CN109461949B - 一种用于燃料电池的阴极流场板及其加工方法 - Google Patents

一种用于燃料电池的阴极流场板及其加工方法 Download PDF

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Abstract

一种用于燃料电池的阴极流场板及其加工方法，阴极流场板包括：流场板本体；流场板本体上设有矩形凹面框；矩形凹面框内具有至少四条流道沟槽；所述矩形凹面框内至少有两条流道沟槽同矩形凹面框成一定锐角夹角，并同时至少有两条流道沟槽与上述沟槽成相反角度；所述矩形凹面框内的流道沟槽间的部分为导电板；所述导电板上设有矩阵分布的菱形点块立体结构；所述加工方法包括：在流场板本体上加工出一个矩形凹面框；在所述矩形凹面框内加工出菱形点块，最终形成菱形点块立体结构的阴极流场板。本发明提供的阴极流场板，提供足够的自呼吸气体交换通道，使得氧气供给更加均匀，防止水滴阻塞所述流场板通孔，有效地增加开孔率，降低膜电极死区面积。

Description

一种用于燃料电池的阴极流场板及其加工方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种用于燃料电池的阴极流场板及其加工方法。
背景技术
在燃料电池中，阴极氧气供给对电池性能具有关键性的影响。自呼吸式燃料电池阴极结构需要暴露在空气环境中，供给的氧气依赖扩散和对流作用，需要穿越阴极流场板、扩散层和微孔层到达阴极催化层，才能完成催化反应。燃料电池的阴极流场板具有传导电子、传输氧气和支撑膜电极的作用。
目前采用的电池主要采用孔洞集电板和平行集电板，但设计过程中发现：对于燃料电池阴极来说，更高的阴极流场板开孔率会减少阴极膜电极上的死区，提高催化剂的利用率，能够有效改善电池性能，而受到设计加工方法和材料的限制，目前孔洞流场板和平行流场板很难达到60％以上的开孔率。
传统点状流场板开孔率较高，但是缺乏适用于自呼吸式燃料电池的气体通道。如果采用完全敞开结构，燃料电池的膜电极又缺乏有效机械支撑和电流收集，电池性能也较差。此外，在燃料电池反应过程中，阴极电化学反应会逐渐生成过量的水堵塞孔洞，抑制氧气传递，降低电池性能，威胁到电池长时间运行的稳定性。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种用于燃料电池的阴极流场板及其加工方法。
本发明提供的技术方案是：一种用于燃料电池的阴极流场板，包括：流场板本体；
所述流场板本体上设有矩形凹面框；
所述矩形凹面框内具有至少两条贯通所述流场板本体的流道沟槽；
所述矩形凹面框内的流道沟槽间的部分为导电板；
所述导电板上设有矩阵分布的菱形点块立体结构。
优选的，所述导电板的数目至少为1；
当所述导电板的数目为多个时，多个所述导电板平行设置。
优选的，所述菱形点块为多个，呈矩阵型均匀分布于每个所述导电板上。
优选的，所述导电板与所述矩形凹面框的锐角夹角范围为：45°～75°。
优选的，所述阴极流场板的表面进行镀金和镀氮化钛处理；
所述阴极流场板的材质为金属板，所述阴极流场板的厚度范围为：2mm～10mm。
优选的，所述导电板的宽度范围为：0.5mm～2mm；
所述流道沟槽的宽度范围为：0.5mm～2mm；
所述流道沟槽和所述导电板宽度的比例范围为：1:2～2:1；
所述菱形点块的高度范围为：1mm～5mm。
基于同一发明目的，本法明还提供一种用于燃料电池的阴极流场板的加工方法，包括：
在流场板本体上加工出一个矩形凹面框；
在所述矩形凹面框内加工出菱形点块，最终形成菱形点块立体结构的阴极流场板。
优选的，所述在所述矩形凹面框内加工出菱形点块，最终形成菱形点块立体结构的阴极流场板，包括：
在所述矩形凹面框内加工出同所述矩型凹面框呈一定角度，且贯通所述流场板本体的正向沟槽。
