CN107799787A - 燃料电池用流场板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池用流场板，包括反应流场、反应物进口和反应物出口，反应流场包括排布成蛇形的多组反应流道，每组反应流道包括多条平行排布的反应流道，相邻两条反应流道之间通过板脊隔开，相邻两组反应流道的转向处形成流体转向区；在流体转向区内，前组反应流道的各板脊被纵向切割，形成了由若干块状凸起及其周边相互连通的反应流道组成的反应流道混合区；后组反应流道未被切割，在末端形成了汇合流道；反应物进口、反应物出口与反应流场连通。本发明既能保证流体流速和浓度均匀分布，流场压降不至于过大，又能保证较高的流体线速度将废水废气带出且流体本身不会过度湍流，提高了电池的效率及其稳定性。

Description

燃料电池用流场板

技术领域

本发明涉及一种燃料电池的流场板，具体是涉及一种用于质子交换膜燃料电池及电堆的流场结构。

背景技术

燃料电池主要由阳极流场板、阴极流场板以及夹在它们之间的膜电极组成。膜电极主要由阳极扩散层、阴极扩散层以及夹在它们之间的质子交换膜组成，并且阳极扩散层、阴极扩散层与质子交换膜之间分别有阳极催化剂层和阴极催化剂层。反应物流经流场板，再通过扩散层扩散进入催化剂层，在此发生电化学反应产生电流。多片燃料电池装配在一起，可以组成燃料电池组或电堆，产生更大的电功率，为负载提供更多的电能。

燃料电池的流场板中包含多条流道，组成流场(阳极流场或阴极流场)，为反应物向催化剂层扩散提供支持。

通常，燃料电池的流场板包括一个反应物进口、一个反应物出口，反应物通过外部通道由反应物进口进入流场，流经整个流场后从反应物出口流出。

流场设计是燃料电池设计中非常关键的一步，直接影响到反应物的扩散分布情况以及废料的排出问题，并极大的影响电池效率。通常在流场设计中，需满足以下几项条件：均匀的流体速度分布、均匀的浓度分布、适宜的流体线速度大小、适宜的压降、较小的流体扰动、易于排出废水及废气等，并且需要保证一定的与膜电极的接触面积，以保持足够的支撑作用以及减小电池的接触电阻。先前技术中，常用的流场设计有平行流场、蛇形流场、交指流场等。

平行流场是一组均匀的直形通道。其流场压降较低，但一般很难实现流体的均匀分布，且由于流体线速度较低，在通道中形成的任何水滴都将阻塞通道，无法将水及时排出，造成燃料电池电压较低且不稳定。

蛇形流场包括蛇形单通道流场、蛇形多通道流场、混合蛇形多通道流场等。其优点在于流体线速度较高，有利于推动通道中的凝结水的排出。对于蛇形单通道流场来说，总压降较大，不适用于流场面积较大的情况，而蛇形多通道流场，由于流程较长，相邻两个通道间的压差可能造成通道明显旁路，且反应物由于发生电化学反应，其浓度会沿通道降低，造成电池不同位置发电效率的不稳定。而混合蛇形流道，虽然可以允许反应物在每个转向处混合，但由于转向处流体阻力较小，通道较窄，流速较快，很难进行充分混合，也很难保证流体混合并转向后均匀流入下一流段。

交指形流场的通道都是不连续的，即没有进口流道与出口流道相连接，反应物被迫从扩散层由进口流道扩散到出口流道。此流场有助于扩散层排水，提高电池效率，但其压降会更大。

美国专利US9184452公开了一种基于混合蛇形流道流场的设计，其在混合转向区设置一印花特征部分或者放置一种多孔材料以供液体充分混合，减小了相邻两个通道间的压差造成通道明显旁路的可能，提高了流体分布的均匀性。但此印花部分由于分布无规律且较紧密，使此部分压降过大，而且加工比较复杂，成本较高。另外，其在转向区前后部分均设置印花，导致流体转向后分流到几条流道中时，流体未经充分发展，湍流程度较大，会在一定程度上影响后面流道的流量分布。流体转向后，由于电化学反应流体流量和反应物浓度会有一定的下降，对冷凝水的排出和电池效率有一定的影响。

