CN108172857A - 一种支持高电流密度放电的燃料电池电堆流场板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种支持高电流密度放电的燃料电池电堆流场板，包括背面相对连接的阴极流场板和阳极流场板，阴极流场板和阳极流场板的正面分别加工有呈水波纹式的空气流场通道和氢气流场通道，在阴极流场板和阳极流场板的背面之间加工有冷却水流场通道，阴极流场板和阳极流场板上均具有连通的一对共用空气通道、一对共用氢气通道和一对共用水通道，并分别形成连接空气流场通道、氢气流场通道、冷却水流场通道的进出口端的空气进/出口、氢气进/出口和冷却水进/出口。与现有技术相比，本发明的流场板采用更优化的流道设计、更佳的材料配方、更优的装配方式，达到大电流放电、温度均匀化、支持低温快速启动和加载、对负载的变化快速响应的目的。

Description

一种支持高电流密度放电的燃料电池电堆流场板
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种支持高电流密度放电的燃料电池电堆流场板。
背景技术
在我国大气污染严重、石油价格高企的背景之下，发展新能源汽车以被从中央到地方各级政府提上重要的议事日程。与目前已开启商业化进程的利用锂离子电池的纯电动汽车不同的是，燃料电池汽车具有燃料补充快、能量密度高、续航时间长的突出争优点。车用燃料电池一般采用质子交换膜燃料电池(PEMFC)为主，其以空气或纯氧作为氧化剂，以纯氢气或甲烷等烃类燃料电池的富氢重整气作为燃料。由于氢的来源广泛，在燃料电池这一电化学转换装置中的能量转换效率高，产物仅为水，清洁无污染等特点，日益受到政府和整车厂的青睐。
燃料电池工作时，需要利用流场板来导入并平均分配气态的反应物质，即燃料和氧化剂；为了排出废热，还需要导入冷却介质将交之平均分配至极板的背面。总的说来，作为燃料电池的重要组成部件，流场板的功能主要包括：
(一)收集反应产生的电流并将其沿电堆的串联方向进行传递；
(二)分隔燃料和氧化剂，并使其分别在每个单电池的负极和正极催化剂表面均匀分配；
(三)排出生成产物水，否则反应界面一旦被淹，则电池的性能和寿命都会受到极大的影响；
(四)引入冷却介质，确保电堆的温度稳定，并分布均匀；
(五)分隔燃料电池中的各节单电池，并支撑组相对柔软的电解质膜和由负载在微米级载体上的纳米活性催化剂。
在车用环境下，尤其是在乘用车上，考虑到空间的局限性，正常工作时能否以较大功率密度(如1W/cm2以上)发电是考察电堆性能优劣的首要指标。此外，作为车载动力源，车用环境下的快速启动、快速加载和动态变化的工况以及低温启动等特性对燃料电池电堆提出了严峻的要求。为此，在流场板的优化设计和加工上，需要攻克以下几个方面的问题：
(1)提高单电池的有效使用面积，提升单位面积的放电功率密度；
(2)满足大功率密度下工作的燃料与氧化剂供应，使电堆能在长期稳定地工作；
(3)满足大功率密度下电堆散热的需求，改善电堆单节电池间和单节电池局部区域间温度分布的不一致性，使其在车载变工况下长期稳定地工作；
(4)提升流场板加工的一致性和电堆组装时流场板定位的精确性，使电堆中各节单电池电压能在在大电流密度下仍然保持一致、均匀；
(5)低温冷启动时，通过高效、一致的流场板的稳定工作，利用大电流密度(如2-3A/cm2)、低电压(如0.1V)下放电时的大量废热使无外辅助加热条件下的低温冷启动成为可能；
(6)通过对流场板表面改性和结构优化，使大电流密度工作条件下产生的水能快速地被排除到堆外。比如，亲水的表面处理，可大大地提高液态水从催化剂和气体扩散层向金属板的迁移速度和效率。
此外，流场板占据了其超过60％的重量，以及整个电堆30％以上的成本。因此，通过良好的设计和低廉的加工工艺，达到降低流场板成本的目的，对于燃料电池汽车的商业化推广和应用也具有深远的意义。