优选的，所述在所述矩形凹面框内加工出菱形点块，最终形成菱形点块立体结构的阴极流场板，还包括：
在所述矩形凹面框内再加工出与所述正向沟槽呈相反角度且不贯通所述流场板本体的反向沟槽；
两种呈相反角度的沟槽在所述矩形凹面框内形成菱形点块。
优选的，所述在所述矩形凹面框内加工出菱形点块，包括：
根据液滴在所述菱形点块上生成的大小，调整所述正向沟槽的宽度和所述菱形点块的高度、边长及间距。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种用于燃料电池的阴极流场板，包括：流场板本体；所述流场板本体上设有矩形凹面框；所述矩形凹面框内具有至少两条贯通所述流场板本体的流道沟槽；所述矩形凹面框内的流道沟槽间的部分为导电板；所述导电板上设有矩阵分布的菱形点块立体结构；本发明提供的阴极流场板，提供足够的自呼吸气体交换通道，使得氧气供给更加均匀，防止水滴阻塞所述流场板通孔，有效地增加开孔率，降低膜电极死区面积。
(2)本发明提供的技术方案，采用导电板支撑菱形点块立体结构，保证性能稳定，对比传统的点状流场板，本发明发的流场板能提供足够的自呼吸气体交换通道；对比平行流场板，矩阵分布使得氧气供给更加均匀。
(3)本发明提供的技术方案，采用菱形点块立体结构，在堆体竖直摆放时，采用菱形点块的斜面结构会有效地疏导生成的水滴，使其以淌滴的形式排出流场，不会阻塞孔洞。
(4)本发明提供的技术方案，采用金属板作为阴极流场板材料，在其表面镀金和镀氮化钛处理，以防止流场板受到腐蚀。
(5)本发明提供的技术方案，采用的流道沟槽，可以提高开孔率，高的开孔率可以改善膜电极阴极气体传输能力，可以根据极板材料和膜电极的特点优化选择合适的流道沟槽和导电板宽度。
(6)本发明提供的技术方案，矩形凹面框和导电板所成角度可以使得菱型点变得更加细长，增加菱型斜面陡峭度，进而提高双极板的排水能力，可以根据阴极板材料和膜电极的特点优化选择合适的矩形凹面框和导电板的角度。
附图说明
图1为本发明的阴极流场板结构示意图；
图2为图1的西北轴侧视图；
图3为本发明的阴极流场板加工步骤1示意图，其中(a)为阴极流场板加工正视图，(b)为阴极流场板加工西北轴侧视图；
图4为本发明的阴极流场板加工步骤2示意图，其中(a)为阴极流场板加工正视图，(b)为阴极流场板加工西北轴侧视图；
图5为本发明的阴极流场板加工步骤3示意图，其中(a)为阴极流场板加工正视图，(b)为阴极流场板加工西北轴侧视图；
其中，1-流场板本体；2-流道沟槽；3-导电板；4-菱形点块；5-矩形凹面框。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。
如图1至图5所示，本实施例提供的一种用于燃料电池的阴极流场板，包括：流场板本体；
所述流场板本体1上设有矩形凹面框5；
所述矩形凹面框5内具有至少两条贯通所述流场板本体1的流道沟槽2；
所述矩形凹面框5内的流道沟槽2间的部分为导电板3；
所述导电板3上设有矩阵分布的菱形点块4立体结构。
优选的，所述导电板3的数目至少为1；
当所述导电板3的数目为多个时，多个所述导电板3平行设置。
优选的，所述菱形点块4为多个，呈矩阵型均匀分布于每个所述导电板3上。
优选的，所述导电板3与所述矩形凹面框5的锐角夹角范围为：45°～75°。
优选的，所述阴极流场板的表面进行镀金和镀氮化钛处理；
所述阴极流场板的材质为金属板，所述阴极流场板的厚度范围为：2mm～10mm。
优选的，所述导电板3的宽度范围为：0.5mm～2mm；
所述流道沟槽2的宽度范围为：0.5mm～2mm；
所述流道沟槽2和所述导电板3宽度的比例范围为：1:2～2:1；
所述菱形点块4的高度范围为：1mm～5mm。
基于同一发明构思，本实施例还提供一种用于燃料电池的阴极流场板的加工方法，包括：
在流场板本体1上加工出一个矩形凹面框5；
在所述矩形凹面框5内加工出菱形点块4，最终形成菱形点块立体结构的阴极流场板。
