CN104953140A - 一种燃料电池流场板 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃料电池流场板，由底层流场板、中间流场板和顶层流场板组成，相邻层之间采用密封胶粘结；所述底层流场板和中间流场板的中部位置设有形状、尺寸相对应的S形贯通槽，底层流场板和中间流场板的贯通槽截面形状不同；底层流场板采用亲水材料制成，中间流场板采用疏水材料制成，顶层流场板采用气液分离膜制成。本发明的燃料电池流场板结构简单、工作稳定、性能可靠，实现了燃料电池气液分相输运，使反应中的CO2气泡及时排出，提高电化学反应效率。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池流场板。
背景技术
燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的清洁能源。它主要由膜电极组件（阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层）和流场板（阳极流场板和阴极流场板）组成。流场板在朝向膜电极组件的一侧附有金属层或者直接采用金属材料，用于收集电流，同时流场板上加工有微沟道用于均匀分配反应物。
直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）以其高效、环境友好、能量密度高、结构简单、以及燃料储存、携带和管理方便等优点，在便携式电子产品和微机电系统等领域有着广泛的应用前景。其工作原理为：甲醇和水通过阳极流场板经由阳极多孔扩散层渗入至阳极催化层，发生氧化反应，生成二氧化碳、质子和电子；质子在电场作用下穿过质子交换膜迁移至阴极催化层，与扩散至阴极催化层的氧气发生还原反应，生成水；而电子则通过外电路进入阴极，并驱动负载工作。由此可见，燃料电池需要源源不断地供给新鲜的甲醇溶液和氧气（或空气）并及时排出反应产物才能持续发电。因而，燃料电池燃料及反应产物的有序化输运和管理对燃料电池整体输出性能有着重要的影响。随着燃料电池的微型化快速发展，燃料及反应产物的有序化输运和管理成为燃料电池领域迫切需要解决的关键问题。
目前，微型直接甲醇燃料电池（Micro Direct Methanol Fuel Cell，μDMFC）输出性能与理想值相比尚有较大差距，其中阳极微流场内CO2气泡导致反应物输运传质效率降低甚至传质阻滞是造成这一问题的关键因素之一。这是因为随着燃料电池的微型化，其流场特征尺寸不断减小（几十～几百微米），沟道内CO2气泡的排出也愈加困难，因此微流场中CO2气泡堵塞问题尤为突出。在燃料电池的各组件中，流场板负责反应物的均匀分配和生成物（CO2气泡）的及时排出。流场板设计的优劣直接决定了μDMFC燃料是否能够均匀分配、物料传质和扩散是否充分、反应物是否能够及时排除，因此，解决微流场中CO2气泡堵塞的根本途径是流场板的设计。专利201310097472.9公布了一种燃料电池流场板，包括具有多个流场通道的基板，基板一端与电池极板贴合，流场通道平行布置，流场通道为开设于基板上的贯通槽，相邻流场通道之间的部分为流场骨架；流场骨架与电池极板贴合的一端设置圆弧过渡部，圆弧过渡部向流场通道内突出，流场骨架远离电池极板的一端设置倒角；流场骨架具有与电池极板贴合的接触面和与流体接触的外露面，外露面上覆盖有憎水层。这种流场板的目的在于将水及时排出，但是没有考虑如何使反应中的CO2气泡及时排出、避免CO2气泡在流场沟道中堵塞占据甲醇电极上催化剂的活性位置，导致反应物无法到达反应界面，降低电化学反应效率。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种燃料电池流场板，该流场板结构简单、工作稳定、性能可靠，并且能实现气液分相输运。
一种燃料电池流场板，由底层流场板、中间流场板和顶层流场板组成，相邻层之间采用密封胶粘结；所述底层流场板和中间流场板的中部位置设有形状、尺寸相对应的S形贯通槽，底层流场板和中间流场板的贯通槽截面形状不同；底层流场板采用亲水材料制成，中间流场板采用疏水材料制成，顶层流场板采用气液分离膜制成。
作为上述发明的进一步改进，所述亲水材料为不锈钢。
作为上述发明的进一步改进，所述疏水材料为聚四氟乙烯。
作为上述发明的进一步改进，所述贯通槽截面形状为矩形、梯形、三角形、半圆形、交指形、外凸阶梯形或内凹阶梯形。