专利CN 101937998 A提出了一种冲压成型的金属流场板，通过连续转角的导游槽设计，实现对反应气体的多次分配，并在活性区域内均匀分配，认为这样能有效减缓“水淹”现象。然而这样导流槽的设计的缺陷也是很明显的，即流场板和膜电极组件(MEA)上相应的导游区变成不能有效发电的“死区”，必然大大降低了燃料电池的体积比功率密度。
专利CN103205485U提出了一种利于流体分配的冲压金属流场板。设计了由支撑点和导流岛构成的空气和氢气分配流道，该支撑点可以是方形、圆形、椭圆形、梯形、三角形和梭形等形状。然而，过大的导流区域的存在，同样会造成有效发电区域面积的减少，不利于体积比功率密度的提升。
专利CN104701550 A提出了一种带导流槽的冷却剂极板，其采用不锈钢或钛纺织网作为第三张板，可以减少60％以上的冷却水流阻。尽管其能做到比传统的三张金属板板的重量减少20％，但比两张金属板的设计却没有优势。增加的不锈钢或钛网必然后带来接触电阻的上升和电堆结构的复杂性。
鉴于上述流场板设计上的局限性，极有必要开发一种更适于在车用工况下工作的电堆流场板。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种支持高电流密度放电的燃料电池电堆流场板。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种支持高电流密度放电的燃料电池电堆流场板，包括背面相对连接的阴极流场板和阳极流场板，所述的阴极流场板和阳极流场板的正面分别加工有呈水波纹式的空气流场通道和氢气流场通道，在阴极流场板和阳极流场板的背面之间加工有冷却水流场通道，所述的阴极流场板和阳极流场板上均具有连通的一对共用空气通道、一对共用氢气通道和一对共用水通道，并分别形成连接空气流场通道、氢气流场通道、冷却水流场通道的进出口端的空气进/出口、氢气进/出口和冷却水进/出口。
优选的，所述的冷却水流场通道加工在阴极流场板背面或阳极流场板背面。水流场同样具有供水进出电堆的共用通道、水流道和水场密封区等结构。如果采用密封焊的方式联接阴阳极板，该密封区可为平面；如果采用粘胶剂联接的方式，则必要在阴极板或阳极板的背面设计密封槽。本发明中，为了加大水流量，也可以在两者的背面同时加工出水流场。如果采用密封焊的方式联接阴阳极板，该密封区可为平面；如果采用粘胶剂联接的方式，则必要在阴极流场板或阳极流场板的背面设计密封槽。出于结构简化的需求，一般只会在一块板上设置密封槽。
优选的，所述的空气进/出口、氢气进/出口在其分别与空气流场通道和氢气流场通道的连接处均铺有桥片。桥片的作用主要是支撑MEA组件分别对其氢气侧和空气侧的密封，隔绝空气或氢气分别进入阳极流场或阴极流场。
优选的，所述的阴极流场板和阳极流场板分别在其空气侧与氢气侧上设有空气侧密封槽和氢气侧密封槽，在空气侧密封槽和氢气侧密封槽内分别装有弹性密封件，使得形成与密闭的空气反应腔和氢气反应腔。弹性密封件能在电堆要求的组装压力与反应气工作压力下有效密封，并且不能影响MEA组件的受力，以及MEA组件与流场板之间的电接触。
优选的，空气进/出口与空气流场通道的面积之比介于8.5％～20％之间；
氢气进/出口与氢气流场通道的面积比介于3.5％～8.5％之间；
冷却水进/出口与冷却水流场通道的面积之比必介于3.2％～7.3％之间。经过流体力学建模仿真分析，空气、氢气和水流道的进出口面积必须够大，才不致于影响气体供应和反应产物水的排出，但过大的进出口面积又会影响真正参与电化学反应的活性反应区面积的占比，使有效面积减少。
