CN114039064A - 一种具有变截面流场通道的质子交换膜燃料电池双极板 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有变截面流场通道的质子交换膜燃料电池双极板，包括双极板本体，双极板本体上沿反应气体流动方向设置有多条平行分布的流场通道，各流场通道均由多段连续间隔分布且相互连通的A段和B段组成，A段截面面积沿反应气体流动方向连续变小，B段截面面积沿反应气体流动方向连续变大，A段和B段长度相同，相邻两个流场通道之间A段和B段的位置相互对应，A段和B段在连接部位截面形状相同。A段和B段的截面变化可以是槽宽的变化，也可以是槽深的变化。当反应气体流经时，相邻通道的A段和B段之间形成压差，反应气体可以跨通道流通，可有效增加膜电极反应效率，同时可以带走流场脊下区域较难排走的生成水，降低电池水淹风险。

Description

一种具有变截面流场通道的质子交换膜燃料电池双极板

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种具有变截面流场通道的质子交换膜燃料电池双极板。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种通过氢气和氧气电化学反应而发电的装置，反应产物为水，是应用前景广阔、潜力巨大的清洁能源。质子交换膜燃料电池的核心是MEA组件及双极板，MEA组件是将两张喷涂有Nafion溶液及Pt催化剂碳纤维纸电极置于经预处理的质子交换膜两侧，使催化剂靠近质子交换膜，在一定温度和压力下模压制成，双极板用于为氢气和氧气提供气体分配槽道，隔绝燃料与氧化剂，导电及传导电化学反应热，并为MEA组件提供支撑结构。在燃料电池工作工程中，阳极反应物通过流场流道进气口进入流场活化反应区，再经扩散层到达催化剂层，经催化后变为离子通过质子交换膜，在阴极流场活化反应区与阴极反应物反应，从而形成电流。双极板是质子交换膜燃料电池中起到支撑固定膜电极组件、分隔燃料气体(氢气)和氧化气体(氧气或空气)、让反应气在质子交换膜两侧均匀分布并高效反应、收集传导电流等作用的重要部件，燃料电池双极板及流场的设计将直接影响燃料电池阳极、阴极反应物的流体分布及水管理，从而影响燃料电池效率。现有的双极板设计最常见的流场通道形式包括平行通道流场、多通道蛇形流场和交指型流场，其中平行流场和蛇形流场，因其结构形式原因，反应气体介质难以渗透至流场通道间的脊部所对应区域，导致该区域扩散层内气体浓度较小，膜上电化学反应效率较低，从而导致膜上的反应不均匀，同时在流场通道脊下的积水不易排出，容易造成水淹和通道阻塞，影响反应效率，降低设备寿命；交指型流场是一种流道间断的流场，间断的流道会迫使流体强制对流进入扩散层，带动了扩散层空隙内液态水的流动与排出，在一定程度上解决了前述存在的问题，但是交指型流场会增大进出口的压降，这是因为断续的流道结构本身存在的阻力较大，较高流速的反应流体易对扩散层造成较大的冲击，导致局部过热，损坏扩散层，同时过大的压降会增加能耗，降低电池的工作效率。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种流场通道截面连续变化的质子交换膜燃料电池双极板。为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案如下：

一种具有截面变流场通道的质子交换膜燃料电池双极板，包括双极板本体，双极板本体上沿反应气体流动方向设置有多条平行分布的流场通道，各流场通道均由多段连续间隔分布且相互连通的A段和B段组成，A段的截面面积沿反应气体流动方向连续变小，B段的截面面积沿反应气体流动方向连续变大，A段和B段的长度相同，相邻的两个流场通道之间A段和B段的位置相对应，A段和B段的连接部位截面形状相同。

优选的，A段的槽宽沿反应气体流动方向连续变小，B段的槽宽沿反应气体流动方向连续变大。

进一步的，流场通道的槽宽呈折线型变化。

进一步的，流场通道的槽宽呈蜿蜒曲线型变化。

优选的，A段的槽深沿反应气体流动方向连续变小，B段的槽深沿反应气体流动方向连续变大。

优选的，A段的槽宽和槽深均沿反应气体流动方向连续变小，B段的槽宽和槽深均沿反应气体流动方向连续变大。

该发明所提供的双极板适用于石墨双极板、金属双极板、复合双极板等，单条流场通道结构为周期性变化，两相邻通道的A段和B段为交错、对应分布，当反应气体流经流场通道内A段时，由于截面面积连续变小，反应气体被持续压缩，反应气体压力变大，而相邻通道对应为B段，截面面积连续变大，反应气体膨胀，压力变小。故而在相邻通道对应段间形成压差，反应气体一部分会沿通道流动，另一部分会通过气体扩散层区域，由A段进入相邻区域B段，在此过程中会带走流场脊下较难排除的生成水，且将反应气体送至难以到达的流场脊所对CCM膜电极区域进行电化学反应，使此区域CCM膜电极得到有效利用，膜上反应更均匀。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.通过变截面通道的结构设计，使得相邻通道之间形成压差，使得反应气体能够跨通道流通，从而增大流场脊部所对应膜电极区域的反应气体浓度，使得膜上利用区域增加，电化学反应更均匀、稳定；并且同时带走流场脊下所对区域较难排走的水，改善了水管理系统，降低电池水淹风险，减少故障率，延长了设备使用寿命。

