CN101656320B - 电化学池用的流场板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电化学池用的流场板，其在该流场板的基板的正面存在一圆形区域或者正反两面均存在一圆形区域；所述圆形区域从其圆心到其边缘分布有至少二条径向沟槽；并且环绕所述圆心分布有至少二条周向沟槽，从而位于不同半径上的相邻两条周向沟槽之间形成环绕所述圆心分布的周向凸脊。本发明还提供了所述流场板在制备电化学池中的用途，以及包含所述流场板的电化学反应池。本发明的流场板以及由其制备的电化学反应池具有气液传质均匀、高效、使用寿命延长的优点。

Description

电化学池用的流场板

技术领域

本发明涉及一种适用于具有圆形结构的电化学池用的流场板，更确切地说涉及一种采用固体聚合物电解质(SPE)的电解设备和燃料电池的圆形流场板。

背景技术

随着人类社会经济的快速发展，能源在社会发展中发挥的作用也越来越重要。社会越发展，人类对能源的依赖越大，获取能量的手段和方式越多。人类社会发展到今天，化石能带来的环境污染已经迫使人们努力开发利用其它形式的清洁能源。太阳能、风能、地热、核能等虽利于国民经济的持续发展和环境保护，但由于其受时间和地域的限制，必须辅以能量的传输及转移。

自1838年燃料电池的电化学效应(polarisation effect)被Basle大学的CF 

教授发现，燃料电池已经历了将近170年的发展历史。燃料电池电压适当、能量密度高，适用于发电站、交通工具、小型供电装置等，但是在很长一段时期内，由于关键技术无法突破，燃料电池的发展停滞不前。近年来，随着世界各国对能源与环境的日益重视，燃料电池作为解决问题的途径之一，逐渐引起人们的关注，人们把燃料电池看成一种环境友好的能源产生方式。

燃料电池可以看成是一个将燃料的化学能直接转换成电能的“工厂”。这个工厂使用的原料可以是氢气和氧气，也可以是甲醇和空气等等，这些原料通过电化学的方式释放能量。按照所使用电解质的不同，燃料电池可分为碱性燃料电池，磷酸燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池，固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池。尽管这些燃料电池类型不同，从热力学上看，它们都具有能量转换效率高和污染小的特点。燃料电池反应的产物主要是二氧化碳和水，并且能量的利用方式是采用电能的形式，不存在噪声污染。

质子交换膜燃料电池以质子交换膜为电解质，也称为固体聚合物燃料电池。其主要特点和优势包括较低的使用温度、易于启动-制动、可满足移动电源需要，其主要缺点主要包括催化剂及膜等材料成本高、易于CO中毒等。根据使用燃料的不同，可将质子交换膜燃料电池分为氢氧燃料电池、直接甲醇燃料电池或直接醇燃料电池等。

目前，另一类型的电化学池即固体聚合物(Solid PolymerElectrolyte，简称SPE)电解槽，其内部电接触问题和气液传质问题始终是限制电解槽能量效率的大问题。电接触的问题主要体现在如果膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)、扩散层(有时也叫集电器)、双极板为平行平面连接，在反应过程中液体水变为气体时由于体积变化会造成内部出现多处接触不良点，造成电流达到一定值后电损耗增加。气液传质问题体现在扩散层孔隙度和整体阻力上，当孔隙度过多会造成电阻增大，孔隙度过少则造成扩散阻力过大，电解电压急剧增加；另外整体阻力过大也会造成相应供水装置和防泄漏成本增加。流场结构无疑是直接决定电解槽内部气液传质的首要因素。

已见报道的电化学池用例如电解设备和燃料电池用的流场包括蛇型流场、网状流场、多孔结构流场、平行流场、交指状流场、螺旋流道流场、点状流场等等。

例如，CN2893939Y(中国专利申请号：200620090362.5，公告日：2007年4月25日)公开了一种质子交换膜燃料电池流场结构，流场面沿其横向或纵向平均分成n等份，n≥2，每份上的流场由一条折回的螺旋型流道组成，各流道长度相同，气体阻力均匀，流道的进口段与出口段相邻，反应生成的水在水含量不同的相邻流道之间，只有一条脊的距离间隔，电池的进出口部分都有一定湿度的气体通过，整个流场各部分的湿度均匀化，具有自增湿作用，据说这种设计会由于流道的折回，温度和气体浓度和气体湿度在整个流场平面得到均衡，有利于提高电池的性能和电池运行的稳定性。

又例如，CN1622377Y(中国专利申请号：200310105202.4，公开日：2005年6月1日)公开了一种质子交换膜燃料电池流场结构，该结构由网状流场和折流条构成，折流条置于网状流场的内部，折流条宽度与网状流场的高度相同，折流条平行于网状流场的一组密封侧壁面，折流条的一端与另一组密封侧壁面交替垂直连接，折流条的另一端为气体通道；折流条与折流条和网状流场密封侧壁面所形成的气体通道宽度不小于气体入口的宽度，据说该发明设计可以使电极面积利用率高，有利于电化学生成水的排除和惰性组分积累的消除；气体在流场内流动走折流，不会走短路，不会出现死区，燃料电池可以在低压或常压下稳定操作。