为了改善大电流密度下大量反应气体的供应和低电效率下废热的排出，并且还不能影响电子流动的通路，通过合理的流道形式设计，并保证单根流道足够的横截面积是最重要的技术保障；然而过大的槽深势必会增大板的厚度，不利于体积比功率的提升。鉴于此，经过流体力学分析，得出如下优选的方案，阴极流场板上，空气流场通道的槽深g满足：0.4≤g≤0.5mm，空气流场通道的槽宽a与其脊背的宽度b的比值满足：0.8≤a/b≤1.2；
阳极流场板上，氢气流场通道的槽深h满足：0.3≤h≤0.4mm，氢气流场通道的槽宽c与其脊背的宽度d的比值满足：0.8≤c/d≤1.2；
冷却水流场通道的槽深i满足：0.2≤i≤0.4mm，冷却水流场通道的宽度e与其脊背的宽度f的比值满足：3.0≤e/f≤6.0。
优选的，所述的阴极流场板与阳极流场板上设有位置对应并分别位于其侧边处的外定位凹槽与位于其四角处的内定位孔。车用电堆一般采用单电池串联堆叠的方式进行组装；而且为了满足大功率的输出特性，单电池的数量可能达到数百节之多。为了众多单电池堆叠后整齐、美观，更重要的是为了保证受力一致性，从而保证密封件和MEA的受力均匀性和大电流发电时的最优电压均匀性。本发明采用了内定位与外定位结合的装堆方式，最大限度地降低单电池堆叠过程中造成的形位误差，提升电堆气密性与发电性能的一致性，从而有利于提升对外做功时的电流密度。
优选的，所述的阴极流场板和阳极流场板均进行亲水处理，并使得水在其表面的接触角θ满足：0°≤θ≤45°。
优选的，所述的阴极流场板和阳极流场板通过焊接或粘胶剂粘接形成整体。
本发明主要面向车用高功率密度电堆，采用更优化的流道设计、更佳的材料配方、更优的装配方式，达到大电流放电、温度均匀化、支持低温快速启动和加载、对负载的变化快速响应的目的。
本发明的流场板的加工方式与支撑的材料不限，可以通过不锈钢、钛及其合金、镍及其合金，以及铝合金等金属板、石墨板、石墨/金属复合板、碳/碳复合板等多种材质，可以经过机器铣、雕、切割以及更高效的蚀刻、冲压、注塑、及模压等各种加工方式加工成型。优选的，所述阴极流场板和阳极流场板为金属板、石墨板、石墨/金属复合板或碳/碳复合板。更优选的，所述的金属板的材质为不锈钢、钛及其合金、镍及其合金，或铝合金。
优选的，所述的共用空气通道、共用氢气通道和共用水通道在阴极流场板和阳极流场板上均设有两个，其中，所述两个共用空气通道在阴极流场板和阳极流场板上平行的两条短边侧分别设有一个，所述两个共用氢气通道和两个共用水通道均在阴极流场板和阳极流场板上平行的两条长边侧均分别设有一个，并保证两个共用氢气通道和两个共用水通道均呈对角式布置。
本发明中的阴极流场板与阳极流场板可以联接为一个整体，也可分体式设计。前者部件减少，利于进行串联叠加的电堆组装方式，但在密封与导电方面两者并没有实质性的区别。若选用金属板，则可以通过激光焊、电阻焊、钎焊等方式将阴阳极流场板焊接为双极板，也可通过粘胶剂联接，最终在两块板的背面形成水场，并形成有效密封；而石墨和各种复合材料制成的阴、阳极流场板则可以通过粘胶剂联接。分体式设计中，阴、阳极流场板分离，在电堆组装时才合为一体只要进行合理的密封设计，则均可以在空气、氢气与水流场中实现密封的同时，达到良好的导电效果。
本发明中，空气、氢气和冷却水从电堆外经过各自的共用通道，由于这些共用通道的面积够大，流体经过极短小的导流区域后即可到达活性反应区。经过空气流场、氢扬子流场与水流场的分配后，空气和氢气即可快速透过气体扩散层到达催化层，反应产物水可被快速带出电堆；冷却水也可以快速到达反应区域所对应的水流场，将反应产生的废热带走。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)：通过优化反应气体的流道形状，采用水波形构造的流体通道，使反应气易于稳定、均匀地到达整个反应面，与此同时，能顺畅地排除反应产物——水；
(2)：尽量减少甚至完全去除流场板上反应气和冷却剂的导流区域，减少无效面积；
