CN104868142B - 一种质子交换膜燃料电池用气体流场 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池用气体流场 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池用气体流场；其包括反应气入口、平行沟槽流场段和反应气出口，反应气入口和平行沟槽流场段之间设置有第一分配流场段，反应气出口与平行沟槽流场段之间设置有第二分配流场段，第一分配流场段、第二分配流场段均由平行的流线型沟槽组成，第一分配流场段、第二分配流场段与平行沟槽流场段之间的拐角均为流线型；第一分配流场段、第二分配流场段均由平行的流线型沟槽组成，且与平行沟槽流场段之间的拐角均为流线型，使得气体分配均匀，不易形成湍流，压力损失较小，有利于水和尾气的排出，本发明的质子交换膜燃料电池用气体流场不仅结构简单，而且气体分配均匀，排水能力较好，气体压力损失小。

Description

一种质子交换膜燃料电池用气体流场
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池用气体流场。
背景技术
燃料电池是一种通过化学反应将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的装置，具有室温下启动快、能量转换效率高、对环境污染小、噪音低等突出优点，在交通、发电、军事、航空航天等领域有着广阔的应用前景。
质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC)以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，铂/碳或铂-钌/碳为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨板或表面改性的金属板为双极板。
流场是在双极板上加工的各种形状的沟槽，为反应剂及生成产物提供进出通道，是燃料电池设计的关键因素。因此，设计合理的流场既可以均匀分配电池所需燃料和氧化剂，保证电流密度均匀分配，还可以将电池生成的水及尾气顺利排出，同时还可以降低双极板质量、厚度及数量，提高PEMFC电堆的质量比功率和重量比功率，提高PEMFC电池堆性能。
现有技术中的流场形状主要有平行沟槽、网状、蛇形等。网状流场结构简单，气体分布均匀，但阻力降较大，同时若采用金属材质则存在较大的腐蚀问题；平行沟槽流场是目前使用最多的气体流场，结构简单，容易加工，且阻力降小，但气体分配存在问题，特别是在高电流密度下，气体分配严重不均，影响电池反应过程中的气体传质和生成水的排除；蛇形流场由于流场较长，存在反应气阻力较大的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池用气体流场，其结构简单，且气体分配均匀，排水能力较好，气体压力损失小。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种质子交换膜燃料电池用气体流场，包括反应气入口、平行沟槽流场段和反应气出口，反应气入口和平行沟槽流场段之间设置有第一分配流场段，反应气出口与平行沟槽流场段之间设置有第二分配流场段，第一分配流场段、第二分配流场段均由平行的流线型沟槽组成，第一分配流场段、第二分配流场段与平行沟槽流场段之间的拐角均为流线型。
其中，流线型沟槽的宽度为0.7～1.5mm。
其中，第一分配流场段、第二分配流场段关于平行沟槽流场段呈中心对称。
其中，第一分配流场段、第二分配流场段的面积总和为气体流场总面积的5％～12％。
其中，平行沟槽流场段由平行的直型沟槽组成，直型沟槽的宽度为0.7～1.5mm。
其中，气体流场的材料为纯石墨材料、膨胀石墨材料或导电金属材料。
其中，气体流场的加工方式为雕刻加工、冲压或模压加工。
本发明的有益效果：一种质子交换膜燃料电池用气体流场，包括反应气入口、平行沟槽流场段和反应气出口，反应气入口和平行沟槽流场段之间设置有第一分配流场段，反应气出口与平行沟槽流场段之间设置有第二分配流场段，第一分配流场段、第二分配流场段均由平行的流线型沟槽组成，第一分配流场段、第二分配流场段与平行沟槽流场段之间的拐角均为流线型。第一分配流场段、第二分配流场段均由平行的流线型沟槽组成，第一分配流场段、第二分配流场段与平行沟槽流场段之间的拐角均为流线型，使得气体分配均匀，不易形成湍流，压力损失较小，有利于水和尾气的排出，本发明的质子交换膜燃料电池用气体流场不仅结构简单，而且气体分配均匀，排水能力较好，气体压力损失小。
附图说明
图1是本发明的质子交换膜燃料电池用气体流场的结构示意图。
图2是图1中A处的局部放大图。
图3是本发明的质子交换膜燃料电池用气体流场组装的电池与普通的平行沟槽气体流场组装的电池的极化曲线对比图。
附图标记如下：
1-反应气入口；2-平行沟槽流场段；3-反应气出口；4-第一分配流场段；5-第二分配流场段
具体实施方式
下面结合图1至图3并通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。
