CN109904480A

CN109904480A - 一种带有新型流场结构的双极板

Info

Publication number: CN109904480A
Application number: CN201711284139.3A
Authority: CN
Inventors: 邵志刚; 侯明; 何良; 王志强; 瞿丽娟; 姜永燚; 衣宝廉
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2017-12-07
Filing date: 2017-12-07
Publication date: 2019-06-18

Abstract

本发明涉及一种带有新型流场结构的双极板。具体地说，是一种带有倾斜斜面的三维结构，利用斜面增加电池内气体向MEA的扩散，促进传质，同时，有利于MEA中的生成水的排出，以增加电池在高电流密度下的性能。这种流场在质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池领域具有巨大的应用潜力。

Description

一种带有新型流场结构的双极板

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种带有新型流场结构的双极板。

背景技术

随着化石能源的日益枯竭以及环境问题日趋严重，人们对于新能源的追求越来越强烈。作为一种清洁的能源转换设备，质子交换膜燃料电池具有环境友好(产物仅为水)、能量转换效率高、功率密度大、结构简单、工作温度低以及能够低温快速启动等优点，成为近几年的研究热点，特别是在交通、便携式电源以及固定电站等方面表现出良好的前景，国内的燃料电池行业也处于商业化前夕。但是，燃料电池想要商业化，也面临着成本高，稳定性差，耐久性差等限制。流场作为质子交换膜燃料电池的重要组成部分，在电池内担负着反应气体的分布，产物水的排出以及构成完整回路等重要任务，一种好的流场能够极大地提高电池的工作电压，对于促进电池商业化有着极其重要的意义。

质子交换膜燃料电池中常见的流场有平行沟槽流场、蛇形流场(单通道，多通道等)、点状流场、交趾状流场以及这几种常见流场的变形、组合等。这些流场也有各自的利弊，例如平行沟槽流场压降低，理想情况下能够做到均匀布气等，而且加工简单，但是气体在其中湍动程度差，流道被堵可能性大，造成电池的死区，严重影响电池性能；交趾状流场能够强迫气体经过GDL，促进气体的传质，同时能够有效的排出GDL内的水分，但是一方面，交趾状流场的压降比较大，另一方面，长期使用有可能对MEA有损害；蛇形流场能够增加气体的流速，促进传质，同时压降介于平行沟槽流场以及交趾状流场之间，这些性质使得其大规模应用于目前的燃料电池中。但是，在这些传统的流场中，气体都接近与层流，电池内部的有效传质均依靠浓差扩散以及分子扩散，催化层内产生的水也主要依赖这两种作用排出电池。然而，在高电流密度下，一方面，电池对于气体的需求量增加，单纯的浓差扩散以及分子扩散已经不能满足电池对于大气量的需求；另一方面，催化层内产生的水不能及时的排出电池，阻碍了气体向催化层的扩散，进一步恶化了气体的传质，最终导致电池性能急剧下降。因此，目前的流场设计都朝着三维结构发展。

三维流场是相对于上述传统流场设计的。相比于传统流场，三维流场增加了流道内气体的扰动，促进电池内部的传质。丰田专利CN102782918B公开了一种新型的三维流场结构，相比于传统流场，这种流场中，流道与GDL的接触改为点接触，避免了脊下积水造成电池水淹；同时，流场设置倾斜分量，气体冲向倾斜面时，会有朝向MEA的速度分量，促进向MEA的气体传质，同时这种分量还能够带出MEA中的水分，进一步促进传质；丰田的三维流场还设计了两种流道，其中一个流道主要是气流道，另外一个流道内亲水性较强，使得水更倾向于在该流道内流动，这种设计进一步增加了电池的排水能力，促进电池在高电密下工作。但是丰田的三维细网格流场结构复杂，加工困难，需要特制模具，而这些模具对精度要求十分苛刻，加工困难。此外，丰田细网格流场为了降低金属的腐蚀，采用的是钛或钛合金，而这增加了电池的成本。

本发明中，设计了一种新型的三维流场结构。不同于丰田使用钛或钛合金，不仅材料贵而且加工困难，本专利中的流场直接机械加工在经过处理的石墨板上，不仅成本相对更低，可加工性大大增强，能够在不增加电池成本的同时，增加电池的性能。

发明内容

本发明目的在于设计一种带有新型流场结构的双极板，促进电池内部的传质以及产物水的排出，使得电池能够在高电流密度下工作。

本发明包含以下内容：

1)流场机械加工在气密性良好的石墨板上；

2)石墨板的一面加工有气体流场，另外一面加工有水流场；

3)气体流场采用Z型结构，进、出气口采用多通道形式，并且设置有垫板；

4)流场主体采用类似于点状结构的设计，每个点上，加工有倾斜结构；

5)石墨板的周围加工有胶线槽。

在2)中，石墨板的一面加工有流场，这种流场基于传统的平行沟槽流场，引入倾斜的结构，以促进电池内部的传质，同时这种倾斜结构，被期望能够促进电池内部的传质；另外一面加工有冷却水流道，用于冷却水的流通。

在3)中，流场采用Z型结构，进出气口在石墨板的两侧，采用多通道进气，同时在进出气口设置垫片，以防止MEA被压坏。

在4)中，流场主体采用类似于点状流场的设计，这种点状流场前后交错，以增加气体的湍动程度，促进电池内部的传质。

在4)中，每个点上加工有清下结构，这种倾斜结构能够进一步增加气体的湍动，促进电池内部的传质，同时，促进电池内部产物水的排出。

在4)中，倾斜结构的倾斜面长度为0.5mm到2mm不等。

在5)中，石墨板的周围加工有胶线槽，以用于电池的密封。

得到的新型三维流场应用于质子交换膜燃料电池。

本发明提供的新型流场具有传质效果好，排水能力强等优点，能够显著的提高电池的性能。同时，本发明中的流场加工简单，不需要复杂的模具设计，利用传统的机械加工就可以实现。

