CN100527501C

CN100527501C - 一种用于燃料电池的流场板

Info

Publication number: CN100527501C
Application number: CNB2005100866560A
Authority: CN
Inventors: 徐鲁宁; 韩立; 冯之钺
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2005-10-20
Filing date: 2005-10-20
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2025-10-20
Also published as: CN1953255A

Abstract

一种用于燃料电池的流场板，该流场板包含至少一个从流体的源[203]延伸到所述流体排出口[204]的沟道[205]。沟道间距b与沟道宽度a的比值在0.3和3之间变化；沟道间距b满足以下任一条件：(1)同一沟道间距b的最大值和最小值的差值，大于此沟道间距最小值的6%；(2)至少有两个沟道间距b的差值大于沟道间距中最小值的6%。沟道[205]在整个电化学反应区内呈非均匀分布：在流体的源[203]附近沟道间距[b]较大，在流体排出口[204]附近的沟道间距[b]较小。在电化学反应区内，沟道[205]横截面积沿着流体的流动方向保持不变，其行走图案可以是现有流场设计中所涉及的任何图案。

Description

一种用于燃料电池的流场板

技术领域

本发明涉及燃料电池流场板，尤其涉及可适用于质子交换膜燃料电池的流场板。

背景技术

燃料电池是其中燃料和氧化剂以受控方式结合直接产生电的装置。因为是燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能，不需要中间燃烧步骤，不受卡诺循环限制，电效率比传统发电装置高，加之运行噪音小、环保及维修容易等诸多特点，近些年来倍受瞩目。

尽管燃料电池有诸多优点，但在技术和成本上仍有许多问题有待解决。其中，如何解决反应流体浓度分布不均就是一个问题。燃料电池是由单体叠装而成，通常将多个单体与必要相关附件的组合称为电堆。为了输出一定功率，必然需要采用多个单体，而且每个单体的面积要足够大，以保证输出一定电流，这就需要通过流场上的沟道将反应流体送达反应界面。在输送过程中，随着反应不断进行，反应流体浓度不断降低，造成同一单体内反应流体在进口的浓度比在出口处的浓度高，反应流体在电堆入口处的浓度比在电堆出口处的浓度高。反应流体浓度分布不均会增加诸如反应产物分布不均，增加水管理和热管理难度等许多影响电堆性能的因素，增加控制电堆的难度。为此，科研人员研究了各种流场分布图案如蛇型、平行、网格或树状等等，以期解决反应流体浓度分布不均这一问题，并取得了一定的进展。

中国专利CN 02804868.7流场板几何图案、CN02804869.5流场板几何结构、CN200310105202.4一种质子交换膜燃料电池流场结构；美国专利US 6358642：Flow channels for fuel cell；US 5686199，Flow field plate for use in a protonexchange membrane fuel cell；US 6663997B2，OXIDEND FLOW FIELD FORSOLID POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FUEL CELL；所涉及燃料电池的流场板的沟道，设计思路主要集中在沟道行走图案，如蛇型、平行式和树枝型等等；或改变流体在流动过程中的流动状态，如在沟道中增加扰动点，将流体的层流状态变为湍流，强制气体在沟道内部进行浓度交换，改变沟道内气体的浓度分布，或变化沟道中垂直流体流动方向的截面面积，通过改变流体运动速度来调整沟道内部流体的浓度分布，减少流体在沟道进口与出口处的浓度差，但沟道在整个电化学反应区内均呈均匀分布，即各沟道间距相同。上述流场板专利能够达到调整流体浓度分布、减少流体在沟道进口与出口处浓度差的目的，但是，不能从根本上解决流体分布浓度差问题。因为，沟道呈均匀分布，而沿着沟道中流体的流动方向，随着反应的不断进行，流体浓度不断减低，所以在流体沟道呈均匀分布的情况下，在电化学反应区内，各处的电化学反应强度是不均匀的。很显然，电化学反应强度在进口附近高，而在出口附近低。这是沟道呈均匀分布的流场设计在解决电化学反应区内各处电化学反应强度均匀化问题的瓶颈。

图2为现有技术中网格沟道图案的流场示意图，图中：101为流场板，102为电化学反应区，103为流场沟道中流体的源，104为流场沟道中流体排出口，105为流场沟道。在此流场设计中，各沟道间距是相同的，即具有相同的沟道分布密度。在整个电化学反应区内，沟道分布密度没有变化。其实施结果是，在整个电化学反应区内，反应流体始终存在着分布浓度差，不能消除电化学反应强度不均的现象。

