CN107611457B - 一种燃料电池及其阴极板 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种阴极板，包括：用于隔离气体的隔板；与隔板围成排水通道，并与燃料电池的膜电极围成气体通道的流场板，排水通道和气体通道相互连通，以使气体通道中的液态水能够流入到排水通道中。当安装有上述阴极板的燃料电池在工作时，由于专门设置了用于导流反应气体的气体通道，和用于导流反应生成的液态水的排水通道，即令液态水和反应气体分别通过不同的通道来实现导流，同时由于气体通道和排水通道相互连通，使得气体通道中反应生成的液态水能够流入到排水通道中，令液态水无法再对反应气体形成阻塞，进而避免了“水淹”现象的发生，使得燃料电池的工作性能得到了进一步的提高。本发明还提供了具有上述阴极板的一种燃料电池。

Description

一种燃料电池及其阴极板

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种阴极板，本发明还涉及具有上述阴极板的一种燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池(后续简称为燃料电池)是一种直接将化学能转化成电能的发电装置，其具有能量转换效率高、结构紧凑、可靠性好、启动速度快、噪音低、环境污染小等诸多突出优点，可以从根本上解决困扰经济发展的环境和能源问题，从而被公认为优秀的清洁动力源，并成为了各国研究的热点。

在燃料电池运行过程中，由化学反应产生的水从会从燃料电池的催化层透过燃料电池的气体扩散层后到达燃料电池的阴极板，在气体的对流作用下反应生成的水被排出电池。在现有技术中，燃料电池阴极板内同时存在有液态水以及反应气体，其同时肩负分配反应气体以及排除液态水的双重重任，若液态水得不到及时排出，容易产生“水淹”现象，即液体水堵塞流道和扩散层的气体传输通道，影响反应气体在阴极板内流场的分配，造成水淹区域反应气体饥饿，轻则引起产生的电流分布不均，燃料电池工作性能下降，重则甚至会引起燃料电池失效，严重威胁燃料电池的使用寿命。

因此，如何进一步的提高燃料电池的工作性能，已经成为目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种新型的阴极板，通过对原有结构进行改进，避免了燃料电池“水淹”现象的发生，使得燃料电池的工作性能得到了进一步的提高。本发明还提供了具有上述阴极板的一种燃料电池。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种阴极板，用于设置在燃料电池的阴极，包括：

用于隔离气体的隔板；

与所述隔板围成排水通道，并与所述燃料电池的膜电极围成气体通道的流场板，所述排水通道和所述气体通道相互连通，以使所述气体通道中的液态水能够流入到所述排水通道中。

优选的，上述阴极板中，所述流场板为波纹板，并且所述流场板的每个波峰和每个波谷的截面形状均为矩形；所述隔板位于所述流场板的顶部并与所述流场板的波谷围成所述排水通道，所述膜电极位于所述流场板的底部并与所述流场板的波峰围成所述气体通道。

优选的，上述阴极板中，所述流场板包括多个并排连接的波纹条，并且相邻连接的所述波纹条之间具有间隙。

优选的，上述阴极板中，所述流场板的波峰顶壁上设置有将气体导向所述间隙底部的导向斜面。

优选的，上述阴极板中，相邻设置的不同所述波纹条以波峰与波峰错位、波谷与波谷错位的方式连接。

优选的，上述阴极板中，所述波谷的底壁为由多孔材料成型的多孔底壁。

优选的，上述阴极板中，所述波谷的底壁上设置有多个直径为0.01mm-0.1mm的渗水孔。

优选的，上述阴极板中，所述波峰为表面经过疏水处理的凸台结构，所述波谷为表面经过亲水处理的凹槽结构。

优选的，上述阴极板中，所述气体通道的宽度大于所述排水通道的宽度；所述隔板为金属平板，且厚度为0.1mm-1mm。

一种燃料电池，包括膜电极和阴极板，所述阴极板为上述任意一项所述的阴极板。

本发明提供的阴极板，用于设置在燃料电池的阴极，该阴极板主要包括隔板和流场板。其中的隔板用于隔离气体，而流场板则与隔板配合工作，以使两者能够共同围成排水通道，同时流场板与燃料电池的膜电极配合围成气体通道，此气体通道和排水通道相互连通，使得反应生成的液态水能够从气体通道中流入到排水通道中。当安装有上述阴极板的燃料电池在工作时，由于专门设置了用于导流反应气体的气体通道，和用于导流反应生成的液态水的排水通道，即令液态水和反应气体分别通过不同的通道来实现导流，同时由于气体通道和排水通道相互连通，所以使得气体通道中反应生成的液态水能够流入到排水通道中并最终排出，减小甚至避免了两者之间的相互影响，令液态水无法再对反应气体形成阻塞，进而避免了“水淹”现象的发生，使得燃料电池的工作性能得到了进一步的提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的阴极板的分解示意图；

