CN109496373B - 一种燃料电池用复合双极板及其双通道三维流场 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池用复合双极板制备方法及其三维流场设计方案。复合双极板具有三层结构，由中间具有低气体透过率的复合碳板和外侧分别具有多孔结构的膨胀石墨板组成。流场雕刻在外侧多孔膨胀石墨板上，利用外侧膨胀石墨板的多孔结构增加燃料电池气体传输有效面积并提高燃料电池排水效率。雕刻于膨胀石墨板上的三维流场呈“下宽上窄”流道与传统矩形截面流道间隔排列，通过控制“下宽上窄”流道的开闭，达到强制气体在垂直于双极板表面方向产生流动，实现气体的三维传递，从而有效提高燃料电池内部气体传质过程和防止“水淹”现象，提高燃料电池的发电性能和运行稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池用复合双极板及流场设计。
背景技术
当前，环境友好的绿色新能源是国际研究热点。氢能是一种绿色可再生新能源，而质子交换膜燃料电池是一种以氢气为燃料，将氢气中的化学能直接转换为电能的仅排出水的绿色发电装置。该燃料电池技术已经被广泛应用于固定式电站、便携式电源、电动汽车驱动电源等领域。
双极板是质子交换膜燃料电池的关键材料之一，在燃料电池中发挥支撑电极、分隔阴阳极气体、传输气体燃料、传导电子等重要作用。传统双极板设计中，燃料气体在流场槽中传输，并经过膜电极中气体扩散层扩散至催化层表面发生电化学反应而发电；发电过程中催化层表面产生的水分，首先经过膜电极的气体扩散层扩散到电极外表面，通过流场槽中气体的流动排出燃料电池；而流场脊部不能传输气体，仅发挥传导电子的作用。在燃料电池长时间运行过程中，由于产生大量的水分，会造成燃料电池的“水淹”现象，“水淹”现象会阻碍气体的传质过程而严重影响燃料电池的发电过程。从而，目前需要通过改进双极板制备和流场设计，达到进一步增加燃料气体的有效传输面积、增强气体的传质过程、防止燃料电池的“水淹”现象，以及提高燃料电池发电性能和运行稳定性的目的。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种燃料电池用复合双极板，该复合双极板具有特殊的三维流场设计，能够避免燃料电池的“水淹”现象。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种燃料电池用复合双极板，具有三层结构，其特征在于，三层结构由设置在中间的低气体透过率复合碳板和设置在低气体透过率复合碳板两侧的多孔透气膨胀石墨板组成，多孔透气膨胀石墨板上雕刻有三维流场，三维流场由“下宽上窄”流道与传统矩形截面流道间隔排列组成，“下宽上窄”流道保持正常时关闭，需要时打开状态；矩形截面流道保持常开状态。
“下宽上窄”流道中“宽”流道部分截面为矩形，“窄”流道部分截面为等腰梯形。
矩形截面流道和“下宽上窄”流道入口相同，采取单通道；流场出口处采取双通道设计。
低气体透过率复合碳板是指进行了酚醛树脂溶液真空浸渍的多孔膨胀石墨板。
“下宽上窄”流道保持正常时关闭，需要时打开状态是指：闭合状态时达到强制气体在垂直于双极板平面方向产生流动，实现气体的三维传质，并且通过较高压力禁止水分进入，有效避免水淹，如果有水分进入“下宽上窄”流道则通过打开出口排出水分。
本发明还提供了一种燃料电池用复合双极板的制备方法，包括如下步骤：
步骤1）、以多孔膨胀石墨板为基材进行酚醛树脂溶液真空浸渍、清洗和烘干处理得到低气体透过率复合碳板；
步骤2）、将两张尺寸相同的多孔膨胀石墨板置于低气体透过率复合碳板两侧；
步骤3）、将低气体透过率复合碳板和两侧的多孔膨胀石墨板热压固化成型，冷却后得到双极板；
步4）、在双极板的多孔膨胀石墨板上进行三维流场雕刻；雕刻于多孔膨胀石墨板上的三维流场呈“下宽上窄”流道与传统矩形截面流道间隔排列。
“下宽上窄”流道中“宽”流道部分截面为矩形，“窄”流道部分截面为等腰梯形。
矩形截面流道和“下宽上窄”流道入口相同，采取单通道，流场出口处采取双通道设计，矩形截面流道出口采取常开控制，“下宽上窄”流道采取“时开时闭”控制。
步骤1）中的具体工艺为：
