CN101800319A - 用于燃料电池的极板及其燃料电池 - Google Patents

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Abstract

用于燃料电池的极板及其燃料电池，所述极板包括具有至少一个主要的作用面的基板，所述基板上设有至少一条流道，至少一个所述流道的两侧壁上间距交错延伸出多个导流凸块，每个导流凸块与另一侧壁之间存在间隙。进一步地，所述导流凸块具有前曲面、后曲面和顶面，所述前曲面朝向反应流的逆向，所述后曲面朝向反应流的同向。进一步地，所述前曲面为一个凹面，所述后曲面为一个凸面。本发明通过导流凸块使得在反应流经过导流凸块时，反应流的压力能够得到有效的增强，这不但提高了反应流穿透膜电极组件的透气层的效果，有效地改善了反应流的分布，而且使得反应产生的不易发生聚集成大块现象，提高了燃料电池的可靠件。

Description

用于燃料电池的极板及其燃料电池
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及燃料电池的极板及其燃料电池。
背景技术
燃料电池被认为是一种有多项用途的新型动力源及能源转换器。有相当多不同种类的燃料电池，其中之一被称为质子交换膜燃料电池(PEMFC)。PEMFC被主要设计成一堆双极板和夹在双极板中间的膜电极组件(MEA)，双极板上有各种类型的流场以输送反应流到MEA上的反应界面，并且排出在PEMFC里通过电化学反应产生的多余热量和水。多年的实践表明，双极板的设计存在着许多缺陷，比如对反应流的分配效率、热量及水的管理等。虽然经过多年的努力，但这些问题依然是优化燃料电池的性能及寿命的主要障碍。
如何有效提供足够的反应流体到反应界面的每一部分，以及如何有效地去除在燃料电池里电化学反应产生的热量和水同时，能很好地维持电池温度及膜片湿度，这些是每位燃料电池板的设计者都铭记于心的设计要求。这些也是提高燃料电池的性能，并延长燃料电池的寿命重要途径，改进燃料电池极板的设计是燃料电池的重要的研发方向之一。
现有的燃料电池的极板通常是在燃料电池基本的主要作用面上设计多个流道，通过这些流道输送反应流至两极板间的模电极组件中。通常这些流道被设计成弯折平滑的结构，如专利号为200510104731.1，名称为“燃料电池的双极板”的中国专利。这种设计并不能使反应流较好的进入模电极组件中，更多的只是在流道中流动。
本发明的发明人在美国申请的专利号为12/319697，名称为“一种用于燃料电池的双极板由多流体通道构成，能使反应流加以收缩、扩展、反射及分流，从而改进反应流的分布，扩散及水的管理”的美国专利申请，在该方案中，双极板被设计成具有多个导流凸块的结构，形成的流道中能使反应流加以收缩、扩展、反射及分流，从而改进反应流的分布，扩散及水的管理，但这种设计适合于提供的反应流压力较大的情形，而对于反应流压力较小的情况下，由于流道设计在整个双极板上，这使得反应流在流道中的压力被大幅减小，容易出现反应生成的水被聚集成大片区区域而不易排出的现象，影响燃料电池的性能和寿命。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于燃料电池的极板及其燃料电池，在改进反应流分布的同时，方便反应生成水的排出。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于燃料电池的极板，包括具有至少一个主要的作用面的基板，所述基板上设有至少一条流道，至少一个所述流道的两侧壁上间距交错延伸出多个导流凸块，每个导流凸块与另一侧壁之间存在间隙。
进一步地，所述导流凸块具有前曲面、后曲面和顶面，所述前曲面朝向反应流的逆向，所述后曲面朝向反应流的同向。
进一步地，所述前曲面为一个凹面，所述后曲面为一个凸面。
进一步地，所述导流凸块的长度方向横向于反应流的运动方向，所述间隙与反应流的方向横向一致。
进一步地，所述导流凸块的前曲面具有半径r1，所述后曲面具有半径R1，所述前曲面和后曲面具有相同的中心角度θ。
进一步地，所述导流凸块的凹面反射反应流的角度大于或等于0°小于180°。
进一步地，所述导流凸块的凸面反射反应流的角度大于或等于0°小于180°。
进一步地，所述流道至少包括三条依次间距平行排列的第一流道、第二流道和第三流道，所述第二流道分别连通第一流道和第三流道。
本发明还提供一种燃料电池，包括极板和透气层，其中，所述极板采用上述极板；所述极板的基板的作用面压设于透气层上形成一边界元素；所述极板的导流凸块的顶面压设于所述的边界元素；所述极板的流道形成于所述极板的导流凸块之间以及所述极板的基板和所述边界元素之间的空间。
本发明很好地结合了现有的极板的特征和优点，通过在现有弯折平滑的流道的两侧壁上增加导流凸块，通过导流凸块使得反应流能够加以收缩、扩展、反射及分流，从而改进了反应流的分布、扩散及水的管理，并且使得在反应流经过导流凸块时，反应流的压力能够得到有效的增强，这不但提高了反应流穿透膜电极组件的透气层的效果，有效地改善了反应流的分布，而且使得反应产生的不易发生聚集成大块现象，提高了燃料电池的可靠性。
以下结合附图及实施例进一步说明本发明。
附图说明
图1为本发明用于燃料电池的极板实施例的结构示意图；
图2为本发明用于燃料电池的极板的流道实施例的结构示意图；
图3为本发明用于燃料电池的极板另一实施例的结构示意图；
图4为本发明燃料电池局部反应流状态示意图。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，一种用于燃料电池的极板，包括：
基板1，具有至少一个主要的作用面；
所述基板1上设有至少一条流道2，图1中基板上有多条流道2，图3中基板上只有一条流道2；
至少一条所述流道2的两侧壁上间距交错延伸出多个导流凸块3，每个导流凸块3与另一侧壁2之间存在间隙。
其中，每个所述导流凸块3可以设计成多种形状，通过该导流凸块3实现对反应的的扰动，以增加流道局部压力，使反应流更容易穿透膜极组件的透气层，实现燃料电池电化学效率的大同提升。并且这种在流道的侧壁2中增加导流凸块3的设计，可使得输送至流道的反应流无需过大的压力即可实现反应效率的提升以及反应生成水的有效排出。
本实施例中，优选的导流凸块3具有一定高度，且具有前曲面31、后曲面32和顶面，如图2所示，所述前曲面31朝向反应流的逆向，所述后曲面32朝向反应流的同向。
其中，前曲面31为一个凹面，所述后曲面32为一个凸面32，所述顶面为平面。
所述导流凸块3的长度方向横向于反应流的运动方向，所述间隙与反应流的方向横向一致。
所述导流凸块3的前曲面31具有半径r1，所述后曲面32具有半径R1，所述前曲面31和后曲面32具有相同的中心角度θ。
其中，所述导流凸块3的凹面反射反应流的角度大于或等于90°小于180°。
其中，所述导流凸块3的凸面反射反应流的角度大于或等于90°小于180°。
其中，所述导流凸块3的高度与两侧壁2的高度相同。
其中，所述流道2可以是多种形状，如直线型、弯曲的折线、曲线等。本发明中优选采用Z字形，如图3所示，即包括三条依次间距平行排列的第一流道21、第二流道22和第三流道23，第二流道22分别连通第一流道21和第三流道23。反应流从第一流道21进入，从第三流道23中流出。
实施例二
一种燃料电池，包括极板和透气层：
采用实施例一所述的极板；
所述极板的基板的作用面压设于透气层上形成一边界元素；
所述极板的导流凸块3的顶面压设于所述的边界元素；
所述极板的多条流道形成于所述极板的导流凸块3之间以及所述极板的基板1和所述边界元素之间的空间。
如图4所示，在流道2中的反应流经常撞击在基板1上的导流凸块3的前曲面31，使反应流被迫寻找所有其它可能的向前流动的通路，由于局部的流体压力和速度的变化，反应流还压在透气层4上以找出向前移动的通路。因此，这种流动趋向真正是在改善在透气层4里的微型流体模式及扩散过程。如图3中若干箭头及一条虚线所示，通过反射在流道的所有方向中的反应流，本发明中的双极板可以改善反应流分布到导流凸块3的着陆区域41(介于两条垂直虚线之间)，即靠着透气层4的导流块3的顶面的下方。
本发明有机地结合了现有的极板的特征和优点，通过在现有弯折平滑的流道的两侧壁2上增加导流凸块3，通过导流凸块3使得反应流能够加以收缩、扩展、反射及分流，从而改进了反应流的分布、扩散及水的管理，并且使得在反应流经过导流凸块3时，反应流的压力P能够得到有效的增强，即增加了压力ΔP，在同等空间长度上大幅度提高了压力差，这不但提高了反应流穿透膜电极组件的透气层4的效果，有效地改善了反应流的分布，而且使得反应产生的不易发生聚集成大块现象，提高了燃料电池的可靠性。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (9)