此外，CN1625817A(中国专利中请号：02828887.4，公开日：2005年6月8日)公开了一种燃料电池极板，包括通常适用于流体流动的一基板作阴极，所述基板具有由一对纵边围和一长及一短横边围界定的基本为梯形的顶视图，并设有入口和出口孔，前者平行并接近于所述长横边围，而后者接近于所述短横边围，所述基板还具有一连续壁，其与所述一对纵边围和所述长及短横边围有间隔，并自所述基板的一顶部向上延伸，所述连续壁界定出被分成许多通道的一流场，向通过所述入口孔进入然后流经通道并通过所述出口孔排出的流体流开放的、所述基板的所述流场的横截面不断缩小，因此所述流体的流速不断增加。

遗憾的是，已见报道的各种结构的流场均有其一定的缺点。规则流场通常情况下对电化学池内部反应考虑不周全，比如质子交换膜燃料电池常用的蛇形流场主要是为了防止水淹，而此种结构就不适合于水电解制氢氧的电解槽中。同样在电解槽中施加电流的大小同样对流场结构有明显影响作用，小电流时气体量较少，点状和直通道流场就可以满足条件，大电流下过多的气体就可能导致内部排气不均匀造成电解效率降低，此时采用其他类型的流场可能更好。另外，为克服气液传质和电化学反应的性能不良的问题而将流场设计成混合型，这种混合型的流场将样会大大增加制造成本。

因此，提供一种新颖结构设计的流场板，以使电化学池内的气液传质均匀、高效、使用寿命延长，仍是本领域技术人员期待的。

发明内容

本发明的目的是，解决电化学池内部的气液传质，使反应物在催化层表面分布更加均匀，同时使产物尽可能快速的排出；解决电流在催化层表面的分布问题，充分考虑极板的沟槽内反应物浓度变化和邻近脊宽度的变化以使电流分布更加均匀，催化剂利用率得到提高，同时有效防止局部热点的产生，避免了膜电极出现针眼(Pin hole)，破坏膜电极，损坏电化学池例如电解槽的性能。

为此，本发明第一方面提供了一种电化学池用的流场板，其特征在于，在该流场板的基板的正面(或称为前面)存在一圆形区域或者正反两面(或称为前面和后面)均存在一圆形区域；所述圆形区域从其圆心到其边缘分布有至少二条径向沟槽；并且环绕所述圆心分布有至少二条周向沟槽，从而位于不同半径上的相邻两条周向沟槽之间形成环绕所述圆心分布的周向凸脊。

根据本发明第一方面的流场板，其中，在该流场板的基板的正面存在一圆形区域或者正反两面均存在一圆形区域；所述圆形区域从其圆心到其边缘分布有至少二条径向沟槽；并且环绕所述圆心分布有至少二条周向沟槽，从而位于不同半径上的相邻两条周向沟槽之间形成环绕所述圆心分布的周向凸脊，其特征在于：流场板上的径向沟槽、周向沟槽、周向凸脊三者的宽度各自独立地是变化的。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其具有以下一项或多项特征：

