本发明公开了一种质子交换膜燃料电池电堆,包括由多个单电池串联叠加而成的电池组、在所述电池组两端依次设置的集流板、绝缘板及端板,所述电堆中还设置有气体通道,所述集流板与气体通道之间设置有隔层;所述隔层为绝缘板的凸出结构层;所述电池组与两个集流板之间均设置有导电性的过渡板,且所述过渡板中间开有反应气通道,该反应气通道与所述气体通道相连通。本发明通过隔层和过渡板的设置,不仅避免了集流板的化学腐蚀,还能保证燃料电池电流的有效收集,从而降低燃料电池成本,延长燃料电池使用寿命。
1.一种质子交换膜燃料电池电堆,包括由多个单电池串联叠加而成的电池组、在所述电池组两端依次设置的集流板、绝缘板及端板,所述电堆中还设置有气体通道,其特征在于,所述集流板与气体通道之间设置有隔层;所述隔层为绝缘板的凸出结构层。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池电堆,其特征在于,所述电池组与两个集流板之间均设置有导电性的过渡板,且所述过渡板中间开有反应气通道,该反应气通道与所述气体通道相连通。
3.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池电堆,其特征在于,所述过渡板与电池组之间采用密封圈或密封胶的形式密封;所述过渡板与气体通道之间采用密封圈或密封胶的形式密封。
4.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池电堆,其特征在于,所述集流板可为铝板、不锈钢板、铜板或镀有防腐涂层的铝板、不锈钢板、铜板。
5.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池电堆,其特征在于,所述过渡板可以为铜板、不锈钢板、铝板或镀有防腐涂层的铜板、不锈钢板、铝板。技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域,具体地,涉及一种质子交换膜燃料电池电堆。
背景技术
燃料电池技术是将氢气和氧气在发生电化学反应时所产生的电能、热能和水予以利用的一种清洁的、可再生的能源转换技术。燃料电池根据电解质不同,可以分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池等。而质子交换膜燃料电池由于其功率密度大、工作温度低、电池结构简单、对压力变化不敏感等特点,已经在全球范围内得到了普遍的关注,其产品也逐渐进入市场。质子交换膜燃料电池的电解质为质子交换膜,目前广泛使用的是杜邦公司生产的Nafion系列全氟磺酸膜。膜的作用是双重的,作为电解质提供氢离子通道,作为隔膜隔离两极反应气体。优化膜的离子和水传输性能及适当的水管理,是保证电池性能的关键。在隔膜的两侧,各有一层催化剂层。催化剂主要是由Pt/C组成,在催化层中再加入Nafion溶液,以增加质子传导性能以及催化层与电解质的接触性能。催化层是燃料电池气体反应区域。在催化层的两侧,各有一层气体扩散层,主要作用是作为催化层的支撑体、电池内部的导电、气体在电极表面的分布、反应产物的排出等。目前,扩散层的材料主要是碳纸、碳布或者金属网。电解质膜、催化层和气体扩散层共同组成膜电极(MEA)。单电池是由膜电极及设置在其两侧的流场板组成,其中流场板常用石墨板材料制作,并经铣床加工成具有一定形状的导流流体槽及流体通道。燃料电池电堆是将多片单电池叠加串联在一起的电池组。组装电堆的时候,为了将燃料电池化学反应所产生的电能输送到负载,在电堆的两端(正负极)各需要有一片集流板用于收集电堆的电流。为了将单电池紧密的压在一起,电堆的两端需要有一定强度的端板作为支撑;在端板和集流板之间需要装有绝缘板,以免发生电流外漏,引起电池短路。燃料电池的反应气通过气体通道从电堆外部经由端板、绝缘板、集流板进入燃料电池膜电极。当有一定湿度和温度的反应气体经过集流板时,在燃料电池的工作环境下,容易引起集流板的腐蚀。