图2为流场板的结构示意图。

在图1和图2中：

1-隔板，2-流场板，3-气体通道，4-排水通道，5-导向斜面，6-波纹条。

具体实施方式

本发明提供了一种新型的阴极板，通过对原有结构进行改进，避免了燃料电池“水淹”现象的发生，使得燃料电池的工作性能得到了进一步的提高。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的阴极板，用于设置在燃料电池的阴极，包括：用于隔离气体的隔板1，具体的是隔离阳极的氢气和阴极的空气；与隔板1共同围成排水通道4的流场板2，同时流场板2还与膜电极(膜电极为燃料电池的组成部件，图中未示出)围成气体通道3，此气体通道3和排水通道4相互连通，以便于反应生成的液态水能够从气体通道3中流入到排水通道4中，从而避免对气体通道3中流动的反应气体造成影响。

当安装有上述阴极板的燃料电池在工作时，由于专门设置了用于导流反应气体的气体通道3，和用于导流反应生成的液态水的排水通道4，即令液态水和反应气体分别通过不同的通道来实现导流，同时由于气体通道3和排水通道4相互连通，所以使得液态水能够从气体通道3中流入排水通道4中并最终排出，减小甚至避免了两者之间的相互影响，令液态水无法再对反应气体形成阻塞，进而避免了“水淹”现象的发生，使得燃料电池的工作性能得到了进一步的提高。

为了进一步优化技术方案，本实施例提供的阴极板中，优选流场板2为波纹板，并且流场板2的每个波峰和每个波谷的截面形状均为矩形，如图1和图2所示；隔板1位于流场板2的顶部，膜电极位于流场板2的底部，并且膜电极与流场板2的波峰围成气体通道3，隔板1与流场板2的波谷围成排水通道4，如图1所示。将流场板2设置为波纹板，能够使得气体通道3和排水通道4为一体结构，令本实施例提供的阴极板的结构更加紧凑、简单。同时还使波纹板的波峰和波谷的截面形状不再是V字形，而设置为矩形，是因为矩形的波峰与膜电极围成的气体通道3以及矩形的波谷与隔板1围成的排水通道4具有更大的容积，可以分别容纳更多的反应气体和液态水，提高了反应效果和排水效果，令阴极板的工作性能得到了提升。当反应气体经燃料电池的入口流至阴极板的设置部位时，反应气体顺着气体通道3和排水通道4的延伸方向进入到其中，并被分为两部分，一部分进入到气体通道3中，另一部分则进入到排水通道4中。

优选的，流场板2包括多个并排连接的波纹条，每个波纹条的波峰和波谷的截面形状均为矩形，并且相邻连接的波纹条之间具有间隙，如图2所示，气体通道3和排水通道4主要通过该间隙连通。令流场板2由多个波纹条在同一水平面内并排的连接而成，使得流场板2通过波纹条组装而成，不仅有利于流场板2的安装，而且还能够在相邻波纹条之间设置间隙，从而使得反应气体在流至间隙部位时，能够对气流形成缓冲，对气流起到再分配作用，提高了反应气体在燃料电池中的分布均匀性。

如图2所示，流场板2的波峰顶壁上设置有将气体导向间隙底部的导向斜面5。导向斜面5从波峰顶壁向间隙底部延伸一定的长度，当反应气体流至导向斜面5的设置部位时，导向斜面5将即将进入到间隙中的部分反应气体导向至间隙的底部方向(即向靠近膜电极的方向导流反应气体)，从而获得斜向膜电极的流速，改善了传统流道只获得水平于膜电极流速的不足，增加了气体的传质，提升了燃料电池的工作性能。

进一步的，相邻设置的不同波纹条以波峰与波峰错位、波谷与波谷错位的方式连接，如图2所示。前面提到了，反应气体在流至阴极板所在部位时，会同时进入到气体通道3和排水通道4中，而进入到排水通道4中的部分反应气体在流动的过程中，由于排水通道4和气体通道3通过间隙连通，所以排水通道4中的反应气体可以在流经不同的间隙(即不同波纹条之间的间隙)时不断的向气体通道3中补充反应气体，从而提高了反应气体的利用率。与此同时，在排水通道4中流动的反应气体，还能够促进液态水的流动，提高了排水通道4的排水效果。

