導流板及含有該導流板的燃料電池堆的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于燃料電池技術領域，具體地說是提出了一種新的導流板及含有該導流板的燃料電池堆。
【背景技術】
[0002]燃料電池是一種將氫和氧的化學能通過電極反應直接轉換成電能的裝置。燃料電池通常由多個電池單元構成，每個電池單元包括兩個電極(陽極和陰極)，該兩個電極被電解質元件隔開，并且彼此串聯地組裝，形成燃料電池堆。通過給每個電極供給適當的反應物，即給一個電極供給燃料而另一個供給氧化劑，實現電化學反應，從而在電極之間形成電位差，并且因此產生電能。
[0003]為了給每個電極供給反應物，使用通常稱為“雙極板”并且設置在每個單個電池的兩側的特定界面元件。這些雙極板通常是鄰近陽極或陰極支撐體放置的單個元件的形式。雙極板是燃料電池組的重要元件。燃料電池堆在運行過程中，雙極板執行如下功能以維持燃料電池堆的最佳工作狀態以及使用壽命:(I)電池導電體，極板兩側分別形成陰極陽極，將一個個電池單元串聯以組成燃料電池堆；(2)通過流道向電極提供反應氣(傳質)；(3)協調水與熱的管理，防止冷卻介質及反應氣體外漏；(4)向膜電極組件(MEA)提供結構強度支持。
[0004]雙極板上一般設有三進三出孔，六個孔均通過進、出流體流道與雙極板中間反應區域的氣體流道連通，氣體進入電堆后由進、出流體流道引導進入流體在MEA表面發生反應。MEA是將電極熱壓在質子交換膜上，催化劑嵌入在他們之間組成，膜的厚度小于0.1mm,常用的辦法是在膜的兩側粘接0.1mm左右的加強材料。一般極板表面上的流體進出口流道寬度較寬，因此膜在進出口流道處無支撐，受極板上密封墊的回彈力作用，流道進出口處的膜容易產生塌陷，造成進出氣流道堵塞，增加壓降，通氣量不夠等，殃及MEA和電堆，引發電堆產生故障。
[0005]雖然目前雙極板的流道設計已經有了相當的進步，但是隨著膜電極組件(MEA)中反應區域面積的增加，在電化學反應過程中，雙極板上的流道不并能保證其能夠均勻地輸送反應物。整個電池設定的流道區域，從進口到出口，或者說，在不同的局部區域內，氣流分配是不均勻的。另外在這些總體或局部的區域里，燃料和氧化劑的濃度也是不均勻的，在工作狀態下，反應物的供給的波動所產生的電瞬態效應，在流道兩端可能產生較大的電壓差；同理，在膜電極組件(MEA)反映區域的橫向上也可能產生這種較大電壓差的現象，并且在流道之間也可能存在因反應物不均勻釋放產生電壓差的現象，導致每個電池單元內部產生較大的橫向(Inplane)電流，造成膜電極的電化學腐蝕，這將極大地縮減燃料電池的使用壽命。并且反應物供給量大的區域受限于反應物供給量小的區域，這種關聯效應還會導致反應物供給量大的區域輸出電壓被拉低，影響燃料電池的輸出功率。
[0006]但是目前對于導流板的改進一直集中在分區域或優化流道的設計，但是由于流道存在粘滯切應力，流體在其流動過程中呈拋物線型流動，并不能徹底解決流體分配不均的問題，而且由于MEA膜電極很薄，在流道上方形成懸空，壓強交大，易損傷。

【發明內容】

[0007]本實用新型的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種分流均勻、承受壓力較大的導流板及含有該導流板的燃料電池堆。
[0008]本實用新型的目的可以通過以下技術方案來實現:一種燃料電池導流板，其特征在于:采用多孔材料作導流板的流體通道并采用透水膜材料作為間隔層。
[0009]所述的導流板的流道內填充有金屬或非金屬多孔材料作為流體通道。
[0010]一種燃料電池導流板，包括陰極板和陽極板，其特征在于:所述的陰極板和陽極板的結構相同或不同，均由兩種不同孔徑的材料制成的板:第一多孔板和第二多孔板組合而成，或者由第一多孔板和第二多孔板夾設一膜材料或隔板組合而成，其中，第一多孔板和第二多孔板包括以下結構:
[0011]第一種結構:第二多孔板一側為平板狀，另一側設有多條導流槽，第一多孔板一側為平板狀，另一側設有多個凸塊，各凸塊與第二多孔板上的導流槽相匹配，凸塊嵌入對應的導流槽中；
[0012]第二種結構:第二多孔板一側為平板狀，另一側設有多條導流槽，第一多孔板由多個相互獨立的長方體塊組成，各長方體塊的大小與所述導流槽的大小相匹配，每根導流槽中均填充一長方體塊；
[0013]第三種結構:第一多孔板和第二多孔板均由多個相互獨立的長方體塊組成，組成第一多孔板的長方體塊與組成第二多孔板的長方體塊相互間隔設置。
[0014]可以任意選擇上述三種結構中的一種或兩種作為陰極板或陽極板，將陰極板和陽極板夾設隔板組成雙極板。