本发明是一种带有倾斜斜面的三维结构，利用斜面增加电池内气体向MEA的扩散，促进传质，同时，有利于MEA中的生成水的排出，以增加电池在高电流密度下的性能。这种流场在质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池领域具有巨大的应用潜力。

附图说明

图1表示本发明的实施方式中石墨板轴测图。

图2表示本发明的实施方式中流场正视图以及局部放大图。

图3表示本发明的实施方式中倾斜面的作用机理图。

图4表示本发明的实施方式中流场的排水机理图。

图5表示本发明的实施方式中冷却水流道的示意图。

图6所示是倾斜斜面为0.5mm以及2mm时电池的极化曲线与传统平行沟槽流场极化曲线的对比。

具体实施方式

图1为本发明实施例一轴测图。在石墨板1上，气体由进气口4进入电池，经由流道主体5，再从出气口6排出。石墨板周围有密封槽3，周围有定位孔2.

图2是本发明实施例一的正视图以及局部放大图。由图2可以看到，流道的主体区域大致呈点状分布，并且前后交错，形成错流，增加气体传质。由图2局部放大图B可以看出，进气口为多通道进气口，本实施例中为13通道进气口。多通道进气口可以有效的缓解入口膜干问题。

同时，从图2B还可以看出，进出气口设置有垫片槽，这种垫片槽能够有效的防止MEA被压坏。本实施例中，垫片槽深度为0.1mm。11为垫片槽，12为入气口或出气口与流场主体区域间的横梁。

图2A为流场主体区域的放大图。从该图可以看出，主体区域由交错设置的凸起构成，每个凸起上包括与MEA接触的平台结构8以及倾斜结构7。其中，平台结构8改变传统的宽厚脊接触为点接触，能够缓解宽厚脊下积水造成的电池性能的下降，提高电池性能。倾斜结构7的设置，使得气体有面向MEA的速度分量，增加了气体传质，同时这一分量还能够带出电池内的水分，进一步提高电池的性能。

倾斜结构7可以设置不同的坡度，而坡度的不同对于电池性能也有一定的影响。可能是因为倾斜角度不同，使得气体朝向MEA的速度分量也不一样，因此对电池性能影响也不一样。

图3是倾斜斜面的机理图。从图中可以看到，当流道中的气体撞向倾斜斜面时，会产生朝向MEA的速度分量，这种分量能够促进气体传质，使得催化层表面更容易获得足够的反应气体，同时这种分量还可以带出电池内部的水分，进一步强化传质，提升电池的性能。

图4是电池内部的排水机理图。从图可以看出，当气体自流道撞向倾斜斜面时，产生的朝向MEA的速度分量，会冲出MEA内部的水分，使得水分沿斜面的两侧流动，脱离MEA，因而增加电池的性能。

图5是背面水流场的正视图，包括水流道10以及周围的密封槽9.冷却水流道不设置进出口，因为进出口设置在靠近该平面的端板上。

如图6所示是倾斜斜面为0.5mm以及2mm时电池的极化曲线与传统平行沟槽流场极化曲线的对比。测试条件为65℃，阴阳极0.5atm(表压)，阳极100％增湿，阴极33％增湿；阳极计量比为2，阴极计量比为3；电池面积50cm²。测试时选取2A/点，每个点测1min。

从图中可以看出，本专利中的流场能够显著提高电池的性能。与传统的平行沟槽流场相比，1000电密下，能够提高电池电压0.08V。

Claims

1.一种带有新型流场结构的双极板，其中双极板的一侧表面设有气体流场，另一侧表面设有水流场，其特征在于，

气体流场的主流场区域由间隔设置的条形板构成，以条形板为脊，相邻条形板之间的区域为槽；条形板以气流方向为长度方向，以垂直气流方向主宽度方向；

从进气端到出气端，沿气流方向条形板分成相互依次间隔设置的奇数列和偶数列；奇数列和偶数列分别是由沿条形板宽度方向顺序交替平行、间隔构成；

沿气流方向相邻的奇数列中的条形板和偶数列中的条形板交错设置，即沿气流方向奇数列中相邻条形板之间形成的槽与偶数列中的条形板依次交替。

2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于：沿气流方向，条形板依次由倾斜结构(7)和平台结构(8)二部分构成。

3.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于：条形板宽度为0.5mm～1.5mm；

倾斜结构长度为0.5mm～2mm，平台结构长度为1mm～3mm。

4.根据权利要求1或2所述的双极板，其特征在于：气体流场深度范围为0.4mm～1mm，流道(槽)宽度为0.8mm～1.5mm。

5.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于：气体流场采用Z型结构，主流场区域的二端分别为与进气口、出气口相连通的平行流场，平行流场中的流道与流场区域的流道(槽)依次相连通。

6.根据权利要求5所述的双极板，其特征在于：于靠近进气口、出气口的平行流场处设有垫片槽，垫片槽深度为0.1mm～0.3mm，宽度为0.2mm～0.4mm。

7.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于：双极板的气体流场四周加工有胶线槽，胶线槽深度为0.4mm，宽度为3mm。

8.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于：水流场深度为0.8mm～1mm。