CN102201583A - 一种质子交换膜燃料电池流场结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池流场结构，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池流场结构，包括交指形流场流道和蛇形流场流道，在流场板的同一侧设有若干条由交指形流场流道和蛇形流场流道组成的流道；交指形流场流道一端的适配位置设有流道进气孔；蛇形流场流道一端的适配位置设有流道出气孔，所述的交指形流场流道和蛇形流场流道通过连接流道相连接。本发明流场流道排水迅速，且不易出现阻塞流道及短路或沟流现象，电流密度分布均匀，使电池性能更优良，结构简单合理，造价低廉，具有广泛的社会效益和市场前景。

Description

一种质子交换膜燃料电池流场结构

技术领域

本发明涉及一种燃料电池流场结构，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池流场结构，属于燃料电池技术领域。

背景技术

燃料电池是一种可以将储存在燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的电化学装置。它不经过热机过程，不受卡诺循环的限制，能量转化效率高（40～60％）；对环境无影响，几乎不排放氮化物和硫化物；二氧化碳的排放量低，比发电厂减少40％以上。除此之外，其还具有噪声低，启动快，无腐蚀，制备容易和使用寿命长的优点。由于具有这些突出的优点，世界各国政府和大型企业投入了大量的人力和物力来研究和开发燃料电池技术。

质子交换膜燃料电池是属于低温燃料电池，工作温度一般在40～80℃，工作原理是：氢气和氧气通过双极板上的导气通道分别到达电池的阳极和阴极，反应气体通过电极上的扩散层到达质子交换膜，在膜的阳极一侧，氢气在阳极催化剂的作用下解离为氢离子（质子）和带负电的电子，氢离子以水合质子H⁺（xH₂O）的形式，在质子交换膜中转移，最后到达阴极，实现质子导电。质子的这种转移导致阳极出现带负电的电子积累，从而变成一个带负电的端子（负极）。与此同时，阴极的氧分子与催化剂激发产生的电子发生反应，变成氧离子，使得阴极变成带正电的端子（正极），其结果就是在阳极的带负电终端和阴极的带正电终端之间产生了一个电压。如果此时通过外部电路将两极相连，电子就会通过回路从阳极流向阴极，从而产生电能。同时，氢离子和阳离子发生反应生成水。电极反应为：

阳极（负极）：H₂→2H⁺+2e^-

阴极（正极）：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O

电池反应：   H₂+1/2O₂→H₂O

燃料电池由多个质子交换膜燃料电池单体所组成，而质子交换膜燃料电池的核心是膜电极和双极板。双极板提供气体分配和收集电流的凹凸部分，凹下部分即为流场，流场为双极板的主要组成部分。流场主要分为以下几种类型：点状、网状、多孔体、平行、蛇形、交指形和新形流场。点状流场结构简单，特别适用于纯氢、纯氧，汽态排水的燃料电池。对主要以液态水排出的质子交换膜燃料电池，由于反应气流经这种流场难以达到很高线速度，不利于排出液态水。网状流场是一种放弃流道的做法，由于这种流道中的流体流速比较低，所以排水能力较差，但是保湿能力相对较强，流体流动均匀性不够理想，在进出口连线区域的流动快，而在角落上经常有滞留，易出现浓差极化或水淹等问题。多孔体流道的突出优点是它对电极扩散层强度要求低，而且当反应气通过这种流场时，易形成局部湍流而有利于扩散层的传质，减小浓差极化。平行流场具有流动阻力小的优点，这在一定程度上能够降低压力损失，提高电池的整体效率，然而各流道中气体的流动和反应情况的微小差别会对电池的整体性能造成扰动，容易出现性能不稳定的情况。蛇形流场是较早提出的一种流道形式，它的突出优点是能迅速排除生成的液态水，不易出现阻塞流道的情况，然而对于面积比较大的流场板，蛇形流道会因流道过长造成反应气压降较大和电流密度分布不均匀。交指形流场的设计能使反应物比较充分地通过流道，并且具有良好的排水能力，但是，同时由于扩散层的阻力较大，会使流场的压力降增大，而且容易发生短路或者沟流的情况。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种排水迅速、不易出现阻塞流道及短路或沟流现象的流场流道，减少浓差极化，达到电池性能优良，电流密度分布均匀，且造价低的一种质子交换膜燃料电池流场结构。

为了实现上述目的本发明解决技术问题的技术方案是：

一种质子交换膜燃料电池流场结构，包括交指形流场流道和蛇形流场流道，在流场板的同一侧设有若干条由交指形流场流道和蛇形流场流道组成的流道；交指形流场流道一端的适配位置设有流道进气孔；蛇形流场流道一端的适配位置设有流道出气孔，所述的交指形流场流道和蛇形流场流道通过连接流道相连接。