1.一种用于燃料电池的极板，包括具有至少一个主要的作用面的基板(1)，所述基板(1)上设有至少一条流道(2)，其特征在于：
至少一个所述流道(2)的两侧壁上间距交错延伸出多个导流凸块(3)，每个导流凸块(3)与另一侧壁(2)之间存在间隙。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的极板，其特征在于：
所述导流凸块(3)具有前曲面(31)、后曲面(32)和顶面，所述前曲面(31)朝向反应流的逆向，所述后曲面(32)朝向反应流的同向。
3.根据权利要求2所述的用于燃料电池的极板，其特征在于：
所述前曲面(31)为一个凹面，所述后曲面(32)为一个凸面(32)。
4.根据权利要求3所述的用于燃料电池的极板，其特征在于：
所述导流凸块(3)的长度方向横向于反应流的运动方向，所述间隙与反应流的方向横向一致。
5.根据权利要求4所述的用于燃料电池的极板，其特征在于：
所述导流凸块(3)的前曲面(31)具有半径r1，所述后曲面(32)具有半径R1，所述前曲面(31)和后曲面(32)具有相同的中心角度θ。
6.根据权利要求5所述的用于燃料电池的极板，其特征在于：
所述导流凸块(3)的凹面反射反应流的角度大于或等于0°小于180°。
7.根据权利要求6所述的用于燃料电池的极板，其特征在于：
所述导流凸块(3)的凸面反射反应流的角度大于或等于0°小于180°。
8.根据权利要求5所述的用于燃料电池的极板，其特征在于：
所述流道(2)至少包括三条依次间距平行排列的第一流道(21)、第二流道(22)和第三流道(23)，所述第二流道(22)分别连通第一流道(21)和第三流道(23)。
9.一种燃料电池，包括极板和透气层，其特征在于：
采用权利要求所述的极板；
所述极板的基板的作用面压设于透气层上形成一边界元素；
所述极板的导流凸块(3)的顶面压设于所述的边界元素；
所述极板的流道(2)形成于所述极板的导流凸块(3)之间以及所述极板的基板(1)和所述边界元素之间的空间。
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