(3)：加大流场板上反应气的共用通道口径，将共用通道中的气体沿程阻力降至最低；
(4)：采用内定位与外定位结合的装堆方式，最大限度地降低单电池堆叠过程中造成的形位误差，提升电堆气密性与发电性能的一致性；
(5)：流场板表面采用亲水处理，使反应生成水易于透过疏水的气体扩散层，进行流场板的沟槽中，从而被快速地排出电堆，避免大电流“水淹”现象。综合起来，可以使燃料电池电堆达到高电流密度稳定放电的效果。
附图说明
图1为阴极流场板设计平面示意图；
图2为阳极流场板设计平面示意图；
图3为不包含密封槽的冷却水流场(焊接金属板)的设计平面示意图；
图4为包含密封槽的冷却水流场(粘接金属板)的设计平面示意图；
图5为阴、阳极流场板组合后的单电池的度轴测示意图；
图6为阴阳极流场板组合后的剖视示意图；
图7为空气、氢气和冷却水的流场流道的尺寸示意图；
图8为实施例一(焊接金属板)极化曲线；
图9为实施例一(焊接金属板)下的额定点各单电池柱状图；
图10为实施例二(粘接金属板)极化曲线；
图11为实施例二(粘接金属板)下的额定点各单电池柱状图；
图12为实施例三(粘接石墨板)极化曲线；
图13为实施例三(粘接石墨板)下的额定点各单电池柱状图；
图中，1-内定位孔，2-空气侧密封槽，3-冷却水进/出口，4-外定位凹槽，5-氢气进/出口，6-空气进/出口，7-空气侧桥片，8-空气流场通道，9-氢气侧桥片，10-氢气流场通道，11-氢气侧密封槽，12-冷却水流场通道，13-单电池巡检插槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种支持高电流密度放电的燃料电池电堆流场板，包括背面相对连接的阴极流场板和阳极流场板，所述的阴极流场板和阳极流场板的正面分别加工有呈水波纹式的空气流场通道8和氢气流场通道10，在阴极流场板和阳极流场板的背面之间加工有冷却水流场通道12，所述的阴极流场板和阳极流场板上均具有连通的一对共用空气通道、一对共用氢气通道和一对共用水通道，并分别形成连接空气流场通道8、氢气流场通道10、冷却水流场通道12的进出口端的空气进/出口6、氢气进/出口5和冷却水进/出口3。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的冷却水流场通道12加工在阴极流场板背面或阳极流场板背面。水流场同样具有供水进出电堆的共用通道、水流道和水场密封区等结构。如果采用密封焊的方式联接阴阳极板，该密封区可为平面；如果采用粘胶剂联接的方式，则必要在阴极板或阳极板的背面设计密封槽。本发明中，为了加大水流量，也可以在两者的背面同时加工出水流场。如果采用密封焊的方式联接阴阳极板，该密封区可为平面；如果采用粘胶剂联接的方式，则必要在阴极流场板或阳极流场板的背面设计密封槽。出于结构简化的需求，一般只会在一块板上设置密封槽。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的空气进/出口6、氢气进/出口5在其分别与空气流场通道8和氢气流场通道10的连接处均铺有桥片(分别为空气侧桥片7和氢气侧桥片9)。桥片的作用主要是支撑MEA组件分别对其氢气侧和空气侧的密封，隔绝空气或氢气分别进入阳极流场或阴极流场。
优选的，所述的阴极流场板和阳极流场板分别在其空气侧与氢气侧上设有空气侧密封槽2和氢气侧密封槽11，在空气侧密封槽2和氢气侧密封槽11内分别装有弹性密封件，使得形成与密闭的空气反应腔和氢气反应腔。弹性密封件能在电堆要求的组装压力与反应气工作压力下有效密封，并且不能影响MEA组件的受力，以及MEA组件与流场板之间的电接触。
作为本发明的一种优选的实施方式，空气进/出口6与空气流场通道8的面积之比介于8.5％～20％之间；
