CN114583202A - 一种燃料电池极板及燃料电池堆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃料电池极板及燃料电池堆，涉及燃料电池技术领域，包括在极板本体上设置有多条突出的楞，且相邻所述楞之间形成流道；在所述楞的与电极接触部位的接触表面上开设有若干凹槽，且所述凹槽与位于该凹槽所在的楞的其中一侧的所述流道连通，与位于该凹槽所在的楞的另一侧的所述流道不连通。本发明改善了反应气在电极表面分布不均并解决了反应气在相邻流道串流的技术问题，达到了减少反应气进入与楞相接触电极部位的扩散距离、增加电极发电能力的同时也增加了电极发电能力的均匀性、避免反应气通过凹槽在流道中串流影响电极的性能和寿命、及有效提高电极单位面积发电能力的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池极板及燃料电池堆。
背景技术
极板是燃料电池堆（简称“电堆”）里的核心部件之一，起着非常重要的作用，如分配流体、支撑膜电极和整个电堆、导电、导热。为了比较均匀地把流体分配到极板的表面，极板上需要制作流场，流场主要是由若干流道与楞组成，流道处于相邻楞之间，有入口和出口，流体由入口处流入，经过流道后，从出口处流出。
电堆由多个双极板和膜电极反复相间堆叠而成。膜电极包含一片电解质膜及其分别处于其两侧的电极；图1是从流体流动方向看常规极板与电极的接触情况的截面示意图，其中催化氢气6氧化的电极叫做阳极81、催化空气7中氧气还原的电极叫做阴极80；电极一般由阴极催化层801、阳极催化层811、阴极气体扩散层800，以及阳极气体扩散层810（如炭纸）组成，两片极板本体1（一片是阳极板、另一片是阴极板）之间形成的区域中充满冷却液5。极板上的楞与电极直接接触，起到支撑膜电极、导电、导热的作用，该处的电极承受压力，属于被压区域100，但极板上的流道与电极没有直接接触，属于非被压区域101。
以阳极反应气在流道中流动时为例，其中一部分反应气以扩散的方式通过气体扩散层810后进入催化层811，在催化层811反应后生成的产物（如水）再通过气体扩散层810以扩散的方式进入流道3。在不考虑气体在气体扩散层中流动时曲折因子（tortuosityfactor）的情况下，从图1可以看出，反应气进入与流道正对的电极部分时，其扩散到催化层的距离最短，基本就是气体扩散层810的厚度，如0.2 mm；反应气进入与楞2正对的电极部分时，其扩散的距离增加，其中最长的扩散距离是气体扩散层810的厚度加上楞2的宽度的一半；如果楞2的宽度是1.0 mm，在不考虑楞处气体扩散层被压缩变薄的情况下，这个最远的距离就是0.7 mm （即0.2 mm + 1.0 mm/2）。
由于反应气在流道处和楞处的扩散距离不一样，进入这两个位置所对应的催化层中的反应气的流量是不一样的，致使电化学反应的程度在这两处不同，降低了与楞处对应的催化层的发电能力。
为了减小这种反应气不均的负面影响，一种现有技术提出了在楞2上开肋条槽40的方法，如图2所示，以反应气氢气6为例，在楞2上开肋条槽40有助于减少反应气进入与楞相接触电极部位的扩散距离；但这种设计有个严重的问题，因所述肋条槽40每根两端是相通的，这样会导致反应气从极板上一条流道通过肋条槽40串流到相邻的流道，当其中一根流道某一部分如尾部出现轻微堵水时，流体在该流道中流动时的压力降就会增加，即该流道对流体流动的阻力增加，进入该流道的气体量就会变小，这时由于与该流道相邻的楞上有多个肋条槽40，气体就更易选择通过这些肋条槽40流入相邻的流道，使流到该轻微堵水流道的气体进一步减少，导致水的进一步累积，对气体流动的阻力进一步增加，进来的气体更少，这样就形成恶性循环，对电极的性能和寿命都带来严重的负面影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池极板和燃料电池堆，以解决了现有技术中存在的反应气分布不均以及反应气在相邻流道串流影响电极的性能和寿命的技术问题。