2.相较于平行流场和蛇形流场结构能够提供足够的压降迅速排出燃料电池生成的水，在提供足够压降的同时相较于交指型流场具有较小的压降，能够降低燃料电池系统的辅耗，提高输出功率。

附图说明

图1：本发明的整体结构示意图。

图2：本发明的横向截面示意图。

图3：本发明中流场通道的局部立体结构示意图。

图4：本发明中一种槽深变化的流场通道纵向截面示意图。

图5：本发明中一种槽宽呈折线型变化的流场结构示意图。

图6：本发明中一种槽宽呈蜿蜒曲线型变化的流场结构示意图。

各图中：1.双极板本体；2.流场通道；21.A段；22.B段；3.流场脊；4.CCM膜电极；5.气体扩散层。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种具有变截面流场通道的质子交换膜燃料电池双极板，参照图1所示，包括双极板本体1，所述双极板本体1上沿反应气体流动方向设置有多条平行分布的流场通道2，各所述流场通道2均由多段连续间隔分布且相互连通的A段21和B段22组成，所述A段21的截面面积沿反应气体流动方向连续变小，所述B段22的截面面积沿反应气体流动方向连续变大，A段21和B段22的长度相同，相邻的两个流场通道2之间A段21和B段22的位置相互对应，A段21和B段22在连接部位截面形状相同。双极板本体1用于支撑和固定膜电极组件、分隔反应气体及冷却水并为反应气体提供通道、收集传导电流、提供排出电化学反应生成水的通道；流场通道2为反应气体及电化学反应生成的水提供流通通道。在具体应用中，多个流场通道2结构相同，且单通道结构为周期性变化，两相邻流场通道2的A段21和B段为交错、对应分布，参照图2和图3所示，当反应气体进入极板内流场A段21时，由于截面面积连续变小，反应气体被持续压缩，气体压力变大；而相邻通道对应为B段22，截面面积连续变大，反应气体膨胀，压力变小。故而在相邻通道对应段间形成压差，反应气体一部分会沿通道流动，另一部分会通过气体扩散层5区域，由A段21进入相邻通道B段22，将反应气体送至难以到达的流场脊3所对的CCM膜电极4区域，增大此区域的反应气体浓度，提高CCM膜电极4的反应效率。与此同时，伴随反应气体的跨通道流动，在此过程中会带走流场脊3下较难排除的生成水，降低电池水淹风险。与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：通过变截面通道的结构设计，使得相邻通道之间形成压差，使得反应气体能够跨通道流通，从而增大流场脊3所对区域的反应气体浓度，使得膜上利用区域增加，电化学反应更均匀、稳定；并且同时带走流场脊3下所对区域较难排走的水，改善了水管理系统，降低电池水淹风险，减少故障率，延长了设备使用寿命；相较于平行流场和蛇形流场结构能够提供足够的压降迅速排出燃料电池生成的水，在提供足够压降的同时相较于交指型流场具有较小的压降，能够降低燃料电池系统的辅耗，提高输出功率。

本发明的实质在于相邻流场通道2的截面呈周期性交错变化，这种截面变化包括但不限于槽宽大小的变化，参照图4所示，也可以是在槽深上的变化，其中A段21沿反应气体流经方向槽深连续变小，B段22沿反应气体流经方向槽深连续变大，其作用效果与槽宽上发生变化时相同。流场通道2在槽宽上的变化也可以有多种形式，参照图5所示，流场通道2的槽宽呈折线型变化，参照图6所示，流场通道2的槽宽也可呈蜿蜒曲线型变化。此外也可在是在槽深和槽宽上同时连续变化，只要满足A段21截面面积连续变小，B段22截面面积连续变大，均可达到相同的技术效果。

综上所述，该发明所提供的一种具有变截面流场通道的质子交换膜燃料电池双极板，有效解决了现有双极板流场通道中反应气体不易到达流场脊部对应的膜电极区域，流场脊下的生成水不易排出等问题，具有很高的利用价值和使用意义，可大量推广应用。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有变截面流场通道的质子交换膜燃料电池双极板，包括双极板本体(1)，其特征在于：所述双极板本体(1)上沿反应气体流动方向设置有多条平行分布的流场通道(2)，各所述流场通道(2)均由多段连续间隔分布且相互连通的A段(21)和B段(22)组成，所述A段(21)截面面积沿反应气体流动方向连续变小，所述B段(22)截面面积沿反应气体流动方向连续变大，所述A段(21)与所述B段(22)长度相同，相邻的两个流场通道(2)之间A段(21)和B段(22)的位置相互对应，所述A段(21)和所述B段(22)在连接部位截面形状相同。

2.如权利要求1所述的一种具有变截面流场通道的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：所述A段(21)的槽宽沿反应气体流动方向连续变小，所述B段(22)的槽宽沿反应气体流动方向连续变大。

3.如权利要求2所述的一种具有变截面流场通道的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：所述流场通道(2)的槽宽呈折线型变化。

4.如权利要求2所述的一种具有变截面流场通道的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：所述流场通道(2)的槽宽呈蜿蜒曲线型变化。

5.如权利要求1所述的一种具有变截面流场通道的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：所述A段(21)的槽深沿反应气体流动方向连续变小，所述B段(22)的槽深沿反应气体流动方向连续变大。

6.如权利要求1所述的一种具有变截面流场通道的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：所述A段(21)的槽宽和槽深均沿反应气体流动方向连续变小，所述B段(22)的槽宽和槽深均沿反应气体流动方向连续变大。

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