氢气进/出口5与氢气流场通道10的面积比介于3.5％～8.5％之间；
冷却水进/出口3与冷却水流场通道12的面积之比必介于3.2％～7.3％之间。经过流体力学建模仿真分析，空气、氢气和水流道的进出口面积必须够大，才不致于影响气体供应和反应产物水的排出，但过大的进出口面积又会影响真正参与电化学反应的活性反应区面积的占比，使有效面积减少。
为了改善大电流密度下大量反应气体的供应和低电效率下废热的排出，并且还不能影响电子流动的通路，通过合理的流道形式设计，并保证单根流道足够的横截面积是最重要的技术保障；然而过大的槽深势必会增大板的厚度，不利于体积比功率的提升。鉴于此，经过流体力学分析，得出如下优选的方案，阴极流场板上，空气流场通道8的槽深g满足：0.4≤g≤0.5mm，空气流场通道8的槽宽a与其脊背的宽度b的比值满足：0.8≤a/b≤1.2；
阳极流场板上，氢气流场通道10的槽深h满足：0.3≤h≤0.4mm，氢气流场通道10的槽宽c与其脊背的宽度d的比值满足：0.8≤c/d≤1.2；
冷却水流场通道12的槽深i满足：0.2≤i≤0.4mm，冷却水流场通道12的宽度e与其脊背的宽度f的比值满足：3.0≤e/f≤6.0。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的阴极流场板与阳极流场板上设有位置对应并分别位于其侧边处的外定位凹槽4与位于其四角处的内定位孔1。车用电堆一般采用单电池串联堆叠的方式进行组装；而且为了满足大功率的输出特性，单电池的数量可能达到数百节之多。为了众多单电池堆叠后整齐、美观，更重要的是为了保证受力一致性，从而保证密封件和MEA的受力均匀性和大电流发电时的最优电压均匀性。本发明采用了内定位与外定位结合的装堆方式，最大限度地降低单电池堆叠过程中造成的形位误差，提升电堆气密性与发电性能的一致性，从而有利于提升对外做功时的电流密度。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的阴极流场板和阳极流场板均进行亲水处理，并使得水在其表面的接触角θ满足：0°≤θ≤45°。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的阴极流场板和阳极流场板通过焊接或粘胶剂粘接形成整体。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的共用空气通道、共用氢气通道和共用水通道在阴极流场板和阳极流场板上均设有两个，其中，所述两个共用空气通道在阴极流场板和阳极流场板上平行的两条短边侧分别设有一个，所述两个共用氢气通道和两个共用水通道均在阴极流场板和阳极流场板上平行的两条长边侧均分别设有一个，并保证两个共用氢气通道和两个共用水通道均呈对角式布置。
本发明的流场板的加工方式与支撑的材料不限，可以通过不锈钢、钛及其合金、镍及其合金，以及铝合金等金属板、石墨板、石墨/金属复合板、碳/碳复合板等多种材质，可以经过机器铣、雕、切割以及更高效的蚀刻、冲压、注塑、及模压等各种加工方式加工成型。优选的，所述阴极流场板和阳极流场板为金属板、石墨板、石墨/金属复合板或碳/碳复合板。更优选的，所述的金属板的材质为不锈钢、钛及其合金、镍及其合金，或铝合金。
本发明中的阴极流场板与阳极流场板可以联接为一个整体，也可分体式设计。前者部件减少，利于进行串联叠加的电堆组装方式，但在密封与导电方面两者并没有实质性的区别。若选用金属板，则可以通过激光焊、电阻焊、钎焊等方式将阴阳极流场板焊接为双极板，也可通过粘胶剂联接，最终在两块板的背面形成水场，并形成有效密封；而石墨和各种复合材料制成的阴、阳极流场板则可以通过粘胶剂联接。分体式设计中，阴、阳极流场板分离，在电堆组装时才合为一体只要进行合理的密封设计，则均可以在空气、氢气与水流场中实现密封的同时，达到良好的导电效果。