本发明提供的一种燃料电池极板，包括：极板本体，其上设置有多条突出的楞，且相邻所述楞之间形成流道；凹槽，在所述楞的与电极接触部位的接触表面上开设有若干，且所述凹槽与位于该凹槽所在的楞的其中一侧的所述流道连通，与位于该凹槽所在的楞的另一侧的所述流道不连通。
进一步的，所述接触表面上沿所述楞的长度方向上相对设有两排所述凹槽，包括第一排凹槽和第二排凹槽，其中第一排凹槽上的凹槽均与所述楞的第一侧的所述流道连通，所述第二排凹槽上的凹槽均与所述楞的第二侧的所述流道连通。
进一步的，所述第一排凹槽上的凹槽与所述第二排凹槽上的凹槽一一对准设置，或所述第一排凹槽上的凹槽与所述第二排凹槽上的凹槽错开设置。
进一步的，所述接触表面上沿所述楞的长度方向上设有一排所述凹槽，所述凹槽均与所述楞的同一侧的所述流道连通。
进一步的，所述接触表面上沿所述楞的长度方向上设有若干凹槽组，每一所述凹槽组包括若干成排设置的所述凹槽，相邻两所述凹槽组中，其中一所述凹槽组内的所述凹槽均与所述楞的同一侧的所述流道连通，另一所述凹槽组内的所述凹槽均与所述楞的另一侧的所述流道连通。
进一步的，处于同一排且相邻的两所述凹槽之间的间距等于所述凹槽的宽度。
进一步的，所述凹槽的长度方向与对应连通的所述流道内流体的流动方向成一夹角θ,且满足0°＜θ＜90°。
进一步的，所述凹槽的形状为平行四边形，所述平行四边形的其中一对顶角的角度与夹角θ的角度相等。
进一步的，所述夹角θ为30°或45°。
进一步的，所述凹槽的深度为H，所述流道的深度为L，且0.05mm≤H≤L。
进一步的，所述凹槽的深度为0.1至0.4mm。
进一步的，一种燃料电池堆具有如前述的燃料电池极板。
本发明提供的一种燃料电池极板，由于若干凹槽是开设在楞与电极接触部位的接触表面上，且凹槽与位于该凹槽所在的楞的其中一侧的流道连通，与位于该凹槽所在的楞的另一侧的流道不连通，这样与凹槽连通的流道内反应气从流道内通过时，会有一部分反应气流入凹槽内，再由凹槽内向楞处对应的催化层扩散；反应气流入并分布于凹槽内，除了扩散过程，还有一个流动过程，增加了反应气进入凹槽内的速度，因此，在减少了反应气进入与楞相接触电极部位的扩散距离的同时，还增大了进入楞处对应的催化层的反应气的单位时间的流量，进而增大了该处的发电能力。由于楞上的凹槽仅与位于该楞的一侧流道连通，与位于该楞的另一侧流道不连通，因此可以避免反应气通过凹槽在相邻流道中的串流，进而避免了前述：当某一流道的某一部分如尾部轻微堵水时，因串流的存在，而导致流到该轻微堵水流道的反应气减少，使处水进一步累积，对反应气流动的阻力进一步增加，进来的反应气更少，形成恶性循环，对电极的性能和寿命都带来严重的负面影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术从流体流动方向看常规极板与电极接触情况的截面示意图；
图2是一种现有技术极板立体示意图；
图3为本发明实施例提供的第一例实施方式极板立体示意图 ；
图4为本发明实施例提供的第一例实施方式任一条楞的俯视图；
图5为本发明实施例提供的第二例实施方式任一条楞的俯视图 ；
图6为本发明实施例提供的第三例实施方式任一条楞的俯视图；
图7为本发明实施例提供的第四例实施方式任一条楞的俯视图；
图8为本发明实施例提供的第五例实施方式任一条楞的俯视图；
图9为本发明实施例提供的第六例实施方式任一条楞的俯视图；
图10为本发明实施例提供的第七例实施方式任一条楞的俯视图。
图标：1-极板本体；2-楞 ；3-流道；4-凹槽；5-冷却液；6-氢气；7-空气；21-次楞；40-肋条槽；41-第一排凹槽；42-第二排凹槽；80-阴极；81-阳极；100-被压区域；101-非被压区域；801-阴极催化层；811-阳极催化层；800-阴极气体扩散层；810-阳极气体扩散层。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。
