CN100416900C - 一种含有组合流道的质子交换膜燃料电池极板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能改善燃料电池极板排水性能，使燃料电池运行稳定的含有组合流道的质子交换膜燃料电池极板，其阴极极板是设有由平行流道和矩阵通孔二合一组合形成组合流道的极板，其阳极极板是设有蛇行流道的极板；其中所述平行流道是平行的散热、进排气流道，贯穿阴极极板两端，所述通孔分布于平行流道的槽上。所述燃料电池的极板边沿的一侧或者四周还设有平行刺片。本发明的极板可用于制作微型及小型燃料电池。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体是一种含有组合流道的质子交换膜燃料电池极板。
技术背景
随着自然资源的日益缺乏，石油等矿物能源的逐步竭尽和人们环保意识的提高，当今燃料电池的研制得到了更多的重视和快速发展。燃料电池是一种直接将化学能高效、环境友好地转变为电能的电化学器件，理论转化率可达80％以上，是一种绿色能源，可同时解决节能和环保两大世界难题。质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有重量轻、结构紧凑、排水容易、能量密度高、可在低温下快速启动等优点，且使用腐蚀性不强的固态电解质，特别是作为便携式电源和机动车动力源，有着广泛的应用前景，近年来发展迅速。
质子交换膜燃料电池主要由膜电极和极板组成。膜电极按次序由内向外由质子交换膜(PEM)、阴阳极催化层和阴阳极扩散层五个部分组成。燃料电池工作时，反应气体沿着极板流道流动，通过气体扩散层，到达催化层与质子交换膜的介面进行电化学反应。电化学反应中，除产生电能外，反应还生成水和热或多或少地影响PEMFC的性能。如果生成的水与进入电池内的水之和小于电池的排水量，则质子交换膜脱水，影响电池的使用寿命。反之，则阴极可能被淹，影响气体扩散，同样会使电池性能下降。当温度较低时，存在明显活化极化，质子交换膜欧姆阻抗亦较大；升高温度会降低欧姆阻抗，减少极化，因而可提高电池性能。但是，温度提高使水蒸发加快，引起质子交换膜脱水，膜性能变差，电池性能下降。因此，PEMFC的热管理和水管理在电池运行过程中起着举足轻重的作用。
目前，极板基本流场形式主要包括蛇行流道(D.S Watkins，et al.，Fuel cellfluid flow field plate，U.S.Patent，5,108,849，1992-04-28)、平行流道(A.Pellegri，P.M.Spazianate，Bipolar separator for electrochemical cells and method ofpreparation thereof，U.S.Patent，4,217,401，1980-08-12)、平行蛇行流道、交指流道、螺旋流道和网格流道等。每种流道都有各自的优缺点。蛇行流道的优点是能迅速排除生成水，避免水堵塞流道的状况发生，其缺点是流道过长会引起压降较大和电流密度分布不均匀。平行流道的优点是能减小压力降，提高效率，能够得到比较平均的电流密度分布，其缺点是如果设计不合理会导致某些流道中水聚集的现象。平行蛇行流道是蛇行流道和平行流道结合体。交指流道又称为不连续流道，其优点是能大幅度提高电池功率密度，其缺点是有可能造成较大的流体曳力，破坏电池的催化层，另外，若流道设计不合理则容易发生短路或者沟流的情况。螺旋流道与蛇行流畅很相似，但其更优越之处在于反应气和水浓度在整个流场的分布更均匀。网格流场在某程度上说是放弃流道的一种做法，这种设计的灵活性更大，由于这种流场中的流速比较低，所以排水能力比较差，但其保湿能力相对较强。
发明内容
本发明针对现有技术存在的缺点，提供一种含有组合流道的质子交换膜燃料电池极板。