CN 02804868.7发明专利提出了一种横截面变化的变截面沟道设计。通过沟道截面面积的变化，改变沟道中流体的流速，进而达到加速流体输送速度的目的。此发明减小了截面积没有变化的沟道所存在的，由于反应不断进行所造成的，沿着流体流动方向，流体浓度不断降低所带来的浓度差。但此发明仍存在一定缺陷。为尽可能地缩小这种浓度差异，沟道横截面面积需要调整得很小，给加工带来不便和困难。当横截面小到一定程度，其深度必然降低，随着反应不断进行，反应生成物——水的不断积聚，容易造成沟道堵塞，至使此类沟道失去承载反应流体的作用，即部分沟道失效，从另一方面造成电化学反应区内流体分布浓度不均。即使考虑到以上原因，将沟道横截面面积限制在一定范围内，但由于反应生成物——水所造成的膜膨胀也会占用一部分沟道横截面，在设计时还需要留有一定裕度，这将使横截面面积的变化受到限制，影响其实施效果。

发明内容

为克服现有技术在电化学反应区内各处电化学反应强度不均匀的问题，本发明提出一种用于燃料电池的流场板，通过调整沟道间距，来改变整个电化学反应区内的沟道分布密度，以使电化学反应区内各处的电化学反应强度均匀化。

本发明所述的流场板至少包含一个从流体的源(即流体进口)延伸到流体的排出口(即流体出口)的沟道，沟道布满整个电化学反应区，并在电化学反应区内呈非均匀分布。沟道低于流场板表面的部分称为“槽”，槽的宽度称为沟道宽度；槽和槽之间与流场板表面处于同一水平面的部分称为“脊”，脊的宽度称为沟道间距。沟道呈非均匀分布，以沟道间距变化为特征，至少满足以下条件之一：(1)同一沟道间距的最大值和最小值的差值，大于此沟道间距最小值的6％；(2)至少有两个沟道间距的差值大于沟道间距中最小值的6％。

本发明在流体浓度较高的区域内，增加沟道间距，即沟道分布密度减小；在流体浓度较低的区域，减小沟道间距，即沟道分布密度增加。因为在整个电化学反应区内，靠近流体的源(即流体进口)附近，这一区域的流体浓度比较高，所以该区域的沟道间距要大一些，表现为沟道分布密度小，以抵消由于流体浓度较高而造成的该区域内电化学反应强度的增高；随着反应过程不断进行，流体浓度逐渐降低，靠近流体排除口(即流体出口)附近的区域，流体浓度较低，则该区域内的沟道间距要小一些，表现为沟道分布密度大，以补充由于流体浓度降低所造成的该区域内电化学反应强度的降低。通过沟道间距的变化来平衡沟道内流体浓度的变化，以在整个电化学反应区内实现电化学反应强度的均匀化。

因此，在本发明中，电化学反应区内的沟道间距是变化的。沟道间距的变化范围需要和沟道宽度相匹配，沟道间距与沟道宽度的比值在0.3到3之间变化。沟道在流场板内的行走图案可以为现有流场板设计中所涉及到的任何形状，但沟道宽度、深度及其横截面形状和大小沿其长度方向保持不变。

本发明所涉及的反应流体包括燃料、氧化剂和冷却剂。

本发明中，沟道穿过流场板的电化学反应区，其在电化学反应区内的分布符合以下规律：在流体浓度高的区域，如流体的源附近，沟道间距较大，沟道分布密度低；在流体浓度低的区域，如在流体排出口附近，沟道间距较小，沟道分布密度高。沟道间距的变化与流体浓度的变化成对应关系，随着流体浓度的逐渐降低，沟道间距逐渐缩小。

本发明突破以往流场设计瓶颈，将沟道间距作为流场设计的一个参数。通过沟道间距的变化来平衡沟道内流体浓度的变化，以在整个电化学反应区内实现电化学反应强度的均匀化，解决由此带来的系列问题。

附图说明

图1为本发明中沟道垂直于流体流动方向的截面示意图。图中：a沟道宽度、b为沟道间距。

图2为现有技术中网格沟道图案流场设计模式的示意图，图中：101为流场板，102为电化学反应区，103为流场板沟道中流体的源，104为流场板沟道中流体排出口，105为流场板沟道。