实施例1
请参阅图3及图4，本发明实施例提供的一种燃料电池极板包括：极板本体1上设置有多条突出的楞2，且相邻楞之间形成流道3；在楞与电极接触部位的接触表面上开设有若干凹槽4，且凹槽与位于该凹槽所在的楞的其中一侧的流道连通，与位于该凹槽所在的楞的另一侧的流道不连通。
楞的表面除凹槽区域外的非凹槽区域与电极直接接触，起到支撑电极、导电、导热的作用，该处承受压力，属于被压区域，而极板本体1上的凹槽4和流道3与电极没有直接接触，属于非被压区域。由于若干凹槽4是开设在楞2与电极接触部位的接触表面上，且凹槽4与位于该凹槽4所在的楞2的其中一侧的流道连通，与位于该凹槽4所在的楞2的另一侧的流道不连通，这样与凹槽4连通的流道内反应气从流道内通过时，会有一部分反应气流入凹槽4内，并由凹槽4内向楞2处对应的催化层扩散；反应气流入并分布于凹槽4内，除了扩散过程，还有一个流动过程，增大了进入楞2处对应的催化层的反应气的单位时间的流量，进而增大了该处的发电能力。由于楞2上的凹槽4仅与位于该楞2的一侧流道连通，与位于该楞2的另一侧流道不连通，因此可以避免反应气通过凹槽在相邻流道中的串流，进而避免了：当某一流道某一部分如尾部轻微堵水时，因串流现象的存在，流到该轻微堵水流道的反应气减少，导致该处水进一步累积，对反应气流动的阻力进一步增加，进来的反应气更少，形成恶性循环，对电极的性能和寿命都带来严重的负面影响。
可选的，接触表面上沿楞的长度方向上相对设有两排凹槽，包括第一排凹槽41和第二排凹槽42，其中第一排凹槽41上凹槽4均与楞的第一侧的流道连通，第二排凹槽42上的凹槽4均与楞的第二侧的流道连通。由于在楞2上设置若干凹槽4，与反应气扩散最短距离相对应的电极面积增大，大幅提高电极单位面积的发电能力。
可选的，第一排凹槽41上的凹槽4与第二排凹槽42上的凹槽4一一对准设置。
可选的，凹槽4的深度为H，所述流道的深度为L，且0.05mm≤H≤L。在该深度范围内，既能保证燃料电池极板的强度，同时，又能够保证凹槽4内能够分布较多的反应气。
可选的，凹槽4的深度H为0.1至0.4mm。
可选的，处于同一排且相邻的两凹槽4之间的间距W2等于凹槽4的宽度W1。将楞2的处于同一排且相邻的两凹槽4之间的部分称作次楞21，即次楞21与凹槽4的宽度相等。
表1给出了在次楞21不同宽度情况下本发明对反应气扩散均一性的改善情况。表中“最近处”指电极与极板流道正对处，“无次楞最远处”指电极与常规极板楞宽度中心对应处，“有次楞最远处”指电极与本发明的次楞的宽度中心对应处；假设气体扩散层的厚度L为0.2mm、孔隙率ε为70%，在电堆中楞2或次楞21处气体扩散层被压缩20%后，气体扩散层的厚度L变为0.16mm、孔隙率ε变为56%；空气中含有21%体积比的氧气，对应氧气的浓度C为7.8μmol/cm3，氧气的扩散系数D为0.27cm2/s；氧气在多孔介质气体扩散层中的有效扩散系数D有效见式（1），氧气在气体扩散层中的扩散量由菲克第一定律决定，见式（2），其中dx = L。
D有效= D*ε1.5 （1）
J = -D有效*dC/dx = -D有效*（C-C表面）/L （2）
当氧气在催化层中被完全反应掉时，C表面 = 0，式（2）变为式（3），就是氧气的最大扩散量。
J最大 = -D有效*C/L （3）
表1列出了本发明对反应气扩散均一性的改善情况。对于常规楞设计（即无次楞），进入与流道对应处电极的氧气最大扩散量是进入与楞中央对应处电极氧气最大扩散量（即扩散最远处）的4.6倍。在本发明次楞21的存在下，当次楞的宽度分别为0.5、0.4、0.3、0.2、0.1 mm时，上述比值从4.6分别降至2.9、2.5、2.2、1.8、1.5倍，可见，次楞21对于改善气体分配的均一性及增加进入催化层的总反应气量有显著作用。