本实施例中，还优选波谷的底壁为由多孔材料成型的多孔底壁。令波谷的底壁由多孔材料成型，使得排水通道4中的部分反应气体能够穿过多孔材料而向位于底部的膜电极流动，改善了传统流场中反应气体无法从脊背扩散到膜电极的缺点，有效增加了反应气体的分布均匀性。同时，多孔底壁也可以令膜电极一侧反应生成的液态水穿过多孔材料而进入到排水通道4中，促进了燃料电池的排水效果。由多孔材料制成的底壁通过粘滞或嵌入等方式与流场板2的金属部分(即排水通道4的侧壁)进行连接。

或者，也可以令波谷的底壁为金属板材的底壁，并在底壁上设置有多个直径为0.01mm-0.1mm的渗水孔。即在金属板上钻大小不一的通孔，令反应气体和液态水通过渗水孔实现流动。

更加优选的，波峰为表面经过疏水处理的凸台结构，波谷为表面经过亲水处理的凹槽结构，如图2所示。由于对气体通道3做了疏水处理，排水通道4做了亲水处理，使得气体通道3中反应产生的液态水在表面张力的作用下，通过间隙流向下一单元的排水通道4，从而避免了液态水在气体通道3中的停留，进一步避免了发生气体通道3堵塞的情况，有效缓解了燃料电池“水淹”的现象，提高了燃料电池的工作性能。

具体的，还优选气体通道3的宽度大于排水通道4的宽度，以为燃料电池提供更加充足的反应气体；同样优选的，隔板1为金属平板，且厚度为0.1mm-1mm，选用较薄的金属平板作为隔板1，能够减小本实施例提供的阴极板的占用空间。

基于上述实施例中提供的阴极板，本发明实施例还提供了一种燃料电池，包括膜电极和阴极板，该阴极板即为上述实施例中提供的阴极板。

由于该燃料电池采用了上述实施例提供的阴极板，所以该燃料电池由阴极板带来的有益效果请参考上述实施例中相应的部分，在此不再赘述。

本说明书中对各部分结构采用递进的方式描述，每个部分的结构重点说明的都是与现有结构的不同之处，燃料电池及其阴极板的整体及部分结构可通过组合上述多个部分的结构而得到。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种阴极板，用于设置在燃料电池的阴极，其特征在于，包括：

用于隔离气体的隔板；

与所述隔板围成排水通道，并与所述燃料电池的膜电极围成气体通道的流场板，所述排水通道和所述气体通道相互连通，以使所述气体通道中的液态水能够流入到所述排水通道中；所述流场板为波纹板，并由多个波纹条在同一水平面内并排的连接而成；所述隔板位于所述流场板的顶部并与所述流场板的波谷围成所述排水通道，所述膜电极位于所述流场板的底部并与所述流场板的波峰围成所述气体通道；

其中，

所述气体通道专门用于导流反应气体，所述排水通道专门用于导流反应生成的液态水，使得液态水和反应气体分别通过不同的通道来实现导流。

2.根据权利要求1所述的阴极板，其特征在于，所述流场板的每个波峰和每个波谷的截面形状均为矩形。

3.根据权利要求2所述的阴极板，其特征在于，相邻连接的所述波纹条之间具有间隙。

4.根据权利要求3所述的阴极板，其特征在于，所述流场板的波峰顶壁上设置有将气体导向所述间隙底部的导向斜面。

5.根据权利要求3所述的阴极板，其特征在于，相邻设置的不同所述波纹条以波峰与波峰错位、波谷与波谷错位的方式连接。

6.根据权利要求2所述的阴极板，其特征在于，所述波谷的底壁为由多孔材料成型的多孔底壁。

7.根据权利要求2所述的阴极板，其特征在于，所述波谷的底壁上设置有多个直径为0.01mm-0.1mm的渗水孔。

8.根据权利要求2所述的阴极板，其特征在于，所述波峰为表面经过疏水处理的凸台结构，所述波谷为表面经过亲水处理的凹槽结构。

9.根据权利要求2-8中任意一项所述的阴极板，其特征在于，所述气体通道的宽度大于所述排水通道的宽度；所述隔板为金属平板，且厚度为0.1mm-1mm。

10.一种燃料电池，包括膜电极和阴极板，其特征在于，所述阴极板为权利要求1-9中任意一项所述的阴极板。

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