因此,集流板的材料选择受到限制,必须是耐腐蚀、高导电率的材料,比如铜、银、金或者镀有铜、银、金的不锈钢,即使如此,也不能完全防止集流板的腐蚀,在燃料电池运行一段时间后,集流板的电阻依然会有所增加。这样不仅增加了燃料电池电堆的成本,而且也降低了燃料电池的寿命。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的上述缺陷,提出一种质子交换膜燃料电池电堆。实现上述目的的技术方案如下:一种质子交换膜燃料电池电堆,包括由多个单电池串联叠加而成的电池组、在所述电池组两端依次设置的集流板、绝缘板及端板,所述电堆中还设置有气体通道,所述集流板与气体通道之间设置有隔层。进一步地,所述隔层为绝缘板的凸出结构层。进一步地,所述电池组与两个集流板之间均设置有导电性的过渡板,且所述过渡板中间开有反应气通道,该反应气通道与所述气体通道相连通。进一步地,所述过渡板与电池组之间采用密封圈或密封胶的形式密封;所述过渡板与气体通道之间采用密封圈或密封胶的形式密封。进一步地,所述集流板可为铝板、不锈钢板、铜板等金属板或镀有防腐涂层的铝板、不锈钢板、铜板等金属板。进一步地,所述过渡板可以为铜板、不锈钢板、铝板等金属板或镀有防腐涂层的铜板、不锈钢板、铝板等金属板。与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:1、在集流板与气体通道之间设置有隔板(可为绝缘板的凸出结构层),可以将集流板包含在内侧,不直接和具有一定湿度的反应气体接触,集流板在燃料电池运行环境下也不会发生腐蚀,因此集流板可以使用铜板、不锈钢板、铝板等低成本的高导电性材料,可降低燃料电池电堆的成本,延长燃料电池的使用寿命。2、在电堆的电池组与集流板之间增加一层过渡板,由于过渡板具有一定的导电性,不会影响集流板的取电,同时过渡板也是耐腐蚀材料,但其耐腐蚀程度要求不高,所以过渡板可以使用低成本的铜板、不锈钢板、铝板或镀有防腐涂层的铜板、不锈钢板、铝板等金属板。3、为了防止反应气体向电堆外泄漏,还可以在过渡板与电池组、过渡板与气体通道之间采用密封圈或密封胶的形式密封。本发明的一种质子交换膜燃料电池电堆,不仅可以避免集流板的化学腐蚀,还能保证燃料电池电流的有效收集,从而降低燃料电池成本。下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的实施例一起用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。在附图中:图1是普通质子交换膜燃料电池电堆的结构示意图;图2是传统质子交换膜燃料电池电堆进/出气口处的剖面结构示意图;图3是本发明的质子交换膜燃料电池电堆进/出气口处的剖面结构示意图。结合附图,本发明实施例中附图标记如下:1-单电池;2-膜电极;3-氢气流场板;4-空气流场板;5-集流板;6-绝缘板;7-端板;8a-氢气输入通道;8b-氢气输出通道;9a-空气输出通道;9b-空气输入通道;10-气体输入/输出通道接头;11-气体输入/输出通道;12-端板;13-绝缘板;14-集流板;15-单电池流场板;16-密封件;17-气体输入/输出通道接头;18-气体输入/输出通道;19-端板;20-绝缘板;21-隔层;22-集流板;23-过渡板;24-单电池流场板;25-密封件。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。图1是普通质子膜燃料电池电堆的结构示意图,电堆由单电池1(3个)串联叠加形成电池组,单电池1由膜电极2及设置在其两侧的氢气流场板3、空气流场板4组成,在电池组两端分别依次设置有集流板5、绝缘板6及端板7,所述电堆中还设置有气体通道(8a-氢气输入通道;8b-氢气输出通道;9a-空气输出通道;9b-空气输入通道)。