a)在该流场板的俯视方向所述径向沟槽呈扇形，该扇形的圆心角为0至20°，优选2至20°，优选5至20°，优选5至18°，优选5至15°；

b)所述位于不同半径上的周向沟槽的宽度是各不相同的，并且从边缘向圆心方向的各周向沟槽的宽度逐渐增加或者逐渐减小的，优选是逐渐增加的；

c)所述位于不同半径上的周向凸脊的宽度是各不相同的，并且从边缘向圆心方向的各周向凸脊的宽度逐渐增加或者逐渐减小的，优选是逐渐增加的。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，在该流场板的俯视方向所述径向沟槽呈扇形，该扇形的圆心角为0至20°，优选2至20°，优选5至20°，优选5至18°，优选5至15°。由此该径向沟槽在圆的径向方面的宽度是连续增加的或连续缩小的，优选地在从圆心到圆的边缘的径向方向的该宽度是连续增加的。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述径向沟槽在圆的径向方面的宽度是固定的。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述径向沟槽在圆的径向方面的宽度是固定的，并且该径向沟槽的宽度为0.5～10mm，优选2～7mm，优选4～6mm；例如该径向沟槽的宽度为约1.5mm、约3.5mm、约5mm、约6mm、或约7mm。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述径向沟槽的深度为0.1～2.5mm，优选0.5～1.5mm，优选0.75～1.25mm；例如该径向沟槽的深度为约0.5mm、约0.75mm、约1mm、约1.5mm、或约2mm。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述径向沟槽的数目为2～12条，或者为2～10条，或者为2～8条，或者为2～6条；例如2条、3条、4条、5条、或6条。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述至少2条径向沟槽在所述圆形区域中各自相互是对称分布或非对称分布的。在一个实施方案中，所述至少2条径向沟槽在所述圆形区域中各自相互是对称分布的。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述位于不同半径上的周向沟槽的宽度是相同的。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述位于不同半径上的周向沟槽的宽度是相同的，并且其宽度为0.5～10mm，优选2～7mm，优选4～6mm；例如该周向沟槽的宽度为约1.5mm、约3.5mm、约5mm、约6mm、或约7mm。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述位于不同半径上的周向沟槽的宽度是各不相同的。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述位于不同半径上的周向沟槽的宽度是各不相同的，并且从边缘向圆心方向的各周向沟槽的宽度逐渐增加或者逐渐减小的，优选是逐渐增加的。在一个实施方案中，增加或减小的幅度可以依据边缘周向沟槽的宽度而定，幅度介于10-150％，该幅度范围也可以是固定或变化的，优选其依据一定的数学关系式。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述位于不同半径上的周向沟槽的宽度是各不相同的，并且从边缘向圆心方向的各周向沟槽的宽度逐渐增加的，它们的宽度范围为0.5～10mm，优选2～7mm，优选4～6mm。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述位于不同半径上的周向沟槽的宽度是各不相同的，并且从边缘向圆心方向的各周向沟槽的宽度是以一定的增量逐渐增加的，所述的增量例如为0.2～5mm，优选为0.5～3mm，优选为1～2mm；例如约0.75mm、约1mm、约2mm、约4mm。在一个实施方案中，该从边缘向圆心方向的各周向沟槽的宽度是以2mm的增量逐渐增加的，其中最外缘的周向沟槽的宽度为1mm，向圆心的各周向沟槽的宽度分别为3mm、5mm、7mm、9mm、11mm等，直到圆心。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述位于不同半径上的周向沟槽的宽度是各不相同的，并且从边缘向圆心方向的各周向沟槽的宽度逐渐减小的，它们的宽度范围为0.5～10mm，优选2～7mm，优选4～6mm。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述位于不同半径上的周向沟槽的宽度是各不相同的，并且从边缘向圆心方向的各周向沟槽的宽度是以一定的减量逐渐减小的，所述的减量例如为0.2～5mm，优选为0.5～3mm，优选为1～2mm；例如约0.75mm、约1mm、约2mm、约4mm。在一个实施方案中，该从边缘向圆心方向的各周向沟槽的宽度是以2mm的减量逐渐减小的，其中最外缘的周向沟槽的宽度为7mm，向圆心的各周向沟槽的宽度分别为5mm、3mm、1mm，直到圆心。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述位于不同半径上的各周向沟槽的横截面形状相互相同或不同，优选相同。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述位于不同半径上的各周向沟槽的横截面形状相互独立地选自方形、半圆形、倒梯形、半椭圆形、弧形、V字形。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述周向沟槽的深度为0.1～2mm，优选0.5～1.5mm，优选0.75～1.25mm；例如该周向沟槽的深度为约0.5mm、约0.75mm、约1mm、约1.2mm、或约1.5mm。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述径向沟槽和周向沟槽深度相同或者不同。在一个实施方案中，所述径向沟槽和周向沟槽深度相同。在一个实施方案中，所述径向沟槽深度大于周向沟槽。在一个实施方案中，所述径向沟槽深度比周向沟槽深度大0.1～2.4mm，优选大0.5～2mm，更优选大0.75～1.5mm。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述位于不同半径上的周向凸脊的宽度是相同的。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述位于不同半径上的周向凸脊的宽度是相同的，并且其宽度为0.5～10mm，优选2～7mm，优选4～6mm；例如该周向凸脊的宽度为约1.5mm、约3.5mm、约5mm、约6mm、或约7mm。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述位于不同半径上的周向凸脊的宽度是各不相同的。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述位于不同半径上的周向凸脊的宽度是各不相同的，并且从边缘向圆心方向的各周向凸脊的宽度逐渐增加或者逐渐减小的，优选是逐渐增加的。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述位于不同半径上的周向凸脊的宽度是各不相同的，并且从边缘向圆心方向的各周向凸脊的宽度逐渐增加的，它们的宽度范围为0.5～10mm，优选2～7mm，优选4～6mm。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述位于不同半径上的周向凸脊的宽度是各不相同的，并且从边缘向圆心方向的各周向凸脊的宽度是以一定的增量逐渐增加的，所述的增量例如为0.2～5mm，优选为0.5～3mm，优选为1～2mm；例如约0.75mm、约1mm、约2mm、约4mm。在一个实施方案中，该从边缘向圆心方向的各周向凸脊的宽度是以2mm的增量逐渐增加的，其中最外缘的周向凸脊的宽度为1mm，向圆心的各周向凸脊的宽度分别为3mm、5mm、7mm、9mm、11mm等，直到圆心。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述位于不同半径上的各周向凸脊的横截面形状相互相同或不同，优选相同。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述位于不同半径上的各周向凸脊的横截面形状是由所述基板经刻挖所述周向沟槽后余留部分所形成的横截面形状。也就是说，如果所述周向沟槽是由所述基板经刻挖形成横截面为矩形时，相邻两周向沟槽之间的余留部分也形成为相应的矩形周向凸脊；又例如，如果所述周向沟槽是由所述基板经刻挖形成横截面为倒梯形时，相邻两周向沟槽之间的余留部分也形成为相应的正梯形周向凸脊。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述周向凸脊的上顶面与所述基板的正面(即设计流场的一面)基本上平齐。也就是说，该周向凸脊是这样形成的：在所述基板的正面(即设计流场的一面)选定一圆形区域，根据设计图刻挖径向沟槽和周向沟槽，在不同半径上的相邻两周向沟槽之间未经刻挖的部分即形成本发明所述的周向凸脊。据此，在确定了周向沟槽的横截面形状后，邻近的周向凸脊的横截面形状以及其从周向沟槽的底部到其自身的顶部的高度也将相应地确定。