表1、本发明对反应气扩散均一性的改善情况
极限电流是与反应气最大扩散量所对应的电流，两者成线性关系。从表1中最大扩散量比值可以看出，在有凹槽4存在的情况下，当次楞21的宽度分别为0.5、0.4、0.3、0.2、0.1mm时，与流道对应处电极的极限电流与次楞中央处对应的极限电流的比值从4.6（无凹槽）分别降至2.9、2.5、2.2、1.8、1.5倍，因此次楞21的宽度越窄，越有利于反应气向与次楞21相接触电极部位的扩散，越有利于整个电极的发电均一性。
在楞2和流道3的宽度相同的情况下，对于常规楞设计即不开设凹槽4时，与反应气扩散最短距离相对应的电极面积占整个电极面积的50%，但当按本发明在楞上制备出凹槽4且其宽度与次楞21的宽度相同时，与反应气扩散最短距离相对应的电极面积占整个电极面积增加到了75%，这也会大幅提高电极单位面积的发电能力。
实施例2
可选的，请参阅图5，第一排凹槽41上的凹槽4与第二排凹槽42上的凹槽4错开设置。第一排凹槽41上的凹槽4与第二排凹槽上的凹槽4之间的楞2上对应的反应气扩散距离不仅变短，而且由于第一排凹槽41上的凹槽4与第二排凹槽42上的凹槽4错开设置，能够更有助于反应气体在楞2处对应的催化层的反应气分布的均匀性。
实施例3
可选的，请参阅图6，接触表面上沿楞2的长度方向上设有一排凹槽4，凹槽4均与楞2的同一侧的流道3连通。设置一排仅与一侧流道3连通的凹槽4同样有减少反应气进入与楞2相接触电极部位的扩散距离以及避免反应气通过凹槽4在流道3之间串流的作用，同时还可以降低工艺复杂程度，提高生产效率。
实施例4
可选的，请参阅图7，接触表面上沿所述楞2的长度方向上设有若干凹槽组，每一凹槽组包括若干成排设置的所述凹槽4，相邻两凹槽组中，其中一凹槽组内的凹槽4均与楞2的同一侧的流道3连通，另一凹槽组内的凹槽4均与楞2的另一侧的流道3连通，相邻两个所述凹槽组中所包含的凹槽4的数目可以设置相同，也可以不相同。
实施例5
可选的，请参阅图8，凹槽4的长度方向与对应连通的流道3内流体的流动方向的夹角为θ,且满足0°＜θ＜90°，流体指反应气体。当凹槽4的长度方向与流体的流动方向是垂直的，即两者的夹角θ是90°时，反应气只能依靠扩散的方式进入凹槽4，而不能利用反应气自身的流动动能通过对流的方式进入凹槽4，限制了进入凹槽4反应气的流速。当0°＜θ＜90°时，可以利用反应气自身的流动动能加快反应气进入凹槽4的速度，使电极上的电化学反应更快更均匀，提升发电效率。
凹槽4的形状可以有多种，如不规则的四边形，优选的，凹槽4的形状为平行四边形，平行四边形的其中一对顶角的角度与夹角θ的角度相等，这样能够使反应气的流动方向与平行四边形的侧边是同一方向，降低凹槽4的侧壁对反应气的流动的阻碍。
可选的，第一排凹槽41上的凹槽4与第二排凹槽42上的凹槽4一一对准设置。
优选的，凹槽的长度方向与对应连通的流道内流体的流动方向的夹角θ为30°或45°。当θ为30°时，单位时间内流入凹槽中的反应气量至少是θ为90°时的1.5倍，大大加快了反应气的流动。
本实施例中，两排凹槽的形状为平行四边形且一一对准设置，凹槽的长度方向与对应连通的流道内流体的流动方向的夹角为θ,且满足0°＜θ＜90°，平行四边形中的一对顶角与夹角θ的角度相等，楞2两侧流道内的反应气在进入凹槽4时不仅是扩散的方式，也可以利用反应气本身的动能通过对流的方式进入凹槽4，加快气体进入凹槽4的速度，使电极上的电化学反应更快更均匀，提升发电效率。特别是当夹角θ为30°时，单位时间内流入凹槽4中的反应气量至少是θ为90°时的1.5倍，发电能力高效提升。
实施例6
可选的，请参阅图9，凹槽4的长度方向与对应连通的流道3内流体的流动方向的夹角为θ,且满足0°＜θ＜90°，流体指反应气体。第一排凹槽41上的凹槽4与第二排凹槽42上的凹槽4错开设置。本实施例中，利用反应气自身流动动能的同时，反应气扩散距离的长短更加均一，对应的电极电化学反应更均一，单位面积和单位时间的电极发电更加高效。