本发明中，空气、氢气和冷却水从电堆外经过各自的共用通道，由于这些共用通道的面积够大，流体经过极短小的导流区域后即可到达活性反应区。经过空气流场、氢扬子流场与水流场的分配后，空气和氢气即可快速透过气体扩散层到达催化层，反应产物水可被快速带出电堆；冷却水也可以快速到达反应区域所对应的水流场，将反应产生的废热带走。
实施例1
一种支持高电流密度放电的燃料电池电堆流场板，包括背面相对连接的阴极流场板和阳极流场板，其结构分别如图1和图2所示，阴极流场板和阳极流场板的正面分别加工有呈水波纹式的空气流场通道8和氢气流场通道10，这种水波纹样的设计，有利于增加空气和氢气的紊流，达到促进其向垂直于气体扩散层方向传递的效果。在阴极流场板和阳极流场板的背面之间加工有冷却水流场通道12，如图3所示，本实施例采用在阳极流场板的背面加工，并采用激光焊接方式将阴极流场板与阳极流场板组合起来，构成如图5所示的单电池。
本实施例中，所述的阴极流场板和阳极流场板上均具有连通的一对共用空气通道、一对共用氢气通道和一对共用水通道，并分别形成连接空气流场通道8、氢气流场通道10、冷却水流场通道12的进出口端的空气进/出口6、氢气进/出口5和冷却水进/出口3。空气进/出口6、氢气进/出口5在其分别与空气流场通道8和氢气流场通道10的连接处分别铺有空气侧桥片7和氢气侧桥片9，其中，空气侧桥片7用于支撑MEA对侧氢气场的密封，防止氢气进入阴极流场，反之亦然，氢气侧桥片9类似的也是用于支撑MEA对侧空气场的密封，防止空气进入阳极流场。在阴极流场板中，空气经图1中左侧的空气共用通道形成的空气进/出口6进入流场板中间的空气流场通道8，均匀地分布到扩散层和催化剂，与经内电路透过质子交换膜从阳极传递过来的质子和经外电路传递过来的电子发生电化学反应生成水。产物水与消耗掉部分氧气的空气，携带部分废热从右侧的空气进/出口6排出。同样，氢气则经如图2中左上角的氢气共用通道形成的氢气进/出口5进入氢气流场通道10，参与氢气被氧化的电化学反应后，沿对角方向流动，最后从氢气进/出口55排出。本实施例中，在阳极流场板的背面四个角附近还加工有单电池巡检插槽13。
本实施例中，所述的阴极流场板和阳极流场板分别在其空气侧与氢气侧上设有空气侧密封槽2和氢气侧密封槽11，可用于安装胶线或利用高粘态的密封剂在原位形成密封件，使得形成与密闭的空气反应腔和氢气反应腔。弹性密封件能在电堆要求的组装压力与反应气工作压力下有效密封，并且不能影响MEA组件的受力，以及MEA组件与流场板之间的电接触。
本实施例中，冷却水流体通道采用如图3的不包含密封槽的流场板的形式加工组成，即阴极流场板与阳极流场板采用焊接方式组成，冷却水即在阴极流场板与阳极流场板焊接后形成的冷却水流场通道12中流动。
本实施例中，图1中的阴极流场板与图2中的阳极流场板经激光焊接相联，组成一块便于安装的双极板，如图5所示。将图5按AA剖切后得到如图6所示的剖视图。图7为图6的流场通道部分的局部放大图，其显示了空气、氢气和冷却水的流场通道的流道特征。空气流场通道8的槽宽a与脊背宽b均为1.0mm，比例为1:1，槽深g为0.4mm；氢气流场通道10的槽宽c与脊背宽d分别为1.68mm和1.63mm，比例约为1.03:1，槽深h为0.4mm；冷却水流场通道12的槽宽e与脊背宽f分别为1.2mm和0.20mm，比例约为6:1。
本实施例中，阴极流场板和阳极流场板均进行亲水处理，并使得水在其表面的接触角θ在0°～45°之间。
本实施例采用活性面积达到340cm2的大面积流场板和MEA，组装了15节的小电堆。图8为其极化曲线，测试条件如下：空气/氢气化学计量比为2.5/1.4；空气/氢气进口压强为120kPa/125kPa；空气/氢气的进口湿度均控制在80％RH。由图可见，单电池平均电压在额定点(即0.65V)时的电流密度达到1320mA/cm2，最高功率密度达到1042mW/cm2。表现出良好的性能。
