纯氧作为氧化剂，十分适合在无空气环境下提供能源，比如太空、水下环境等。采用气体吹扫的办法将电池生成的水排出电池要求具有较高的气体流速。由于这些环境要求具有很高的氧气利用率，使用类似氢空燃料电池空气气体流速的氧气流速，将会大幅降低氧气利用率，或者增加能耗。将电池生成水采用内分水的办法排出，可以大幅减少液态水在流道中的积累，从而使得在低气体流速下将水排出，有效提高氧气利用率。

氢空燃料电池的阳极水管理也要求氢气具有较高的流速。通常情况下采用氢气循环泵和外置分水器将氢气中的水分离排出，这增加了额外的功耗和系统复杂度。阳极水管理也可以采用内分水的办法将电池生成水排出，从而在不增加能耗时提高氢气利用率。

氢空燃料电池往往需要对空气进行增湿，通常是通过外增湿罐进行增湿的。外增湿也增加了系统复杂度。采用内增湿的办法，即空气流经具有内增湿功能的极板后再进入电极反应区，从而使系统结构紧凑。

目前为促进电堆内的排水，已经开展了很多研究。武汉理工大学的陈涛(申请号：201810602456.3)通过在双极板的四周设置吸水芯，使电池生成水从极板四周排出，从而提高氢氧燃料电池电堆的排水效率；上海恒劲动力科技有限公司的高勇(申请号：201810175572.1)通过在流场板上设置独立排水通道，减少了液态水在流道内的流动距离从而减少水淹和堵水。大连化物所的艾军等人(申请号：201510926667.9)通过在双极板的流道两侧设置排水槽，使电池生成水容易排出。上海神力科技有限公司(申请号：200710042068.6)的胡里清公布了一种内增湿质子交换膜燃料电池的集成方法，它通过在两组电堆的中央集流板处设置增湿段，增湿段采用导水阻气的离子交换膜将电池生成水与氢气和氧气进行水的交换，从而实现了电堆的内增湿。美国专利US20130175164介绍了一种将导电结构嵌入到圆形导水阻气膜中的电池结构，导水阻气膜中间具有窄条孔洞，导电体从这些孔洞中穿过，实现导气阻水。这种结构受制于膜的强度，孔的大小和位置会受到一定限制，对制造工艺要求高。

专利申请(CN 107104240 A)公布了一种电极板，在电极板的部分区域增设了含有液体渗析孔形成加湿区，液体渗透孔所用的材料为专业膜材料、织物棉或化纤等，利用液体渗析孔实现电池的内增湿。由于液体渗透孔所用材料不导电，电极板的液体渗析孔会影响电极板的整体导电性，整个电极板的有效反应区面积占比会减小；反应气仅在加湿区进行加湿，加湿效果会受加湿区面积和位置的影响；该电极板仅能用于反应气加湿，而不能用于电池生成水的排出。