根据本发明，由于刻挖有径向沟槽和周向沟槽，因而不同半径上的各周向凸脊相互之间是分离的。同样，由于刻挖有至少两条径向沟槽，因而相同半径上的周向凸脊不能形成完整的环，在圆形区域的相同半径上的周向凸脊至少有两条，即存在两条径向沟槽时，这两条径向沟槽将相同半径上的周向凸脊分成两段弧，即形成两条周向凸脊。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述圆形区域的圆心处形成与所述径向沟槽的深度基本上相同的沟槽。在一个实施方案中，所述圆形区域的圆心处形成与所述径向沟槽的深度基本上相同的圆形沟槽。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，所述圆形区域的圆心处形成与所述周向凸脊高度基本上相同的凸脊。在圆心处的该凸脊在大小可以根据径向沟槽在圆心处的宽度以及该凸脊外围的周向沟槽的宽度等因素来确定，从而在圆形区域的圆心处形成有一小圆形凸脊。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，在所述基板上还设置有至少两个穿透该基板的通孔；在一个实施方案中，流场板每面至少有一个通孔，且该通孔通过径向沟槽向外延伸的沟槽与流场区相连。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，在所述基板上还设置有至少两个穿透该基板的通孔，所述通孔位于圆形区域的外部；在一个实施方案中，流场板每面至少有一个通孔，且该通孔通过径向沟槽向外延伸的沟槽与流场区相连。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，在所述基板上还设置有至少两个穿透该基板的通孔，所述通孔位于圆形区域外部，并且位于所述径向沟槽的向外延伸处，用于引入反应物和引出产物；在一个实施方案中，流场板每面至少有一个通孔，且该通孔通过径向沟槽向外延伸的沟槽与流场区相连。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，在所述基板上还设置有至少两个穿透该基板的通孔，所述通孔位于圆形区域的内部。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，在所述基板上还设置有至少两个穿透该基板的通孔，所述通孔位于圆形区域内部，并且在所述径向沟槽向外延伸到圆形区域的边缘处，通孔仅与一侧的径向沟槽相连通。

根据本发明第一方面任一项的流场板，其特征在于，当所述通孔位于所述径向沟槽向外延伸到圆形区域的边缘处时，通孔仅与一侧的径向沟槽相连通，与另一侧不连通的实现方式可以为设计流场板正反面时，两侧为非对称设计；或者对称设计时，通孔与另一侧以密封圈密封，使其不连通。

本发明的流场板可以用于各种类型的电化学反应池，例如，但不限于电解槽和燃料电池。

为此，本发明第二方面提供了本发明第一方面任一项所述流场板在制备电化学池中的用途。

根据本发明第二方面的用途，其中所述的电化学池是电解槽或燃料电池中使用的电化学池。

进一步地，本发明第三方面提供了一种电化学反应池，其包括成套组装的下列组件：

a)具有右面(或者可称为正面)和左面(或者可称为背面)的膜电极组件，该膜电极组件包括：

i)具有右面(或者可称为正面)和左面(或者可称为背面)的离子传导性膜，

ii)设置于该右面上的第一催化剂层，

iii)设置于该左面上的第二催化剂层，

iv)设置于该第一催化剂层右面的第一扩散层，和

v)设置于该第二催化剂层左面的第二扩散层；

b)分别设置于所述膜电极组件右面和左面的阳极流场板和阴极流场板；

c)设置于所述阳极流场板右面的阳极端板，和设置于所述阴极流场板左面的阴极端板；

d)单独从所述阳极流场板的一端通孔或阴极流场板的一端通孔向远离所述膜电极组件方向引出，并且连通到所述阳极端板或阴极端板外侧的反应物进口和产物出口；以及

e)设置于所述膜电极组件与阳极流场板之间以及所述阳极流场板与阳极端板之间的阳极绝缘层，和设置于所述膜电极组件与阴极流场板之间以及所述阴极流场板与阴极端板之间的阴极绝缘层，