其中流场板(氢气流场板3、空气流场板4),主要是烧结石墨板或模压石墨板,流场板的一侧是气体流道,另一侧是散热介质流道;和电池组的流场板相邻的集流板5必须是耐腐蚀、高导电率的材料,比如铜、银、金或者镀有铜、银、金的不锈钢,主要将电化学反应生成的电能传输到负载;绝缘板6主要材料是树脂、尼龙或塑料等,防止燃料电池产生的电能泄漏或电池短路;端板7材料是有一定硬度的不锈钢板或铝板,主要是为了保证燃料电池电堆有一定的压力。图2是传统质子交换膜燃料电池电堆进/出气口处的剖面结构示意图。其中10为气体输入/输出通道接头,11为气体输入/输出通道,反应氢气或空气经由气体输入/输出通道11进入到单电池流场板15或经单电池流场板15流出,并在电池内部进行电化学反应;端板12用于平衡燃料电池内部的气压和降低燃料电池的接触电阻;绝缘板13防止燃料电池对外漏电从而引起电能损耗,为普通板状体;集流板14用于收集燃料电池产生的电能,其直接与气体输入/输出通道11接触。为了防止气体向电堆外泄漏,在集流板14上安装有密封件16,可以是密封圈、密封胶等。由于燃料电池工作环境中,气体的湿度为50%左右,电压为0.5V至几十伏,在密封件16处容易引起集流板14的腐蚀,并逐步扩大到集流板16的整个平面,进一步增大集流板16的电阻,从而影响燃料电池的输出效率。因此集流板16必须是导电性良好、耐腐蚀的金属,比如铜、银、金或者镀有铜、银、金的不锈钢,即使如此,也不能完全防止集流板16的腐蚀,在燃料电池运行一段时间后,集流板16的电阻依然会有所增加。这样不仅增加了燃料电池电堆的成本,而且也降低了燃料电池的寿命。图3是本发明的质子交换膜燃料电池电堆进/出气口处的剖面结构示意图,其中17是气体输入/输出通道接头,18是气体输入/输出通道,反应氢气或空气经由气体输入/输出通道18进入到单电池流场板24或经单电池流场板24流出,并在电池内部进行电化学反应。端板19用于平衡燃料电池内部的气压和降低燃料电池的接触电阻。绝缘板20防止燃料电池对外漏电从而引起电能损耗。隔层21位于集流板22与气体输入/输出通道18之间,该隔层21为绝缘板20的凸出结构层,即绝缘板20是T字型,隔层21可将集流板22与气体输入/输出通道18隔绝开,使集流板22不直接和具有一定湿度的反应气体接触,集流板22在燃料电池运行环境下不会发生腐蚀,因此集流板22不需要耐腐蚀性材料,可以是铜板、不锈钢板、铝板或涂有防腐涂层的铜板、不锈钢板、铝板等成本低的高导电性材料。在集流板22和单电池流场板24之间,有一个导电性过渡板23,过渡板23将燃料电池的电流传输到集流板22,然后再由集流板22传输到负载,过渡板23中间开有反应气通道,供反应气流入/流出电堆。为了防止反应气体向电堆外泄漏,在过渡板23与单电池流场板24、过渡板23与气体输入/输出通道18之间采用密封件25,可为密封圈或密封胶。反应气体直接和过渡板23接触,所以过渡板23也是耐腐蚀材料,但是耐腐蚀程度要求不高,所以过渡板23可以是铜板、不锈钢板、铝板或镀有防腐涂层的铜板、不锈钢板、铝板等金属材料。综上所述,本发明的一种质子交换膜燃料电池电堆,相对于现有技术的改进点主要为:为了避免集流板的腐蚀,在集流板与气体通道之间采用隔层(如绝缘板的凸出结构层)的设置,因此集流板可以采用低成本的高导性材料。为了保证燃料电池电流的有效收集,在电堆正极的空气流场板一侧,装有导电、耐腐蚀过渡板,过渡板的材料可以是金属或导电高分子材料。过渡板中间开有反应气通道,供反应气流入/流出电堆;在过渡板和空气流场板之间采用密封圈或密封胶的形式密封;在过渡板和气体通道之间采用密封圈或密封胶的形式密封;同样于电堆负极的氢气流场板一侧,装有导电、耐腐蚀过渡板,过渡板的材料可以是金属或导电高分子材料。过渡板中间开有反应气通道,供反应气流入/流出电堆。最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。