优选的，所述在所述矩形凹面框内加工出菱形点块，最终形成菱形点块立体结构的阴极流场板，包括：
在所述矩形凹面框内加工出同所述矩型凹面框呈一定角度，且贯通所述流场板本体的正向沟槽。
优选的，所述在所述矩形凹面框内加工出菱形点块，最终形成菱形点块立体结构的阴极流场板，还包括：
在所述矩形凹面框内再加工出与所述正向沟槽呈相反角度且不贯通所述流场板本体的反向沟槽；
两种呈相反角度的沟槽在所述矩形凹面框内形成菱形点块。
优选的，所述在所述矩形凹面框内加工出菱形点块，包括：
根据液滴在所述菱形点块上生成的大小，调整所述正向沟槽的宽度和所述菱形点块的高度、边长及间距。
正向沟槽为流道沟槽，反向沟槽为菱形点块之间形成的沟槽。
具体讲，
如图3至图5所示，本实施加工的直接甲醇燃料电池阴极流场板分为三个过程：
首先在阴极未加工的流场板本体1上加工出一个矩形凹面框5，加工方法可以采用铣削加工，矩形凹面框5内部确定为后续流场的加工区域；
其次，在矩形凹面框5加工出不少于二条和矩形凹面框的底边成一定角度的贯通的沟槽，沟槽和导电板3交替排列，加工沟槽的方法可以采用线切割加工；
最后，在上述加工的流场板本体1上，再加工出不少于二条与上一轮加工与矩形凹面框的底边呈相反角度排列的沟槽，这次加工的沟槽并不贯通，加工方法可以采用铣削加工，并在出现的铣削加工死角处采用不同直径的钻头进行沟槽修饰。最后加工出立体结构的菱形点状流场，这种立体结构的菱形点状流场可以使得生成的液滴沿菱形斜面滴流下，及时排出，不会在流道发生聚集。
所述流道沟槽和所述导电板宽度的比例范围为：1:2～2:1，开孔率可以由72.5％变化到83.7％。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种用于燃料电池的阴极流场板，所述阴极流场板包括：流场板本体；
所述流场板本体上设有矩形凹面框；
所述矩形凹面框内具有至少两条贯通所述流场板本体的流道沟槽；
所述矩形凹面框内的流道沟槽间的部分为导电板；
所述导电板上设有矩阵分布的菱形点块立体结构；
所述阴极流场板的表面进行镀金和镀氮化钛处理；
所述阴极流场板的材质为金属板，所述阴极流场板的厚度范围为：2mm～10mm；
所述导电板的宽度范围为：0.5mm～2mm；
所述流道沟槽的宽度范围为：0.5mm～2mm；
所述流道沟槽和所述导电板宽度的比例范围为：1:2～2:1；
所述菱形点块的高度范围为：1mm～5mm；
其特征在于，
所述燃料电池的阴极流场板的加工方法包括：
在流场板本体上加工出一个矩形凹面框；
在所述矩形凹面框内加工出菱形点块，最终形成菱形点块立体结构的阴极流场板；
所述在所述矩形凹面框内加工出菱形点块，最终形成菱形点块立体结构的阴极流场板，包括：
在所述矩形凹面框内加工出同所述矩形 凹面框呈一定角度，且贯通所述流场板本体的正向沟槽；
所述在所述矩形凹面框内加工出菱形点块，最终形成菱形点块立体结构的阴极流场板，还包括：
在所述矩形凹面框内再加工出与所述正向沟槽呈相反角度且不贯通所述流场板本体的反向沟槽；
两种呈相反角度的沟槽在所述矩形凹面框内形成菱形点块。
2.如权利要求1所述的阴极流场板，其特征在于，
所述导电板的数目至少为1；
当所述导电板的数目为多个时，多个所述导电板平行设置。
3.如权利要求1所述的阴极流场板，其特征在于，
所述菱形点块为多个，呈矩阵型均匀分布于每个所述导电板上。
4.如权利要求1所述的阴极流场板，其特征在于，
所述导电板与所述矩形凹面框的锐角夹角范围为：45°～75°。
5.如权利要求1所述的阴极流场板，其特征在于，
所述在所述矩形凹面框内加工出菱形点块，包括：
根据液滴在所述菱形点块上生成的大小，调整所述正向沟槽的宽度和所述菱形点块的高度、边长及间距。
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