其中，所述的流场板是根据本发明第一方面任一项的流场板定义。

本发明的电化学反应池既可作为例如但不限于电解槽类型的电化学反应池使用，也可以作为例如但不限于燃料电池类型的电化学反应池使用。

本发明所引述的所有文献，它们的全部内容通过引用并入本文，并且如果这些文献所表达的含义与本发明不一致时，以本发明的表述为准。此外，本发明使用的各种术语和短语具有本领域技术人员公知的一般含义，即便如此，本发明仍然希望在此对这些术语和短语作更详尽的说明和解释，提及的术语和短语如有与公知含义不一致的，以本发明所表述的含义为准。需要说明的是，本发明使用的各种术语，虽然它们在某些现有技术中以其它的术语来称谓，但是它们在本质上具有相同的含义。

在本文中，词语“约”是指所修饰的数值或数值范围在本领域技术人员可以理解的并且允许的误差，例如，所修饰的数值或数值范围的10％的误差通常是允许的。

在本文中，术语“流场”是指反应物和产物在电化学反应池中的流动通道。在本文中，术语“流场板”通常也称为极板或双极板，其可以实现两种基本的功能，即(1)由于在该流场板的圆形区域内存在相互贯通径向沟槽和周向沟槽，从而流体(例如电化学反应池的反应物和产物)可以从通孔进入该流场板后沿这些沟槽流过，最后进入另一通孔流出电化学反应池，即作为流体(例如电化学反应池的反应物和产物)的流动通道；(2)在该流场板提供了流体通道后，由于周向凸脊的存在，该周向凸脊与电化学反应池的扩散层接触，从而实现该流场板(即极板)与扩散层的电接触。

在本文中，流场设计在一圆形区域中，本发明人发现此设计的优点至少在以下方面是明显的：设计美观，体积较小，内部膜电极和相应元件的压力分布更均匀，其耐受压力较强。

在本文中，术语“沟槽”亦可称为“通道”或“流体通道”。术语“径向沟槽”亦可称为流体流通的“主通道”或“主干道”。术语“周向沟槽”亦可称为流体流通的“次通道”。

在本文中，术语“周向”是指周绕圆心环绕的方向，可以是顺时针方向，也可以是逆时针方向。

在本文中，术语“凸脊”亦可称为“脊”或“凸起”。

在本发明中，所述至少两条径向沟槽在所述圆形区域中各自相互是对称分布或非对称分布的。在对称分布的情况下，其对称线可以是其中一条径向沟槽的中心线，和/或对称线也可以在两径向沟槽隔出的周向沟槽的区域。例如，对于存在两条径向沟槽的情况下，如果此两条径向沟槽位于同一直线上，则对称线可以是径向沟槽的中心线，也可以是与径向沟槽中心线垂直的直线。又例如，对于存在两条径向沟槽的情况下，如果此两条径向沟槽不是位于同一直线上，则对称线是此两条径向沟槽所围成的扇面的中心线。

在本发明流场板的一个实施方案中，位于不同半径上的周向沟槽的宽度是各不相同的，并且从边缘向圆心方向的各周向沟槽的宽度逐渐增加。这种宽度逐渐增加的优点是明显的：反应物进入后压力得以释放，可以更均匀的分布于扩散层表面，待反应进行一定时间后重新压力聚集可以促使内部反应物更加有效的透过扩散层进入催化层表面；同时反应过程中压力的释放和聚集可以有效的造成极板表面流体的湍流效果，强化气液传质。

在本发明流场板的一个实施方案中，位于不同半径上的周向凸脊的宽度是各不相同的，并且从边缘向圆心方向的各周向凸脊的宽度逐渐增加的。这种宽度逐渐增加的优点是明显的：由于为强化传质实施的沟槽宽度变化会引入一定的电流分布不均匀，从而可能造成膜电极上催化剂利用率降低，而凸脊宽度的相应变化弥补了这方面的损失。

根据本发明，在所述基板上设置的至少两个穿透该基板的通孔可以为本发明的流场区域内的反应物或产物的进出提供通道，流场板每面至少有一个通孔，且该通孔通过径向沟槽向外延伸的沟槽与流场区相连。。