所述的交指形流场流道和蛇形流场流道各占流场有效面积的50%。

所述的连接流道，其末端既是气体在交指形流场流道的出口，同时也是气体在蛇形流场流道的入口。

本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

1、本发明在进气孔端采用交指形流场流道。有利于气体因为强制对流通过流道，大幅提高传递速度，减少浓差极化。

2、本发明在流场靠近出气口端采用蛇形流场流道，避免了交指形流场流道扩散层的阻力较大的缺点，有效避免电极的损坏。同时蛇形流场流道能迅速排出反应生成的水，不阻塞流道，有效的防止了水淹现象。

3、本发明在交指形流场流道和蛇形流场流道之间连接部分采用连接流道，连接流道的末端既是交指形流道气体的出口，同时也是蛇形流道气体的入口。

4、本发明结构简单、合理，经过反复试验和生产证实效果显著，而且结构设计易于加工生产，造价低廉，极大限度的提高燃料电池性能，电流密度分布均匀，具有广泛的社会效益和市场前景。

本发明通过试验得到图5为质子交换膜燃料电池在本发明流场与常规流场下电池性能对比图，有效的证明了本发明的优点效果，具体的试验条件为燃料电池温度343K，燃料电池阴极加湿温度348K，阳极加湿温度348K，背压0.1MPa，氢气进气流量为100ml/min，空气进气流量为250ml/min。在燃料电池电压由0.25V-0.9V间每隔0.05V测试一组数据，记录电流密度值，绘制性能曲线。图中6为交指形流场燃料电池性能曲线，7为蛇形流场燃料电池性能曲线图，8为本发明流场燃料电池性能曲线。因此可以得出：在相同电压条件下，本发明电流密度增大，电流密度分布均匀，电池的性能更优良。

附图说明

图1是本发明一种实施方式的结构示意图；

图2是本发明图1的A-A剖视结构示意图；

图3是本发明另一种实施方式的结构示意图；

图4是本发明图3的B-B剖视结构示意图；

图5为质子交换膜燃料电池在本发明流场与常规流场下电池性能对比图。

图中：进气孔1，交指形流场流道2，连接流道 3，蛇形流场流道4，出气孔 5，交指形流场燃料电池性能曲线6，蛇形流场燃料电池性能曲线7，本发明流场燃料电池性能曲线8。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明的保护范围不受具体的实施例所限制，以权利要求书为准。另外，以不违背本发明技术方案的前提下，对本发明所作的本领域普通技术人员容易实现的任何改动或改变都将落入本发明的权利要求范围之内。

实施例1

如图1、图2所示的本发明一种实施方式的质子交换膜燃料电池流场结构，包括交指形流场流道2和蛇形流场流道4，流场板采用石墨板，每条流道宽度为1mm，脊的宽度为1mm。在流场板的同一侧流场有效面积共设21条流道，该流道由交指形流场流道2和蛇形流场流道4组成；且交指形流场流道2和蛇形流场流道4各占流场有效面积的50%，在交指形流场流道2一端的第一条流道设有流道进气孔1；蛇形流场流道4一端的最后一条流道设有流道出气孔5，所述的交指形流场流道2和蛇形流场流道4通过连接流道3相连接，连接流道3的末端既是气体在交指形流场流道2的出口，同时也是气体在蛇形流场流道4的入口。

实施例2

如图3、图4所示的本发明另一种实施方式的质子交换膜燃料电池流场结构，在交指形流场流道2一端的第二条流道设有流道进气孔1；其它同实施例1，不再赘述。

Claims (3)

1.一种质子交换膜燃料电池流场结构，包括交指形流场流道（2）和蛇形流场流道（4），其特征在于：在流场板的同一侧设有若干条由交指形流场流道（2）和蛇形流场流道（4）组成的流道；交指形流场流道（2）一端适配位置设有流道进气孔（1）；蛇形流场流道（4）一端适配位置设有流道出气孔（5），所述的交指形流场流道（2）和蛇形流场流道（4）通过连接流道（3）相连接。

2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池流场结构，其特征在于：所述的交指形流场流道（2）和蛇形流场流道（4）各占流场有效面积的50%。

3.根据权利要求1或2所述的一种质子交换膜燃料电池流场结构，其特征在于：所述的连接流道（3），其末端既是气体在交指形流场流道（2）的出口，同时也是气体在蛇形流场流道（4）的入口。

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