图3为本发明中，以网格沟道图案为例的具体实施方式示意图，图中：201为流场板，202为电化学反应区，203为流场板沟道中流体的源，204为流场板沟道中流体排出口，205为流场板沟道。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图3所示，本发明流场板201包含至少一个从流体的源203延伸到所述流体排出口204的沟道205，沟道205在电化学反应区内呈非均匀分布。在流体的源203附近，沟道间距较大，沟道分布密度较小；在流体排出口204附近，沟道间距较小，沟道分布密度较大。在电化学反应区内，沟道205的横截面积保持不变，同时沟道205的宽度、深度沿其长度方向保持不变。

如图1所示，a为沟道宽度、b为沟道间距。沟道间距b与沟道宽度a的比值在0.3和3之间。

沟道间距b满足以下任一条件：

(1)Δb＝b_max-b_min大于b_min的6％；b_max为同一沟道间距中的最大值，即“脊”的最宽处，b_min为同一沟道间距中的最小值，即“脊”的最窄处。

(2)至少有两个沟道间距b的差值大于沟道间距中最小值的6％。

示例如下：

如果b_min＝2mm，b_max＝2.13mm，则Δb＝b_max-b_min＝0.13mm大于b_min的6％，即0.12mm，则为非均匀分布。

假设b(n)为流场板上电化学反应区内任意一个沟道间距，b(m)为该流场板上电化学反应区内的另一个沟道间距，而b(o)是流场板上电化学反应区内沟道间距中的最小值。如果两者差值的绝对值

Δb＝|b(n)-b(m)|>b(o)×6％

则为非均匀分布。且

0.3 < \frac{b}{a} < 3

在流体的源203附近，流体浓度较高，相应的沟道间距b较大，沟道分布密度较小；随着反应物不断消耗，在流体排出口204附近，流体浓度较低，则相应的沟道间距b较小，沟道分布密度较大。通过调整沟道间距，使得沟道205的分布密度相应变化，弥补了反应消耗所造成的流体浓度差，在整个电化学反应区202内，实现了电化学反应强度的均匀化，解决了由此带来的系列问题。

本发明中的流场板201可以采用机械切削、铣、磨及模压等方式制成。流场板201的材质可以为石墨板、碳粉和树脂按一定比例混合后压制而成的板材或金属板。

本发明中的流场板，在电化学反应区内的沟道间距b是变化的；沟道行走图案可以是现有流场设计中的任何图案。并具有如下特征：

1、沟道在整个电化学反应区内呈非均匀分布。

2、沟道穿过流场板中的电化学反应区，在流体浓度较高的区域内，沟道间距较大，沟道分布密度较小；在流体浓度较低的区域内，沟道间距较小，沟道分布密度较大。

3、沟道宽度、深度及其形状沿其长度方向不变。

本发明可通过调整沟道间距来调整沟道分布密度，在流体浓度较高区域，增加沟道间距以降低沟道分布密度；在流体浓度较低区域，减小沟道间距以增加沟道分布密度。本发明中沟道的宽度、深度及其横截面形状在其长度方向上保持不变，缩小沟道间距，则单位尺寸内的沟道数目增多，密度势必增加，反之，增加沟道间距，则单位尺寸内沟道数目减少，密度减小。沟道密度的变化必然影响这一区域内流体浓度的分布。因此，在加工流场板时，通过加工出不同沟道间距的沟槽来调整沟道分布密度，即调整了电化学反应区内流体分布浓度，使其均匀化，最终实现整个电化学反应区内反应强度的均匀化，从本质上解决了流体浓度非均匀分布问题。本发明从物理层面保证了内部反应的一致性，因此提高了膜电极的使用寿命，简化了电堆的控制难度，进而提高了电堆性能。

Claims

1、一种用于燃料电池的流场板，该流场板包含至少一个从流体的源[203]延伸到所述流体排出口[204]的沟道[205]，其特征在于沟道[205]的宽度、深度及其横截面形状和大小沿其长度方向保持不变；沟道分布密度在整个电化学反应区内呈非均匀分布；流体的源[203]附近的沟道间距b较大，在流体排出口[204]附近的沟道间距b较小，沟道间距b随着流体浓度的逐渐降低而逐渐缩小；沟道间距b与沟道宽度a的比值在0.3到3之间变化；沟道间距b满足以下任一条件：

(1)同一沟道间距的最大值和最小值的差值，大于此沟道间距最小值的6％；

(2)至少有两个沟道间距的差值大于沟道间距中最小值的6％。

2、如权利要求1所述的流场板，其特征在于在电化学反应区内，沟道[205]的横截面积保持不变。