在本发明第二方面的电化学反应池中，其中的膜电极组件、离子传导性膜、催化剂层、扩散层等部件是本领域技术人员公知的。

本发明人发现，采用本发明的流场板以及由其制备的电化学反应池，所述的流场板具有气液传质均匀、高效、使用寿命延长的优点。

附图说明

图1显示本发明一种流场板的正面示意图。

图2显示了本发明一种流场板的圆形区域的示意图。

图3显示了本发明一种流场板的圆形区域的示意图。

图4显示了本发明一种流场板的圆形区域的示意图。

图5显示了本发明一种流场板的圆形区域的示意图。

图6显示了本发明一种流场板的圆形区域的示意图。

图7显示了图4所示流场板组成的双极极板的示意图。

图8显示了本发明几种沟槽的横截面形状示意图。

图9显示了各种流场的极化曲线对比图。

本发明使用的主要附图标记概括如下：

1：基板        4：周向沟槽

2：圆形区域    5：周向凸脊

3：径向沟槽    6：通孔

具体实施方式

以下参考附图以及实施例进一步说明本发明。但是，这些具体实施方式和附图只是为了便于理解本发明而作说明之用，并非用于限制本发明。

参见图1，为本发明流场板的一种实施方式，显示了该流场板的正面的平面示意图。图中显示，在基板1中存在一圆形区域2，该圆形区域2的半径为80mm。在该圆形区域2中刻挖有四条径向沟槽3，所述径向沟槽3是从半径为5mm的圆心开始以约5°的角度形成扇形，其中两条径向沟槽3在一条直线上，另两条径向沟槽3在上述径向沟槽3之一的两侧分别呈60°角，由此以在同一直线上的两条径向沟槽3的中心线为准将圆形区域2分成对称的两部分。另外，该半径5mm的圆心未予刻挖，自该圆心向外围每隔5mm刻挖一宽度为5mm，深度为1mm的周向沟槽4，该周向沟槽4环绕所述圆心分布，从而位于不同半径上的相邻两条周向沟槽4之间形成环绕所述圆心分布的周向凸脊5，并且由此形成的该周向凸脊5的宽度为5mm，该周向凸脊5的高度(即从周向沟槽4底部至周向凸脊5顶部的距离)为1mm。另外，在圆形区域2外正对各径向沟槽3处分别刻挖半径约5mm的通孔6，并且径向沟槽3凹陷与该通孔6相通，使反应物通过该通孔6流入后可以沿着与该通孔6相连的径向沟槽3流入本发明的流场，即流入径向沟槽3(在本发明中亦可称为主干道)，然后流入与该径向沟槽3连通的周向沟槽4，最后流体又汇集到经设计的径向沟槽3，例如在图1中以左侧的通孔为流体进入本发明流场的入口，右侧的通孔作为流体的出口。另外，由于周向凸脊5的存在(包括圆心处也为凸脊)，这些凸脊可以与电化学反应池中的扩散层接触，从而使二者产生电接触。另外，需要说明的是，图1中虽然设置有四个通孔6，但仅有位于同一直线上的两个通孔6(即图中左右两侧的两个通孔)与所述径向沟槽3是连通的，而另两个未与径向沟槽3连通；当然，也可以使以上四个通孔相反地设置，即位于同一直线上的两个通孔6(即图中左右两侧的两个通孔)不与径向沟槽3连通，而另两个通孔6与径向沟槽3连通。本实施例的周向沟槽的横截面形状参见图8之a。

参见图2，为本发明流场板的另一种实施方式，显示了该流场板正面圆形区域的平面示意图。图中显示，在该圆形区域的中心向内刻挖出一半径约2mm的圆形凹陷，以此圆形凹陷为起点向圆形区域边缘每隔60°设置有一径向沟槽3，即径向沟槽3总计为六条，它们均匀地分布在圆形区域中。六条径向沟槽3均以圆心开始以约3°的角度形成扇形。另外，自该半径2mm的圆心向外围每隔5mm刻挖一宽度为5mm，深度为1.25mm的周向沟槽4，该周向沟槽4环绕所述圆心分布，从而位于不同半径上的相邻两条周向沟槽4之间形成环绕所述圆心分布的周向凸脊5，并且由此形成的该周向凸脊5的宽度为5mm。由此设计的本实施例圆形区域的半径约为140mm。根据本实施例，圆形区域中存在多条对称线可以将该圆形区域对称区分开，例如任一条径向沟槽3的在径向上的中心线均可以对称地将流场的圆形区域平均分为两半；另外，相邻两径向沟槽3之间的区域，该区域的在径向上的中心线均可以对称地将流场的圆形区域平均分为两半，因此本实施方案的流场的对称性良好。本实施例未绘出通孔6的位置，这些通孔设计的位置可以根据具体使用需要以及本发明的精神而定。另外，本实施例的圆形流场可以按以下方式制作：将圆的半径线沿圆心分别正负旋转若干度，该度数范围为0-10°，然后沿两线的垂直方向向外平移若干距离，该距离范围为0-5mm，或者先将半径线分别正负平移再旋转一定角度；将经过平移和旋转后的两线之间部分加工为沟；其余部分以一定的沟脊宽度和深度进行加工；旋转和平移的半径线可以选择若干条，该条数范围为1-12。本实施例的周向沟槽的横截面形状参见图8之b。