1）使用厚度为5mm的多孔膨胀石墨板材为基材，进行酚醛树脂溶液真空浸渍处理，真空浸渍条件是-0.09MPa，5小时；
2）将经过真空浸渍处理的膨胀石墨板取出后，使用乙醇清洗表面残留酚醛树脂溶液；
3）将经过乙醇清洗表面的膨胀石墨板进行烘干处理，烘干程序和条件分别为：40℃下烘干5小时→60℃下烘干5小时→80℃下烘干5小时。
步骤3）中的热压固化成型处理的热压条件为：15MPa、130℃、1小时。
本发明具有的技术效果为：
本发明专利所提供的复合双极板制备方法及其三维流场设计，首先通过三层复合双极板制备使得流道槽部分和脊部分的材料不同，槽部分为低气体透过率复合石墨板材，确保低气体透过率；脊部分为多孔膨胀石墨板材，使得反应气体和产生的水分亦可通过该板材的多孔结构进行传输，从而有效提高气体传输有效面积和提高水分排出效率；其次，通过“下宽上窄”与传统矩形截面流道的间隔排列流场设计，迫使反应气体获得垂直于复合双极板平面的流动方向，实现反应气体的三维流动，提高气体传质过程，并通过迫使水分通过传统矩形截面排出而不影响“下宽上窄”流道中气体的传输，实现气体和水分的分通道传输，有效降低燃料电池在长时运行过程中发生“水淹”现象的概率。
本发明通过改进复合双极板制备方法和三维流场设计，达到进一步增加燃料气体的有效传输面积、增强气体的传质过程、防止燃料电池的“水淹”现象，以及提高燃料电池发电性能和运行稳定性的目的。
附图说明
下面结合附图对本实用新型进一步说明：
图1为本发明所述燃料电池用复合双极板的剖面结构示意图；
图2为流场入口处“单通道”流场结构示意图；
图3为流场出口处“双通道”流场结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步的描述。
实施例1
如图1所示，一种燃料电池用复合双极板，该复合双极板具有三层结构，中间层1由低气体透过率复合碳板构成，在后续流场雕刻过程中不被雕刻损耗，作为流场槽部分，发挥分隔阴阳极反应气体等作用；中间层1的两侧由具有多孔结构的膨胀石墨板2组成，经后续流场雕刻后构成复合双极板的脊部分，使得反应气体和发电过程中产生的水可在其多孔结构中传输，发挥增大反应气体传输有效面积、提高燃料电池排水效率等作用。雕刻于膨胀石墨板2上的三维流场是呈“下宽上窄”结构流道3与传统矩形截面流道4间隔排列的流场。
流场出口处采取“双通道”控制，“下宽上窄”结构流道3出口处采取“时开时闭”控制，而传统矩形截面流道4采取常开控制。在“下宽上窄”结构流道的“时开时闭”控制策略中，当流道处于“闭”状态时，一方面，可提高流道内部压力，迫使反应气体在垂直双极板平面方向流动，从而实现反应气体的三维流动；另一方面，较高气体压力和流道的梯形结构可迫使产生的水向相邻的传统矩形截面流道扩散或流动，这样可以保证本流道内部高效的气体传输而不会因为水分的进入影响气体传输效率；“开”状态是应急备用阀门，当燃料电池长时间运行过程中发生水分进入“下宽上窄”结构流道中的特殊情况时，可将流道调整到“开”状态，通过气体吹扫排出水分，然后再次调整到“闭”状态长时运行。
该复合双极板采用如下方法制备：
步骤1. 使用厚度为5mm的多孔膨胀石墨板材为基材，进行酚醛树脂溶液真空浸渍处理，真空浸渍条件是-0.09MPa，5小时；
步骤2. 将步骤1中经过真空浸渍处理的膨胀石墨板取出后，使用乙醇清洗表面残留酚醛树脂溶液；
步骤3. 将步骤2中经过乙醇清洗表面的膨胀石墨板进行烘干处理，烘干程序和条件分别为：40℃下烘干5小时→60℃下烘干5小时→80℃下烘干5小时；
步骤4. 将2张尺寸相同且未经过步骤1~步骤3处理的多孔膨胀石墨板材置于步骤3烘干后的板材两侧；
步骤5. 将步骤4中叠放的三张板材进行热压固化成型处理，热压条件为：15MPa、130℃、1小时；
步骤6. 将步骤5中经热压处理的复合板材进行降温后待用；
步骤7. 将步骤6中得到的复合双极板作为基材进行流场雕刻，流场雕刻具体特征是：
①流场雕刻在两边外侧未经酚醛树脂溶液真空浸渍处理的多孔膨胀石墨板上，经过酚醛树脂浸渍的膨胀石墨板不被雕刻，从而保持在垂直复合双极板平面方向的低气体透过率，平行于复合双极板平面方向则通过密封圈保持气体不泄露；