一种质子交换膜燃料电池用气体流场，包括反应气入口1、平行沟槽流场段2和反应气出口3，反应气入口1和平行沟槽流场段2之间设置有第一分配流场段4，反应气出口3与平行沟槽流场段2之间设置有第二分配流场段5，第一分配流场段4、第二分配流场段5均由平行的流线型沟槽组成，第一分配流场段4、第二分配流场段5与平行沟槽流场段2之间的拐角均为流线型，如图1和图2所示。第一分配流场段4、第二分配流场段5均由平行的流线型沟槽组成，第一分配流场段4、第二分配流场段5与平行沟槽流场段2之间的拐角均为流线型，使得气体分配均匀，不易形成湍流，压力损失较小，有利于水和尾气的排出，本发明的质子交换膜燃料电池用气体流场不仅结构简单，而且气体分配均匀，排水能力较好，气体压力损失小。
本发明中，第一分配流场段4、第二分配流场段5关于平行沟槽流场段2呈中心对称，且第一分配流场段4、第二分配流场段5的面积总和为气体流场总面积的5％～12％，流线型沟槽的宽度为0.7～1.5mm，平行沟槽流场段2由平行的直型沟槽组成，直型沟槽的宽度为0.7～1.5mm。
本实施例中，第一分配流场段4、第二分配流场段5的面积总和占气体流场总面积的百分比：氢侧为11％，空侧为6％；流线型沟槽的宽度：氢侧为0.8mm，空侧为1.0mm；直型沟槽的宽度：氢侧为0.8mm，空侧为1.0mm，即流线型沟槽的宽度与直型沟槽的宽度相等。在其他实施例中，第一分配流场段4、第二分配流场段5的面积总和占气体流场总面积的百分比可以选择5％至12％中的任一数值；流线型沟槽的宽度可以选择0.7mm至1.5mm中的任一数值；直型沟槽的宽度可以选择0.7mm至1.5mm中的任一数值。
本实施例中，从第一分配流场段4、第二分配流场段5到平行沟槽流场段2的过渡：氢侧采用“一分四”结构，空侧采用“一分三”结构，在其他实施例中，也可根据需要选择其他结构。
本实施例中，气体流场的材料为纯石墨材料，气体流场的加工方式为雕刻加工，在其他实施例中，气体流场的材料也可以根据需要选择膨胀石墨材料或导电金属材料，气体流场的加工方式也可以根据需要选择冲压或模压加工。
采用本发明的质子交换膜燃料电池用气体流场组装一台20节燃料电池堆，经测试，电堆性能良好，当电流密度大于900mA/cm2时，性能明显高于普通的平行沟槽气体流场电堆的性能，如图2所示。这说明采用本发明的质子交换膜燃料电池用气体流场的电堆性能明显好于普通的平行沟槽气体流场电堆，尤其是在高电密条件下，电堆性能提升尤为明显。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
a.流线型沟槽的宽度与直型沟槽的宽度且阻力相当，反应气体流进反应气入口1后可以均匀地分布到电极表面，即使是在高电密下，气体的分布也较为均匀；
b.反应气体经过第一分配流场段4时，反应气体在第一分配流场段4不易形成湍流，压力损失较小；
c.反应气体由第一分配流场段4进入中间的平行沟槽流场段2时，经过流线型的拐角而非垂直的拐角，这样使得气体的压力损失较小；
d.反应气体由中间的平行沟槽流场段2进入第二分配流场段5时，经过流线型的拐角而非垂直的拐角，这样一方面减小了气体压力损失，另一方面有利于水和尾气的排出，有效地解决了电池出口被水淹的问题，提高了电池运行的稳定性；
e.提高燃料电池输出性能，特别是高电密下电池的输出性能，提高了电池的体积比功率和质量比功率；
f.适用范围广，可以同时兼顾燃料、氧化剂和冷却液流场，并且特别适用于车用燃料电池的大面积双极板；
g.结构简单，降低了工艺复杂性及电池制造成本。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种质子交换膜燃料电池用气体流场，包括反应气入口(1)、平行沟槽流场段(2)和反应气出口(3)，其特征在于，所述反应气入口(1)和所述平行沟槽流场段(2)之间设置有第一分配流场段(4)，所述反应气出口(3)与所述平行沟槽流场段(2)之间设置有第二分配流场段(5)，所述第一分配流场段(4)、所述第二分配流场段(5)均由平行的流线型沟槽组成，所述第一分配流场段(4)、所述第二分配流场段(5)与所述平行沟槽流场段(2)之间的拐角均为流线型，所述流线型沟槽的宽度为0.7～1.5mm，所述平行沟槽流场段(2)由平行的直型沟槽组成，所述直型沟槽的宽度为0.7～1.5mm，所述流线型沟槽的宽度与所述直型沟槽的宽度相等。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用气体流场，其特征在于，所述第一分配流场段(4)、所述第二分配流场段(5)关于所述平行沟槽流场段(2)呈中心对称。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用气体流场，其特征在于，所述第一分配流场段(4)、所述第二分配流场段(5)的面积总和为气体流场总面积的5％～12％。
4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用气体流场，其特征在于，所述气体流场的材料为纯石墨材料、膨胀石墨材料或导电金属材料。
5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用气体流场，其特征在于，所述气体流场的加工方式为雕刻加工、冲压或模压加工。
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