图9为单电池平均电压达到额定点(0.65V)时的15片单电池的电压柱状图。由图可见，单电池一致性良好，标准偏差仅为5.5mV。而且电堆在超过2000mA/cm2的大电流密度下还可以稳定工作。
实施例2
与实施例1不同的是，本实施例中，金属材质的阴极流场板与阳极流场板的组合方式是采用密封胶，而非焊接的。如图4所示，阳极流场板的背面，即水流场一侧，在冷却水流场通道12的四周，增加了可用于安装预成型胶线或利用高粘态的密封剂在原位形成密封件的密封槽。如果安装预成型胶线，电堆组装受压后胶线必须完全被压平，以保证良好的电接触；如果利用高粘态的密封剂在原位形成密封件，则需要在密封剂固化前采用相应的夹具将阴阳极流场板压合，直至密封剂完全固化后才能松开。采用该组合方式的优点是避免焊接过程中的引起的金属板受热鼓胀、变形、扭曲或翘曲。但缺点是不合理的胶线设计、密封剂中的微小气泡，以及使用过程中过大的冷却水压等都可能影响阴阳极板之间的紧密结合度，对电子的传递造成不良影响，从而极大地影响燃料电池的发电效果，尤其是大电流密度时的性能。
其余设计均与实施例一完全一致，此处不再赘述。
本实施例采用活性面积340cm2的流场板和MEA，组装了15节的小电堆。图10为其极化曲线，测试条件如下：空气/氢气化学计量比为2.5/1.4；空气/氢气进口压强为120kPa/125kPa；空气/氢气的进口湿度均控制在80％RH。由图可见，单电池平均电压在额定点(即0.65V)时的电流密度为1000mA/cm2，最高功率密度为926mW/cm2。
图11为单电池平均电压达到额定点(0.65V)时的15片单电池的电压柱状图。由图可见，单电池一致性良好，标准偏差为7.9mV。而且电堆在超过2000mA/cm2的大电流密度下还可以稳定工作。
实施例3
与前两个实施例不同的是，本实施例中，流场板的材质改为采用石墨，其余均与实施例2相同，本实施例采用了密封胶的方式组合阴极流场板与阳极流场板。与金属板相比，石墨板具有优异的抗腐蚀性能，但导电性能要比金属板稍差。
石墨流场板的设计与实施例二完全一致，此处不再赘述。
同样地，本实施例采用活性面积340cm2的流场板和MEA，组装了15节的小电堆。图12为其极化曲线，测试条件如下：空气/氢气化学计量比为2.5/1.4；空气/氢气进口压强为120kPa/125kPa；空气/氢气的进口湿度均控制在80％RH。由图可见，单电池平均电压在额定点(即0.65V)时的电流密度为750mA/cm2，最高功率密度为820mW/cm2，对应的最高电流密度为1600mA/cm2。
图13为单电池平均电压达到额定点(0.65V)时的15片单电池的电压柱状图。由图可见，单电池一致性良好，标准偏差为7.3mV。
实施例4-6
与实施例1有所不同的是，本实施例中，空气进/出口6与空气流场通道8的面积之比分别为8.5％、15％和20％。
实施例7-9
与实施例1有所不同的是，本实施例中，氢气进/出口5与氢气流场通道10的面积比分别为3.5％、6％和8.5％。
实施例10-12
与实施例1有所不同的是，本实施例中，冷却水进/出口3与冷却水流场通道12的面积之比分别为3.2％、5.6％和7.3％。
实施例13-15
与实施例1有所不同的是，本实施例中，阴极流场板上，空气流场通道8的槽深g分别为0.4mm、0.45mm和0.5mm，空气流场通道8的槽宽a与其脊背的宽度b的比值a/b分别为0.8、1和1.2。
实施例16-18
与实施例1有所不同的是，本实施例中，阳极流场板上，氢气流场通道10的槽深h分别为0.3mm、0.35mm和0.4mm，氢气流场通道10的槽宽c与其脊背的宽度d的比值c/d分别为0.8、1和1.2。