本发明的一种含有组合流道的质子交换膜燃料电池极板，由阴极极板、阳极极板构成，其阴极极板是设有由平行流道和矩阵通孔二合一组合形成组合流道的极板，其阳极极板是设有蛇行流道的极板；其中所述平行流道是平行的散热、进排气流道，贯穿阴极极板两端，所述通孔分布于平行流道的槽上。
所述通孔优选圆形、方形、三角形、蜂巢形、菱形或多边形通孔，通孔深度为0.1～1.5mm，通孔占平行流道面积的40％～80％。
优选通孔深度为0.4～1.0mm，通孔占平行流道面积的50％～75％。
所述平行流道的槽的宽与高的尺寸优选0.3～3.0mm、0.3～3.0mm，最佳分别是0.6～2.5mm、0.6～2.5mm。
所述蛇行流道优选平行蛇行流道或直通型流道。
所述阳极和/或阴极极板边沿的一边或者四边最好设有平行刺片，所述刺片的数目为平行流道数目的0.3～2.0倍，优选0.5～1.5倍。
本发明在燃料电池阴极极板的平行流道槽上设计了矩阵通孔，钻通极板，使得气体在通孔流道内、膜电极表面停留时间延长，反应更加充分，工质利用率更高；同时造成气体在孔内的扰动，增强强制对流，促进传质传热速率。而且，通孔结构造成了孔内孔外不同的气体流速分布，孔内低气体流速有利于减少水分的流失，充分利用燃料电池本身反应生成的水分，有利于保持质子交换膜的含水量，提高燃料电池运行的稳定性。本发明解决了燃料电池在无外加湿的操作条件下运行时，电池由于膜失水，性能较最佳条件下差很多的问题，可以改善无加湿条件下燃料电池的水热管理。
本发明在燃料电池极板的各端边沿设有平行刺片，形成了一定比例的槽和脊，增加了极板的散热面积，并形成空气的扰动，提高传热效率；同时，组装成燃料电池堆后，电池堆顶端进气口形成平行通道，使气体更均匀地进入各片电极的流场内，有利于提高各单片电池工作的均匀性和稳定性。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明在阴极极板设计了矩阵通孔流道，钻通极板，使得气体在通孔流道内、膜电极表面停留时间延长，反应更加充分，工质利用率更高；同时造成气体在孔内的扰动，增强强制对流，促进传质传热速率，通孔结构造成了孔内孔外不同的气体流速分布，孔内低气体流速有利于减少水分的流失，充分利用燃料电池本身反应生成的水分，有利于保持质子交换膜的含水量，提高燃料电池运行的稳定性。
2.本发明在极板的各端边沿设有平行刺片，增加了极板的散热面积，并形成空气的扰动，提高传热效率，有利于气体均匀地进入各片电极的流场内，提高电池工作的均匀性和稳定性。
3.本发明极板的改进改善了燃料电池的水热管理，极大地简化了燃料电池的控制系统，只需要一个普通风扇即可完成对燃料电池的有效控制，并使燃料电池堆稳定运行。
附图说明
图1是本发明的质子交换膜燃料电池极板中的阴极极板结构示意图；图中：燃料电池阴极气体入口1，燃料电池阴极气体平行流道2，燃料电池阴极气体矩阵通孔3，燃料电池阴极极板边框4，燃料电池阴极气体出口5，燃料电池阴极平行刺片6。
图2是本发明的质子交换膜燃料电池极板中的阳极极板结构示意图；图中：燃料电池阳极气体入口7，燃料电池阳极气体平行蛇行流道8，燃料电池阳极极板边框9，燃料电池阳极气体出口10，燃料电池阳极刺片11。
图3是由本发明的阴极、阳极极板组成的质子交换膜燃料单电池结构示意图，图中：燃料电池阳极极板12，燃料电池单片电极膜(MEA)13，燃料电池阴极极板14。
具体实施方式
如图1所示，构成本发明电池极板的阴极极板设有由燃料电池阴极气体平行流道2和燃料电池阴极气体矩阵通孔3二合一组合形成组合流道，阴极极板两个对应边设有用于固定极板的燃料电池阴极极板边框4，阴极极板另两个对应边设有燃料电池阴极刺片6；所述平行流道2是平行的散热、进排气流道，贯穿阴极极板两端，所述矩阵通孔3分布于平行流道2的槽上。
如图2所示，构成本发明电池极板的阳极极板设有平行蛇行流道8；阳极极板两个对应边设有用于固定极板的燃料电池阳极板边框9，阳极极板另两个对应边设有燃料电池阳极刺片11。
