[发明专利]一种自主增湿的燃料电池双极板组合件、电堆和系统

说明书

本发明公开了一种自主增湿的燃料电池双极板组合件、电堆和系统，双极板组合件包括叠放的阴极板和阳极板，阴极板为多孔石墨板；本发明以多孔石墨板取代金属双极板中阴极板来实现提高(高电位)阴极侧的防腐蚀性能和对质子交换膜进行自主增湿，使其具有最佳的质子电导性，同时可以使电化学反应生成水通过多孔板导出去进入冷却水腔，这样可以减轻空压机(压气机)的内耗和负荷。本发明不仅取消了外增湿器和增湿保温管路，简化了系统结构，提高了系统集成度和系统体积比功率、重量比功率；同时减少了燃料电池两端的单电池性能衰减的边缘效应，保持每节电池中的气体和水分布的均匀性，提高了电堆的一致性，进一步促进燃料电池长期稳定运行。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种适用于液冷技术的燃料电池双极板组合件、电堆和系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种可以快速启动的低噪音、高能量转换效率的零排放发电装置，可广泛用于车用动力电源、固定式电站、航空动力电源、水下动力电源、移动电源、便携电源等，满足多领域的用电需要，是最接近于实际应用的燃料电池之一。

在液冷型燃料电池中，双极板主要有石墨双极板、金属双极板和复合双极板等，一般都采用焊接或粘结的方法将两层极板(阳极板和阴极板)复合在一起，中间形成冷却腔体。普遍采用水或其他冷却剂作为导热载体，流经双极板中间的冷却腔，将燃料电池工作过程中产生的热量通过循环带出来，再通过散热器传至周围环境中或者作为热电联供的优质热源加以利用。

当前广泛应用的金属双极板，基材一般选用316L不锈钢，即使不锈钢表面制备了涂层，在燃料电池环境中(如阴极侧高电位可达0.8V，pH＝3)长时间应用时，也不可避免的会发生腐蚀。腐蚀电流密度＞1μA时，释放出铁离子浓度会达到50ppb以上，金属双极板持续释放出的铁离子会对膜电极中的催化剂产生毒害作用，最终降低燃料电池的输出性能和使用寿命。

石墨双极板中石墨材料的纯度可以达到99.9～99.99％，石墨中的金属元素如铁等，可以控制到10ppm以内，可以消除金属双极板铁离子释放对膜电极的不利影响，从而提高燃料电池寿命。所以，金属双极板和石墨双极板的有效结合，是有现实意义的。

在质子交换膜燃料电池中，质子在目前广泛采用的全氟磺酸膜电解质膜中的传递要依靠水分子作为传导载体，所以，质子交换膜中的水含量对燃料电池的性能有非常大的影响，膜中水处于饱和状态时具有最佳的质子电导性，同时燃料电池发挥最好的发电性能。因此，对质子交换膜进行增湿或者保湿是质子交换膜燃料电池中的必然选择。现在，普遍采用膜增湿器利用含水蒸汽反应后的空气尾气对进电池的干空气进行增湿，系统复杂。

发明内容

针对实际使用中的液冷型燃料电池所存在高电位阴极板侧腐蚀，膜电极增湿等问题，本发明提出以多孔石墨板取代金属双极板中阴极板的办法来实现提高(高电位)阴极侧的防腐蚀性能和对质子交换膜进行自主增湿，使其具有最佳的质子电导性，提高燃料电池性能和寿命。制造和后续的装配工序都相对简单，非常适于大规模加工制造同时降低成本，并得到实际应用。

本发明技术方案具体如下：

一方面，本发明提供了一种燃料电池双极板组合件，所述双极板组合件包括叠放的阴极板和阳极板，所述阴极板为多孔石墨板；所述多孔石墨板的外侧设有空气流场，内侧设有冷却水流场；所述阳极板的外侧设有氢气流场，内侧设有或不设有冷却水流场；所述多孔石墨板的冷却水流场与阳极板的板体或阳极板的冷却水流场合围形成冷却水通道。

基于上述方案，优选地，所述多孔石墨板的孔径为0.05-20微米。

基于上述方案，优选地，所述多孔石墨板和阳极板分别设有氢气通孔一和氢气通孔二，组装后形成氢气公共管道；所述氢气通孔一的外周进行气密性处理，使氢气与多孔石墨板相隔离。

基于上述方案，优选地，所述气密性处理方式包括：在所述氢气通孔一的外周设置内衬件、灌注密封胶或设置密封胶垫。