通过以上分析可知，几种现有技术分别有一定的优势和劣势，但通常是在牺牲了一种或几种技术要求的前提下，满足另一种技术设计要求的，这样就限制了其只能在特定条件或环境下进行应用。因此，有必要开发设计一种既能保证流体流速和浓度均匀分布，流场压降不至于过大，又能保证较高的流体线速度将废水废气带出且流体本身不会过度湍流的新的流场结构。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种既能保证流体流速和浓度均匀分布，流场压降不至于过大，又能保证较高的流体线速度将废水废气带出且流体本身不会过度湍流的燃料电池用流场板，提高了电池的效率及其稳定性。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种燃料电池用流场板，包括反应流场、反应物进口和反应物出口，所述反应流场设于所述流场板的正面中部，所述反应流场包括排布成蛇形的多组反应流道，每组反应流道包括多条平行排布的反应流道，相邻两条反应流道之间通过板脊隔开，相邻两组反应流道的转向处形成流体转向区；在所述流体转向区内，前组反应流道的各板脊被纵向切割，形成了由若干块状凸起及其周边相互连通的反应流道组成的反应流道混合区；后组反应流道未被切割，且后组反应流道的各反应流道末端被打通，形成一贯通其内各反应流道的汇合流道；所述反应物进口与第一组反应流道连通，所述反应物出口与最后一组反应流道连通，且第一组反应流道的条数≥2，最后一组反应流道的条数≥1。

所述的燃料电池用流场板用于燃料电池的阳极流场板或者阴极流场板，其反应物进口、反应物出口各有一对，其中一对为阳极反应物进出口，另一对为阴极反应物进出口，所述反应流场与其中一对连通。

所述的燃料电池用流场板用于单片燃料电池或由多片燃料电池串联组成的电池堆。

所述的燃料电池用流场板，其中所述的流体转向区内的前组反应流道的各板脊被纵向切割的刀数为2-8刀。

所述的燃料电池用流场板，其中所述的块状凸起的截面形状为正方形或长方形，或者对其切口边缘进行修整，使形成的块状凸起的截面形状为八角形、圆形或椭圆形。

所述的燃料电池用流场板，每经过一个流体转向区，后组反应流道的数目与前组反应流道的数目相同或者减少，后组反应流道的宽度和/或深度与前组反应流通的宽度和/或深度相同或者减小，后组反应流道的板脊的宽度与前组反应流道的宽度相同或者不同。

所述的燃料电池用流场板，其适用的反应物为气体或液体。气体的反应物为纯氢气、富氢气体、甲烷、天然气、纯氧气及空气，液体的反应物为甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇及它们的水溶液。

本发明的有益效果是：本发明提供一种燃料电池用流场板，是一种基于混合蛇形多通道流场之上的新的流场设计，在每个流体转向区流体未转向的前组反应流道，几条板脊被纵向切割，形成一个由块状凸起及其周边相互连通的反应流道组成的反应流道混合区，流体流经此反应流道混合区后，由于各反应流道被切割连通，以及区域内块状凸起的阻碍、分流作用，使得流体在此处能够充分混合，并提供足够的压降，减少相邻反应通道因压降差过大而造成的明显旁路，从而提高了电池的稳定性。另外，通过改变切割后块状凸起的横截面形状，可以减小此反应流道混合区内流体的湍流程度，有利于提高此区域向扩散层的反向扩散效果。此外，从制造工艺上来说，直接在加工好的板脊上进行切割，制造方法比在板上印花方法更加简便、快捷，降低了制造成本。在流体转向后，后组反应流道未被切割，一方面可防止流体压降过大，另一方面，流体刚离开块状凸起分布区域时，其湍流程度较大，会在一定程度上影响后面流道的流量分布，因此，先让流体流经后组反应流道末端形成的汇合流道，再分流进入各条反应流道，流体经过汇集，充分发展后转向分流，可使流量分布更均匀。每组反应流道经过流体转向区后，反应流道的条数、宽度、深度、板脊的宽度均可以发生改变，一般情况下，减少流道数或减小流道的宽度、深度，可增加流体的线速度，减少因电化学反应造成的流量减少，线速度下降等问题，并且有利于流道的排水，从而最终提高了电池效率。

附图说明

图1为本发明燃料电池用流场板的优选实施例的立体示意图；

图2为本发明燃料电池用流场板的优选实施例的正面视图；

图3为本发明图1所示的优选实施例的流体转向区的立体局部放大示意图；

图4为本发明图2所示的优选实施例的流体转向区的正面局部放大示意图；

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明，其目的仅在于更好理解本发明的内容而非限制本发明的保护范围。实施例附图的结构中各组成部分未按正常比例缩放，故不代表实施例中各结构的实际相对大小。其中所说的结构或面的上面或上侧，包含中间还有其他层的情况。