作为上述发明的进一步改进，所述底层流场板、中间流场板和顶层流场板为单层板或多层板。
本发明的燃料电池流场板结构简单、工作稳定、性能可靠，实现了燃料电池气液分相输运，使反应中的CO2气泡及时排出，提高电化学反应效率。
附图说明
图1是燃料电池流场板三维立体向下展开图；
图2是底层流场板1的三维半透明效果图；
图3是燃料电池流场板横截面剖视图；
图4是贯通槽截面形状示意图；
图5是采用燃料电池流场板的DMFC三维立体向下展开结构示意图；
其中：1-底层流场板，2-中间流场板，3-顶层流场板，4-阳极扩散层，5-阳极催化层，6-质子交换膜，7-阴极催化层，8-阴极扩散层，9-阴极流场板，a-矩形，b-梯形，c-三角形，d-半圆形，e-交指形，f-外凸阶梯形，g-内凹阶梯形，h-燃料入口，i-燃料出口。
具体实施方式
实施例1
一种燃料电池流场板，如图1所示，由底层流场板1、中间流场板2和顶层流场板3组成，各层之间采用密封胶粘结；底层流场板1和中间流场板2的中间部位设有相对应的S形贯通槽。如图2所示，在底层流场板1的两个相对侧面分别设有入口h和出口i，且入口h和出口i与贯通槽相连通。如图3所示，底层流场板1的贯通槽截面形状为矩形，中间层流场板2的贯通槽截面形状为梯形，且梯形的底边尺寸等于矩形的横边尺寸；但在实际应用中贯通槽的截面形状不局限于图3的形状，如图4所示，贯通槽截面形状可以为矩形、梯形、三角形、半圆形、交指形、外凸阶梯形或内凹阶梯形。底层流场板1采用不锈钢流场板，中间流场板2采用聚四氟乙烯流场板，顶层流场板3采用气液分离膜。
本发明的燃料电池流场板与膜电极组件（Membrane Electrode Assembly，MEA）、阴极流场板9依照图5所示顺序和方向组装为直接甲醇燃料电池。其中，MEA由质子交换膜6及两侧的阳极和阴极组成，阳极由多孔结构的阳极扩散层4和阳极催化层5组成，阴极由多孔结构的阴极扩散层8和阴极催化层7组成。从图5中可以看出，燃料电池流场板的底层流场板1与阳极扩散层4相邻，MEA位于底层流场板1与阴极流场板9之间。
燃料电池工作时，反应物甲醇溶液通过燃料电池流场板的入口h经由其上的贯通槽流动至燃料电池反应区，然后甲醇溶液经由阳极扩散层4渗入至阳极催化层5， 发生氧化反应，生成CO2小气泡、质子和电子： ；同时，质子在电场作用下穿过质子交换膜6迁移至阴极催化层7，与扩散至阴极催化层7的氧气发生还原反应，生成水：；而电子则通过外电路进入阴极，并驱动负载工作。阳极反应生成的CO2小气泡经阳极扩散层4返回到燃料电池流场板的沟道中。由于中间流场板2的疏水特性以及沟道截面形状的变化，CO2气泡在浮力和表面张力等作用下更易于从亲水特性的底层流场板1运动至中间流场板2，然后CO2在浮力作用下经具有气液分离特性的顶层流场板3排出。而甲醇溶液更易于在适宜液体运动的亲水特性的底层流场板运动，经由底层流场板上的出口i排出。
本发明实现了燃料电池的甲醇溶液和CO2气泡的气液分相输运，结构简单、工作稳定、性能可靠。
Claims (5)
1.一种燃料电池流场板，其特征在于：由底层流场板（1）、中间流场板（2）和顶层流场板（3）组成，相邻层之间采用密封胶粘结；所述底层流场板（1）和中间流场板（2）的中部位置设有形状、尺寸相对应的S形贯通槽，底层流场板（1）和中间流场板（2）的贯通槽截面形状不同；底层流场板（1）采用亲水材料制成，中间流场板（2）采用疏水材料制成，顶层流场板（3）采用气液分离膜制成。
2.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于：所述亲水材料为不锈钢。
3.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于：所述疏水材料为聚四氟乙烯。
4.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于：所述贯通槽截面形状为矩形、梯形、三角形、半圆形、交指形、外凸阶梯形或内凹阶梯形。
5.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于：所述底层流场板（1）、中间流场板（2）和顶层流场板（3）为单层板或多层板。
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