[0015]優選方案:所述的陰極板可以為上述第一種結構或第二種結構，此時，第一多孔板作為氧化劑流場，第二多孔板作為冷卻流體流場，第一多孔板和第二多孔板之間夾設一膜材料，通過控制該膜材料兩側的壓力或濕度來控制水在膜材料兩側流通，使水進入第一多孔板增濕氧化劑，或者將反應生成水通過第二多孔板排出。
[0016]所述的膜材料包括但不限于Naf1n膜或孔徑為0.1?1.0微米的微孔膜中的一種或幾種疊加，使得膜材料可透水但不透氣，或者能透過少量其他，從而可通過控制膜材料兩側的壓力或濕度來控制水在膜材料兩側流通。
[0017]優選方案:所述的陰極板也可以為上述第三種結構，此時，第一多孔板作為氧化劑流場，第二多孔板作為冷卻流體流場，第一多孔板和第二多孔板之間夾設一隔板，該隔板將氧化劑和冷卻流體隔開；所述陰極板與MEA膜組裝成燃料電池堆時，氧化劑和冷卻流體在MEA膜的擴散層中進行水的交流，實現增濕或排水功能。
[0018]隔板為金屬板或非金屬板。第一多孔板和第二多孔板在組合成陰極板時，其孔徑范圍包括但不限于20?400目。
[0019]優選方案:所述的陽極板為第一種結構或第二種結構或第三種結構，其中一種孔徑的板作為燃料流場，其孔徑范圍約為100目，另一種孔徑的板作為支撐板，其孔徑范圍約為200目，兩種不同的孔徑的板之間設置一隔板使燃料在燃料流場中流動，或者不設隔板，通過選擇兩種不同孔徑板的材料和孔徑，使燃料在燃料流場中流通。
[0020]一種含有上述任--種導流板結構的燃料電池堆，由多個單電池疊加組成，所述的單電池由陰極板和陽極板夾設MEA膜組成，所述的陰極板和陽極板上均設有氧化劑進出口、冷卻流體進出口和燃料進出口，其特征在于:所述的陰極板和陽極板之間設有隔板，所述的陰極板由兩種不同孔徑的材料制成的板夾設至少一層膜材料構成，也可以用不同特性的多層膜構成間隔材料，兩種不同孔徑的材料制成的板為:第一多孔板和第二多孔板，第一多孔板作為氧化劑流場，第二多孔板作為冷卻流體流場，通過控制所述膜材料兩側的壓力或濕度來控制水在膜材料兩側流通，使水進入第一多孔板增濕氧化劑，或者將反應生成水通過第二多孔板排出；第一多孔板和第二多孔板的結構可以為上述三種結構中的任意一種。
[0021]所述的陽極板由兩種不同孔徑材料制成的板組成，通過控制兩種板的孔徑或在兩種板之間設置隔板，使得其中一種板作為燃料氣體的流場。兩種不同孔徑材料制成的板的結構可以為上述三種結構中的任意一種。
[0022]與現有技術相比，本實用新型優點在于:
[0023]1.本實用新型選用多孔材料作為燃料電池各流體流動的通道，徹底改變邊流體流動形成，將層流改成了紊流，使得流體分流均勻，減小電壓差，提高燃料電池的輸出效率；
[0024]2.電極板由支撐板和支撐板上設置的流道組成，流道內設置多孔網板，打破了傳統的流體流動形式，而且支撐板也可以采用網板組成，減輕了整個電極板的重量，而且在與MEA膜進行壓合形成電池時，由于整個電極板都是網孔板，使得MEA膜能承受的壓力較大，結構較穩定，因為在相同的壓力下，傳統空流道兩旁的脊邊制成MEA膜，使得MEA膜所受壓強較大，因此，易損傷，而本實用新型徹底改變了這一缺陷，使MEA膜能承受更大的壓力，而且可以保護MEA膜；
[0025]3.陰極板采用兩種不同孔徑的板夾設透水不透氣膜材料組成，其中一種孔徑的板作為冷卻流體的流場，另一種孔徑的板作為氧化劑流體，其中氧化劑不能通過膜材料竄入冷卻流體的流場，冷卻流體卻可以通孔膜材料進入氧化劑流場，增濕氧化劑，這樣氧化劑進入燃料電池堆前不用額外增濕，而且可以更加穩定地控制氧化劑的溫度，同時使冷卻流體的排放變得更加方便；使用時只要利用冷卻流體和氧化劑的壓力差就可以調節冷卻流體在膜材料兩側的流動，從而調節燃料電池堆的增濕、散熱和排水狀態。
【附圖說明】
[0026]圖1為本實用新型導流板的第一種結構示意圖；
[0027]圖中A為第一多孔板、B為第二多孔板，C為膜材料；
[0028]圖2為本實用新型導流板的第二種結構示意圖；
[0029]圖中A為第一多孔板、B為第二多孔板，C為膜材料；
[0030]圖3為本實用新型導流板的第三種結構示意圖；
[0031]圖中A為第一多孔板、B為第二多孔板；
[0032]圖4為實施例1雙極板的結構示意圖；
[0033]圖5為本實用新型實施例1中雙極板與MEA膜電極的組裝圖；
[0034]圖6為多塊雙極板和MEA膜電極組裝成電堆的示意圖；
[0035]圖7為本實用新型實施例2中雙極板的結構示意圖。
[0036]圖中標識為:陰極板1、陽極板2、隔板3、多孔板a4、多孔板b5、膜材料6、多孔板c7、多孔板d8、雙極板10、MEA膜電極11。
【具體實施方式】
[0037]以下結合附圖，對本實用新型做進一步說明。
[0038]本實用新型將傳統的燃料電池板采用多孔板替代，傳統燃料電池板中的流道內也設置多孔板，通過選擇不同材