参见图3，为本发明流场板的另一种实施方式，显示了该流场板正面圆形区域的平面示意图。图中显示出与图1所示流场板基本上相同的布局设计，主要不同之处在于各径向沟槽所形成的扇形的张角不同，最大扇形的角度达到20°，其它三个扇形的角度由上向下分别为5°、4°、2°。本实施例的周向沟槽的横截面形状参见图8之c。本实施例未绘出通孔的位置，这些通孔设计的位置可以根据具体使用需要以及本发明的精神而定。

参见图4，为本发明流场板的另一种实施方式，显示了该流场板正面圆形区域的平面示意图。图中显示在流场板基板的圆形区域正中间刻挖形成有“十”字交叉的四条径向沟槽，其径向沟槽在不同半径处的宽度相同(近圆心区域略大)，此外，根据本发明形成的在不同半径上的周向凸脊的宽度均为10mm，而在不同半径上的周向沟槽的宽度从内向外逐渐减小，最内侧的周向沟槽宽度为10mm，向外依次以1mm的量逐渐减小，即分别为9mm、8mm、7mm、6mm。本实施例的对称中心线、通孔设计位置、沟槽形状与深度等均可以参考以上实施例根据具体要求进行设计。

参见图5，为本发明流场板的另一种实施方式，显示了该流场板正面圆形区域的平面示意图。图中显示在流场板基板的圆形区域刻挖形成有均匀分布的三条径向沟槽(即在圆形区域每隔120°设置有一条径向沟槽)，各径向沟槽在不同半径处的宽度相同(近圆心区域形成沟槽)。此外，根据本发明形成的在不同半径上的周向凸脊的宽度由圆心处向外分别为10mm、9mm、8mm、7mm、6mm、5mm；而在不同半径上的周向沟槽的宽度从内向外也逐渐减小，分别为10mm、9mm、8mm、7mm、6mm、5mm。本实施例的对称中心线、通孔设计位置、沟槽形状与深度等均可以参考以上实施例根据具体要求进行设计。

参见图6，为本发明流场板的另一种实施方式，显示了该流场板正面圆形区域的平面示意图。图中显示在流场板基板的圆形区域刻挖形成有均匀分布的三条径向沟槽(即在圆形区域每隔120°设置有一条径向沟槽)，各径向沟槽形成角度不同的扇形(近圆心区域形成沟槽)。此外，根据本发明形成的在不同半径上的周向凸脊的宽度由圆心处向外分别为10mm、9mm、8mm、7mm、6mm、5mm；而在不同半径上的周向沟槽的宽度从内向外也逐渐减小，分别为10mm、9mm、8mm、7mm、6mm、5mm。本实施例的对称中心线、通孔设计位置、沟槽形状与深度等均可以参考以上实施例根据具体要求进行设计。

参见图7，其显示了采用图4所示流场板组装的双极板的示意图。图中显示在同一直线上的两径向沟槽向圆形区域外延伸处分别设置有可供流体通过的通孔(位于圆形区域外)，并且上下对称的两个通孔均与其对应的径向沟槽在基板平面以下连通。从而上下两个通孔可以作为流体的出、入口。

参见图8，其显示了本发明几种沟槽的横截面形状示意图。其中a为矩形，b为半圆形、c为倒梯形。根据这些形状设计沟槽(特别是周向沟槽)，周向凸脊也将相应地形成。例如根据a形成周向沟槽后，流场板的周向凸脊也将呈矩形；同样，根据c的倒梯形形成周向沟槽后，流场板的周向凸脊也将呈正梯形。本发明的沟槽形状不限于所列的几种，并且不同的沟槽形状可以任意地与本发明流场板的不同布局设计相配合。

另外，本发明的流场板可以同时在所述基板1的正、反两面对称地设置本发明所述的圆形区域2，以及设置于该圆形区域2中的径向沟槽3、周向沟槽4和周向凸脊5，并且所述基板1的正、反两面设置的通孔6可以共用。

试验例1：极化曲线研究

以SPE水电解制氢实验为例进行极化曲线研究。

整体MEA的直径为90mm，即流场区域直径为90mm。分别参考本发明图2和图4所示流场布局设计，各参数可能稍有变化，同时以平行流场作为试验对比例，沟槽深度均为1mm。各流场设计参数具体如下表：

流场类型	径向沟槽参数	周向凸脊参数	周向沟槽参数
				图2流场	中心区域宽度4mm，旋转角度1°，边缘宽度5.5mm，条数6条。	弧形，边缘倒角，宽度5mm	宽度5mm
图4流场	宽度4mm，条数4条。	弧形，边缘倒角，宽度5mm	宽度从边缘向中心分别为1，2，3，4，5mm
				平行流场	脊外缘距离边缘宽度5mm(以脊设计自动形成)	直行，与进料方向成直角，边缘为圆形，倒角；宽度5mm	宽度5mm