通常，燃料电池组由膜电极、阴阳极流场板、两块集流板、两块端板、固定装置等组成。一对阴阳极流场板中间夹膜电极组成一块燃料电池单元。单电池中仅有一块燃料电池单元，而电堆中含有多组重复的燃料电池单元。流场板用在电堆中时，流体输送需经过每块流场板，所以不管是阴极还是阳极的流场板，都有两对反应物进出口。

如图1和图2所示，一种燃料电池用流场板，包括反应流场1、反应物进口2和反应物出口3，反应流场1设于流场板的正面中部，反应流场1包括排布成蛇形的多组反应流道，每组反应流道包括多条平行排布的反应流道11，相邻两条反应流道之间通过板脊12隔开，相邻两组反应流道的转向处形成流体转向区14；在流体转向区内，前组反应流道的各板脊被纵向切割，形成了由若干块状凸起及其周边相互连通的反应流道组成的反应流道混合区141；后组反应流道未被切割，且后组反应流道的各反应流道末端被打通，形成一贯通其内各反应流道的汇合流道142；反应物进口2和反应物出口3设于反应流场的两端，反应物进口2与第一组反应流道连通，反应物出口与最后一组反应流道连通，且第一组反应流道的条数≥2，最后一组反应流道的条数≥1。这样，反应物进口2与反应流场1相通，经过若干个流通转向区，最后与反应物出口3连通。

上述结构中每个流体转向区流体未转向的前组反应流道，几条板脊被纵向切割，形成一个由块状凸起及其周边相互连通的反应流道组成的反应流道混合区，流体流经此反应流道混合区后，由于各反应流道被切割连通，以及区域内块状凸起的阻碍、分流作用，使得流体在此处能够充分混合，并提供足够的压降，减少相邻反应通道因压降差过大而造成的明显旁路，从而提高了电池的稳定性。在流体转向后，后组反应流道未被切割，一方面可防止流体压降过大，另一方面，流体刚离开块状凸起分布区域时，其湍流程度较大，会在一定程度上影响后面流道的流量分布，因此，先让流体流经后组反应流道末端形成的汇合流道，再分流进入各条反应流道，流体经过汇集，充分发展后转向分流，可使流量分布更均匀。

本发明流场板可以用作阳极流场板，也可用作阴极流场板。此时，流场板的反应物进口、反应物出口应各有一对，其中一对反应物进口1、反应物出口2为阳极反应物进出口，另一对反应物进口4、反应物出口5为阴极反应物进出口，反应流场与其中一对连通，这里，反应流场与反应物进口1、反应物出口2连通，参见图1和图2。而另一对反应物进口3、反应物出口4作为阴极反应物进出口，此对进出口仅起流体输送作用，在本流场板中不与反应流场连通，而是会与其相邻的另一块阴极流场板连通。

本发明燃料电池用流场板，在每个流体转向区未转向的前组反应流道，几条板脊被纵向切割n刀，优选为3-8刀，被切后剩余部分形成块状凸起，切割后块状凸起的截面形状为正方形或长方形。优选的，其切口边缘可以被修整，使形成的块状凸起的截面形状为八角形、圆形或椭圆形。这样，通过改变切割后块状凸起的横截面形状，可以减小此反应流道混合区内流体的湍流程度，有利于提高此区域向扩散层的反向扩散效果。此外，从制造工艺上来说，直接在加工好的板脊上进行切割，制造方法比在板上印花方法更加简便、快捷，降低了制造成本。本发明燃料电池用流场板的反应流场，其反应物进口处的反应流道条数≥2，优选的，反应物进口处的反应流道条数为4-8 条，保证足够的流体线速度，并使单条反应流道总长度不至于过长。每经过一个流体转向区，反应流道转向后的数目可以与反应流道转向前相同或者不同。经流体转向后及反应物出口处的反应流道条数≥1，优选的，反应流道转向后的数目比反应流道转向前减少1-2条，这是由于电化学反应使得反应物流量和反应物浓度减小，减少流道数目可以减少流体流过的横截面积，有利于保证其维持一定的线速度或稍加提高，更加有利于排水，并且保证电池效率的稳定性。