实施例19-21
与实施例1有所不同的是，本实施例中，冷却水流场通道12的槽深i分别为0.2mm、0.3mm和0.4mm，冷却水流场通道12的宽度e与其脊背的宽度f的比值e/f分别为3.0、4.5和6.0。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种支持高电流密度放电的燃料电池电堆流场板，其特征在于，包括背面相对连接的阴极流场板和阳极流场板，所述的阴极流场板和阳极流场板的正面分别加工有呈水波纹式的空气流场通道和氢气流场通道，在阴极流场板和阳极流场板的背面之间加工有冷却水流场通道，所述的阴极流场板和阳极流场板上均具有连通的一对共用空气通道、一对共用氢气通道和一对共用水通道，并分别形成连接空气流场通道、氢气流场通道、冷却水流场通道的进出口端的空气进/出口、氢气进/出口和冷却水进/出口。
2.根据权利要求1所述的一种支持高电流密度放电的燃料电池电堆流场板，其特征在于，所述的冷却水流场通道加工在阴极流场板背面或阳极流场板背面。
3.根据权利要求1所述的一种支持高电流密度放电的燃料电池电堆流场板，其特征在于，所述的空气进/出口、氢气进/出口在其分别与空气流场通道和氢气流场通道的连接处均铺有桥片；
所述的阴极流场板和阳极流场板分别在其空气侧与氢气侧上设有空气侧密封槽和氢气侧密封槽，在空气侧密封槽和氢气侧密封槽内分别装有弹性密封件，使得形成与密闭的空气反应腔和氢气反应腔。
4.根据权利要求1所述的一种支持高电流密度放电的燃料电池电堆流场板，其特征在于，空气进/出口与空气流场通道的面积之比介于8.5％～20％之间；
氢气进/出口与氢气流场通道的面积比介于3.5％～8.5％之间；
冷却水进/出口与冷却水流场通道的面积之比必介于3.2％～7.3％之间。
5.根据权利要求1所述的一种支持高电流密度放电的燃料电池电堆流场板，其特征在于，
阴极流场板上，空气流场通道的槽深g满足：0.4≤g≤0.5mm，空气流场通道的槽宽a与其脊背的宽度b的比值满足：0.8≤a/b≤1.2；
阳极流场板上，氢气流场通道的槽深h满足：0.3≤h≤0.4mm，氢气流场通道的槽宽c与其脊背的宽度d的比值满足：0.8≤c/d≤1.2；
冷却水流场通道的槽深i满足：0.2≤i≤0.4mm，冷却水流场通道的宽度e与其脊背的宽度f的比值满足：3.0≤e/f≤6.0。
6.根据权利要求1所述的一种支持高电流密度放电的燃料电池电堆流场板，其特征在于，所述的阴极流场板与阳极流场板上设有位置对应并分别位于其侧边处的外定位凹槽与位于其四角处的内定位孔。
7.根据权利要求1所述的一种支持高电流密度放电的燃料电池电堆流场板，其特征在于，所述的阴极流场板和阳极流场板均进行亲水处理，并使得水在其表面的接触角θ满足：0°≤θ≤45°。
8.根据权利要求1所述的一种支持高电流密度放电的燃料电池电堆流场板，其特征在于，所述的阴极流场板和阳极流场板通过焊接或粘接形成整体。
9.根据权利要求1所述的一种支持高电流密度放电的燃料电池电堆流场板，其特征在于，所述阴极流场板和阳极流场板为金属板、石墨板、石墨/金属复合板或碳/碳复合板。
10.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板，其特征在于，所述的共用空气通道、共用氢气通道和共用水通道在阴极流场板和阳极流场板上均设有两个，其中，所述两个共用空气通道在阴极流场板和阳极流场板上平行的两条短边侧分别设有一个，所述两个共用氢气通道和两个共用水通道均在阴极流场板和阳极流场板上平行的两条长边侧均分别设有一个，并保证两个共用氢气通道和两个共用水通道均呈对角式布置。
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