②雕刻于膨胀石墨板上的三维流场呈“下宽上窄”流道与传统矩形截面流道间隔排列，如图1；
③矩形截面流道槽宽度1.7mm，流道脊宽度1.5mm，流道槽深0.8mm；
④“下宽上窄”流道，“宽”流道部分截面为矩形，流道槽宽度1.7mm，流道槽深0.5mm，“窄”流道部分截面为等腰梯形，底边分别为0.4mm和0.8mm，流道槽深0.3mm；
⑤矩形截面流道和“下宽上窄”流道入口相同，采取单通道，如图2；
⑥流场出口处采取双通道设计，如图3，矩形截面流道出口采取常开控制，“下宽上窄”流道采取“时开时闭”控制，处于闭合状态时达到强制气体在垂直于双极板平面方向产生流动，实现气体的三维传质，并且通过较高压力禁止水分进入，有效避免水淹，打开状态是应急通道，如果有水分进入“下宽上窄”流道则通过打开出口排出水分。
上述具体实施方式中的浸渍树脂类型和参数均是可变的，所列数据是较为优化的数值。
综上所述，本发明通过提供一种燃料电池用复合双极板制备方法及其三维流场设计方案，可有效增大燃料电池气体传输的有效面积、提高燃料电池的排水效率、防止燃料电池长时运行过程中“水淹”现象的发生，从而提高燃料电池的发电性能和长时运行稳定性。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种燃料电池用复合双极板，具有三层结构，其特征在于，三层结构由设置在中间的低气体透过率复合碳板和设置在低气体透过率复合碳板两侧的多孔透气膨胀石墨板组成，多孔透气膨胀石墨板上雕刻有三维流场，三维流场由“下宽上窄”流道与传统矩形截面流道间隔排列组成，“下宽上窄”流道保持正常时关闭，需要时打开状态；矩形截面流道保持常开状态；“下宽上窄”流道中“宽”流道部分截面为矩形，“窄”流道部分截面为等腰梯形；
矩形截面流道和“下宽上窄”流道入口相同，采取单通道；流场出口处采取双通道设计；
“下宽上窄”流道保持正常时关闭，需要时打开状态是指：闭合状态时达到强制气体在垂直于双极板平面方向产生流动，实现气体的三维传质，并且通过较高压力禁止水分进入，有效避免水淹，如果有水分进入“下宽上窄”流道则通过打开出口排出水分。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池用复合双极板，其特征在于，低气体透过率复合碳板是指进行了酚醛树脂溶液真空浸渍的多孔膨胀石墨板。
3.一种权利要求1所述燃料电池用复合双极板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1）、以多孔膨胀石墨板为基材进行酚醛树脂溶液真空浸渍、清洗和烘干处理得到低气体透过率复合碳板；
步骤2）、将两张尺寸相同的多孔膨胀石墨板置于低气体透过率复合碳板两侧；
步骤3）、将低气体透过率复合碳板和两侧的多孔膨胀石墨板热压固化成型，冷却后得到双极板；
步4）、在双极板的多孔膨胀石墨板上进行三维流场雕刻；雕刻于多孔膨胀石墨板上的三维流场呈“下宽上窄”流道与传统矩形截面流道间隔排列；“下宽上窄”流道中“宽”流道部分截面为矩形，“窄”流道部分截面为等腰梯形。
4.如权利要求3所述的一种燃料电池用复合双极板的制备方法，其特征在于，矩形截面流道和“下宽上窄”流道入口相同，采取单通道，流场出口处采取双通道设计，矩形截面流道出口采取常开控制，“下宽上窄”流道采取“时开时闭”控制。
5.如权利要求3所述的一种燃料电池用复合双极板的制备方法，其特征在于, 步骤1）中的具体工艺为：
1）使用厚度为5mm的多孔膨胀石墨板为基材，进行酚醛树脂溶液真空浸渍处理，真空浸渍条件是-0.09MPa，5小时；
2）将经过真空浸渍处理的多孔膨胀石墨板取出后，使用乙醇清洗表面残留酚醛树脂溶液；
3）将经过乙醇清洗表面的多孔膨胀石墨板进行烘干处理，烘干程序和条件分别为：40℃下烘干5小时→60℃下烘干5小时→80℃下烘干5小时。
6.如权利要求3所述的一种燃料电池用复合双极板的制备方法，其特征在于,步骤3）中的热压固化成型处理的热压条件为：15MPa、130℃、1小时。
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