燃料电池用流场板的反应流道，其流道宽度约为 0.5-3mm，优选的，流道宽度约为0.8-1.5mm，流道深度约为 0.5-3mm，优选的，流道深度约为0.8-1.5mm。经过流体转向区后，流道的宽度和深度可以与流体转向前相同或者不同，优选的，流道宽度变窄0.1-0.2mm，深度变浅0.1-0.2mm，这是由于电化学反应使得反应物流量和反应物浓度减小，减少流道的宽度和深度可以减少流体流过的横截面积，有利于保证其维持一定的线速度或稍加提高，更加有利于排水，并且保证电池效率的稳定性。

燃料电池用流场板的反应流道的板脊，其宽度约为 0.5-2.5mm，优选的，板脊宽度约为0.5-1.5mm，经过流体转向区后，板脊的宽度可以与流体转向前相同或者不同，优选的，板脊宽度变窄0.1-0.2mm。由于流道宽度减少，板脊可以以相同的比例将宽度减少，保证流场板与扩散层的接触面积保持在一定数值之内，既给流体的扩散提供一定的空间，又使接触电阻不至于过大。

燃料电池用流场板，其中所适用的反应物可以为气体或液体。反应物气体为纯氢气、富氢气体、甲烷、天然气、纯氧气及空气等。反应物液体为甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇等醇类及其水溶液等。优选的，阳极反应物优选氢气、富氢气体、甲醇水溶液，阴极反应物优选为空气。

本发明燃料电池用流场板其上还形成有对正孔，以在组装成燃料电池时，起到各板之间的对正作用。燃料电池用流场板的背面设有相互平行的若干沟槽，形成栅格进行散热。以上实施例是参照附图，对本发明的优选实施例进行详细说明，本领域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的修改或变更，但不背离本发明的实质的情况下，都落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池用流场板，其特征在于：包括反应流场、反应物进口和反应物出口，所述反应流场设于所述流场板的正面中部，所述反应流场包括排布成蛇形的多组反应流道，每组反应流道包括多条平行排布的反应流道，相邻两条反应流道之间通过板脊隔开，相邻两组反应流道的转向处形成流体转向区；在所述流体转向区内，前组反应流道的各板脊被纵向切割，形成了由若干块状凸起及其周边相互连通的反应流道组成的反应流道混合区；后组反应流道未被切割，且后组反应流道的各反应流道末端被打通，形成一贯通其内各反应流道的汇合流道；所述反应物进口与第一组反应流道连通，所述反应物出口与最后一组反应流道连通，且第一组反应流道的条数≥2，最后一组反应流道的条数≥1。

2.根据权利要求1所述的燃料电池用流场板，其特征在于，所述流场板用于燃料电池的阳极流场板或者阴极流场板，其反应物进口、反应物出口各有一对，其中一对为阳极反应物进出口，另一对为阴极反应物进出口，所述反应流场与其中一对连通。

3.根据权利要求1所述的燃料电池用流场板，其特征在于：所述流场板用于单片燃料电池或由多片燃料电池串联组成的电池堆。

4.根据权利要求1所述的燃料电池用流场板，其特征在于：所述流体转向区内的前组反应流道的各板脊被纵向切割的刀数为2-8刀。

5.根据权利要求1所述的燃料电池用流场板，其特征在于：所述块状凸起的截面形状为正方形或长方形，或者对其切口边缘进行修整，使形成的块状凸起的截面形状为八角形、圆形或椭圆形。

6.根据权利要求1所述的燃料电池用流场板，其特征在于：每经过一个流体转向区，后组反应流道的数目与前组反应流道的数目相同或者减少。

7.根据权利要求1所述的燃料电池用流场板，其特征在于：每经过一个流体转向区，后组反应流道的宽度和/或深度与前组反应流通的宽度和/或深度相同或者减小。

8.根据权利要求7所述的燃料电池用流场板，其特征在于：每经过一个流体转向区，后组反应流道的板脊的宽度与前组反应流道的宽度相同或者不同。

9.根据权利要求1所述的燃料电池用流场板，其特征在于：其适用的反应物为气体或液体。

10.根据权利要求9所述的燃料电池用流场板，其特征在于：气体的反应物为纯氢气、富氢气体、甲烷、天然气、纯氧气及空气，液体的反应物为甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇及它们的水溶液。