实施例7
可选的，请参阅图10，凹槽4的长度方向与对应连通的流道内流体的流动方向的夹角为θ,且满足0°＜θ＜90°，流体指反应气体。接触表面上沿楞的长度方向上设有一排凹槽4，凹槽4均与楞2的同一侧的流道连通。本实施例中，仅设置一排形状为平行四边形的凹槽4，相较于两排凹槽4结构更简单但不影响反应气扩散距离的减小，同时也能利用反应气自身流动动能提高发电效率。
可选的，本发明实施例提供的一种燃料电池堆具有如前述任一例实施方式所述的燃料电池极板，使燃料电池发电能力更强，效率更高。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (12)
1.一种燃料电池极板，其特征在于，包括：
极板本体，其上设置有多条突出的楞，且相邻所述楞之间形成流道；
凹槽，在所述楞的与电极接触部位的接触表面上开设有若干，且所述凹槽与位于该凹槽所在的楞的其中一侧的所述流道连通，与位于该凹槽所在的楞的另一侧的所述流道不连通。
2.根据权利要求1所述的燃料电池极板，其特征在于，所述接触表面上沿所述楞的长度方向上相对设有两排所述凹槽，包括第一排凹槽和第二排凹槽，其中第一排凹槽上的凹槽均与所述楞的第一侧的所述流道连通，所述第二排凹槽上的凹槽均与所述楞的第二侧的所述流道连通。
3.根据权利要求2所述的燃料电池极板，其特征在于，所述第一排凹槽上的凹槽与所述第二排凹槽上的凹槽一一对准设置，或所述第一排凹槽上的凹槽与所述第二排凹槽上的凹槽错开设置。
4.根据权利要求1所述的燃料电池极板，其特征在于，所述接触表面上沿所述楞的长度方向上设有一排所述凹槽，所述凹槽均与所述楞的同一侧的所述流道连通。
5.根据权利要求1所述的燃料电池极板，其特征在于，所述接触表面上沿所述楞的长度方向上设有若干凹槽组，每一所述凹槽组包括若干成排设置的所述凹槽，相邻两所述凹槽组中，其中一所述凹槽组内的所述凹槽均与所述楞的同一侧的所述流道连通，另一所述凹槽组内的所述凹槽均与所述楞的另一侧的所述流道连通。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的燃料电池极板，其特征在于，处于同一排且相邻的两所述凹槽之间的间距等于所述凹槽的宽度。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的燃料电池极板，其特征在于，所述凹槽的长度方向与对应连通的所述流道内流体的流动方向成一夹角θ,且满足0°＜θ＜90°。
8.根据权利要求7所述的燃料电池极板，其特征在于，所述凹槽的形状为平行四边形，所述平行四边形的其中一对顶角的角度与夹角θ的角度相等。
9.根据权利要求7所述的燃料电池极板，其特征在于，所述夹角θ为30°或45°。
10.根据权利要求1-5中任一项所述的燃料电池极板，其特征在于，所述凹槽的深度为H，所述流道的深度为L，且0.05mm≤H≤L。
11.根据权利要求10所述的燃料电池极板，其特征在于，所述凹槽的深度H为0.1mm至0.4mm。
12.一种燃料电池堆，其特征在于，具有如权利要求1-11中任一项所述的燃料电池极板。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115275269A (zh) * | 2022-08-08 | 2022-11-01 | 大连理工大学 | 一种带有气体分配区的叶脉平行流场结构及在燃料电池中的应用 |
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2022
- 2022-04-29 CN CN202210462264.3A patent/CN114583202A/zh active Pending
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