其他参数：

MEA参数：采用热转印方法制备，阴极催化层为Pt 40wt％/C(JM)，载量约0.5mg Pt/cm²，阳极催化层为PtIrO₂(JM)，载量约2mgPtIr/cm²，两极催化层均包含20wt％的Nafion(Dupont)聚合物。扩散层采用某种孔隙度的1mm厚的多孔钛板，其表面均涂有一定量的贵金属氧化物。测试温度50℃，供水速度100ml/min。供电电源为开关电源(扬州双鸿电子有限公司)。测试的极化曲线见图9，其中显示了三种不同种类的流场的SPE水电解池性能对比。可以发现依据本发明设计方法设计的流场性能比简单流场(即试验中采用的平行流场)的性能要好。在整个测试电流区域内，设计的流场比传统的平行流场性能要好，尤其是大电流密度时，传质成为限制电解性能的主要因素，平行流场就体现出了弊端，而本发明设计的流场则没有这种问题的存在。

虽然本发明以诸多具体实施例来说明本发明，应当理解为，本发明不但包括这些具体实施例，还包括这些实施例的任意组合。此外，本发明所主张的范围不限于这些具体实施例，而应归于本发明所附权利要求书所定义的精神和范围。

Claims (14)

1.一种电化学池用的流场板，在该流场板的基板的正面存在一圆形区域或者正反两面均存在一圆形区域；所述圆形区域从其圆心到其边缘分布有至少二条径向沟槽；并且环绕所述圆心分布有至少二条周向沟槽，从而位于不同半径上的相邻两条周向沟槽之间形成环绕所述圆心分布的周向凸脊，其特征在于流场板上的径向沟槽、周向沟槽、周向凸脊三者的宽度各自独立地是变化的，并且其特征在于以下一项或多项：

a)在该流场板的俯视方向所述径向沟槽呈扇形，该扇形的圆心角为0至20°；

b)所述位于不同半径上的周向沟槽的宽度是各不相同的，并且从边缘向圆心方向的各周向沟槽的宽度逐渐增加或者逐渐减小的；

c)所述位于不同半径上的周向凸脊的宽度是各不相同的，并且从边缘向圆心方向的各周向凸脊的宽度逐渐增加或者逐渐减小的。

2.根据权利要求1所述的流场板，其特征在于所述径向沟槽的宽度范围为0.5～25毫米。

3.根据权利要求1所述的流场板，其特征在于所述径向沟槽的宽度范围为1～15毫米。

4.根据权利要求1所述的流场板，其特征在于所述径向沟槽的宽度范围为2～10毫米。

5.根据权利要求1所述的流场板，其特征在于所述径向沟槽的深度为0.1～2.5毫米。

6.根据权利要求1所述的流场板，其特征在于所述径向沟槽的数目为2～12条。

7.根据权利要求1所述的流场板，其特征在于逐渐增加的宽度范围为0.5～20毫米。

8.根据权利要求1所述的流场板，其特征在于所述位于不同半径上的各周向沟槽的横截面形状相互独立地选自方形、半圆形、倒梯形、半椭圆形或V字形。

9.根据权利要求1所述的流场板，其特征在于所述周向沟槽的深度为0.1～2毫米。

10.根据权利要求1所述的流场板，其特征在于所述径向沟槽和周向沟槽的深度相同或者不同。

11.根据权利要求1所述的流场板，其特征在于所述径向沟槽的深度大于周向沟槽的深度。

12.根据权利要求1所述的流场板，其特征在于所述圆形区域的圆心处形成与所述径向沟槽的深度基本上相同的沟槽；或者，所述圆形区域的圆心处形成与所述周向凸脊高度基本上相同的凸脊。

13.根据权利要求1所述的流场板，其特征在于在所述基板上还设置有至少两个穿透该基板的通孔，所述通孔位于圆形区域的外部或在所述径向沟槽向外延伸到圆形区域的边缘处。

14.一种电化学反应池，其包括成套组装的下列组件：

a)具有右面和左面的膜电极组件，该膜电极组件包括：

i)具有右面和左面的离子传导性膜，

ii)设置于该右面上的第一催化剂层，

iii)设置于该左面上的第二催化剂层，

iv)设置于该第一催化剂层右面的第一扩散层，和

v)设置于该第二催化剂层左面的第二扩散层；

b)分别设置于所述膜电极组件右面和左面的阳极流场板和阴极流场板；

c)设置于所述阳极流场板右面的阳极端板，和设置于所述阴极流场板左面的阴极端板；

d)单独从所述阳极流场板的一端通孔或阴极流场板的一端通孔向远离所述膜电极组件方向引出，并且连通到所述阳极端板或阴极端板外侧的反应物进口和产物出口；以及

e)设置于所述膜电极组件与阳极流场板之间以及所述阳极流场板与阳极端板之间的阳极绝缘层，和设置于所述膜电极组件与阴极流场板之间以及所述阴极流场板与阴极端板之间的阴极绝缘层，

其中，所述的流场板是根据权利要求1至13任一项所述的流场板。

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