如图3所示，本发明的阴极、阳极极板组成的质子交换膜燃料单电池由图1所示的阴极极板14、燃料电池单片电极膜(MEA)13、图2所示的阳极极板12构成。
实施例1
将平行流道和矩阵通孔按照附图1进行二合一组合形成组合流道，并且平行流道贯穿阴极极板两端，其中：平行流道的槽的宽与高的尺寸分别为0.5mm和0.8mm。通孔采用圆形通孔，孔深度0.6mm，通孔占平行流道面积的60％。将蛇行流道按照附图2贯穿阳极极板两端。阳极和阴极极板一侧边沿按平行流道数目的0.5倍设置平行刺片。按附图3将上述阳极极板、阴极极板和十片膜电极组成燃料电池堆，其尺寸为30mm×60mm×60mm。该燃料电池堆在常压、50℃下稳定运行，输出功率23W，输出电压6V左右。
实施例2
将平行流道和矩阵通孔按照附图1进行二合一组合形成组合流道，并且平行流道贯穿阴极极板两端，其中：平行流道的槽的宽与高的尺寸分别为1.3mm和2.2mm。通过阴极极板双面雕刻平行流道方式，形成方形通孔，孔深度1mm，通孔占平行流道面积的70％。将蛇行流道按照附图2贯穿阳极极板两端。阳极和阴极极板一侧边沿按平行流道数目的1.2倍设置平行刺片。按附图3将上述阳极极板、阴极极板和十片膜电极组成燃料电池堆，其尺寸为30mm×60mm×60mm。该燃料电池堆在常压、50℃下稳定运行，输出功率23W，输出电压6V左右。
实施例3
将平行流道和矩阵通孔按照附图1进行二合一组合形成组合流道，并且平行流道贯穿阴极极板两端，其中：平行流道的槽的宽与高的尺寸分别为2.5mm和2.8mm。通过阴极极板双面雕刻平行流道方式，形成方形通孔，孔深度1.3mm，通孔占平行流道面积的50％。将蛇行流道按照附图2贯穿阳极极板两端。阳极和阴极极板一侧边沿按平行流道数目的1.5倍设置平行刺片。按附图3将上述阳极极板、阴极极板和十片膜电极组成燃料电池堆，其尺寸为30mm×60mm×60mm。沿阴极极板平行流道一侧安装普通风扇，用于控制电池堆的水热管理。该燃料电池堆在常压、50℃下能稳定运行，输出功率高达27W，输出电压6V左右。
实施例4
将平行流道和矩阵通孔按照附图1进行二合一组合形成组合流道，并且平行流道贯穿阴极极板两端，其中：平行流道的槽的宽与高的尺寸分别为2.5mm和2.5mm。通孔采用圆形通孔，孔深度0.4mm，通孔占平行流道面积的50％。阳极极板采用平行直通流道。阳极和阴极极板一侧边沿按平行流道数目的1.5倍设置平行刺片。按附图3将上述阳极极板、阴极极板和十片膜电极组成燃料电池堆，其尺寸为30mm×60mm×60mm。该燃料电池堆在常压、50℃下稳定运行，输出功率25W，输出电压6V左右。
Claims (7)
1. 一种含有组合流道的质子交换膜燃料电池极板，其特征在于其阴极极板设有由平行流道和矩阵通孔二合一组合形成组合流道，其阳极极板设有蛇行流道；其中所述平行流道是平行的散热、进排气流道，贯穿阴极极板两端，所述通孔分布于平行流道的槽上。
2. 根据权利要求1所述的电池极板，其特征在于所述通孔为圆形、方形、三角形、蜂巢形、菱形或多边形通孔，通孔深度为0.4～1.3mm，通孔占平行流道面积的50％～70％。
3. 根据权利要求2所述的电池极板，其特征在于所述通孔深度为0.4～1.0mm，通孔占平行流道面积的50％～70％。
4. 根据权利要求3所述的电池极板，其特征在于所述平行流道的槽的宽与高的尺寸分别为0.5～2.5mm、0.8～2.8mm。
5. 根据权利要求4所述的电池极板，其特征在于所述平行流道的槽的宽与高的尺寸分别为1.3～2.5mm、0.8～2.5mm。
6. 根据权利要求5所述的电池极板，其特征在于所述阳极和/或阴极极板边沿的一边或者四边设有平行刺片。
7. 根据权利要求6所述的电池极板，其特征在于所述刺片的数目为平行流道数目的0.5～1.5倍。
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