CN1300883C - 一种质子交换膜燃料电池用流场板 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种质子交换膜燃料电池用流场板的结构；其中，流场板本体是由经处理的天然石墨和高分子材料复合并经高温一次模压而成的材料构成的；流场板上包括氢气进气口、氢气出气口、空气进气口、空气出气口、水的流通槽及进出水口和连通气体进出气口的导流槽等；所述的流场板上有空气进出气口和氢气进出气口各一对，呈细长的矩形，连通一对进出气口的导流凹槽采用了流线型平行式流场分布结构，导流凹槽的宽度为1.0～3.5mm，深度为0.3～0.6mm，梗条的宽度为1.0～5.0mm。该发明结构设计的特点是气流分布均匀、导气通畅、截面空间利用率高且能防止导流凹槽的堵塞、反应气体能源的利用率高、燃料电池运行稳定。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术，特别是涉及了一种质子交换膜燃料电池用流场板的结构。
背景技术
在人类社会飞速发展的今天，象诸如煤、石油、天然气等传统能源等已越来越无法满足已经迈入二十一世纪的工业社会的需求。人类目前所赖以生存的能源资源正步入消耗怠尽的最后几十年，且这些传统能源所造成的严重环境污染，已经成为人类社会生存和发展的障碍。有鉴于此，世界各国无不卯足全力寻求未来的替代能源，使之得以全面取代目前的传统能源；截至目前，科学界一致认为氢能是二十一世纪替代汽油、柴油等动力能源的有效清洁能源之一；而质子交换膜燃料电池(FUEL CELL)则是一种将氢及氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置；因这种电池无燃烧反应，故广为被科学界推崇及向市场化推进。
目前所发展出来的燃料电池约有五种，即碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池及质子交换膜燃料电池，而质子交换膜燃料电池是最具市场竞争力的能源项目之一。质子交换膜燃料电池的主要工作原理如下：质子交换膜燃料电池主要是利用氢气和氧气通过电化学反应生成水，并释放电能，它可视为水电解的逆装置，其主要由阳极、阴极、电解质及外部电路四大导电结构所组成。
(1)将氢气导入阳极；
(2)在阳极催化剂作用下，进行阳极氧化反应，电极反应方程式为：
(3)在电池另一端，将氧气(或空气)导入阴极；
(4)阳极的氢离子穿过电解质到达阴极，而阳极的电子亦通过外电路到达阴极；
(5)氢离子与氧气在阴极催化剂作用下进行阴极还原反应而生成水，电极反应式为：
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是以全氟磺酸型质子交换膜为电解质，Pt/C、Pt-Ru/C或纳米二氧化钼为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的高纯石墨板、高分子复合材料石墨板或表面改性的耐腐蚀金属板为双极板。PEMFC中的电极反应类同于其它酸性电解质燃料电池。阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反应产生的电子经外电路到达阴极，氢离子经质子交换膜到达阴极。氧气与氢离子及电子在阴极催化剂作用下发生反应生成水，生成的水并不稀释电解质，而是通过电极随反应尾气排出。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)被认为是未来电动汽车、潜艇的最佳候选电源，并且在移动式电源、家用电站、水下机器人、航空航天器等方面具有广泛的应用前景。目前PEMFC技术越来越趋于成熟，而双极板(bipolar plates)是影响其成本的主要因素之一。双极板有其独特的作用：一是分隔氧化剂与还原剂；二是完成收集电流的作用；三是双极板两侧应置有使反应气体均匀分布的流场；四是确保电池堆的温度均匀分布和达到好的散热效果。在目前PEMFC的成本中甚至占到60-70％。因此，近年来，世界各国都在对不同类型的双极板进行研究和开发，其中的模压高分子复合材料双极板是研发的热点。目前该技术尚有许多技术难点需进行深入研究，其中包括电池堆中双极板的流场结构、不同高分子材料配方、加工工艺及产品成本等。本专利即是为解决上述问题中双极板的流场结构而设计的一项发明。
目前美国、加拿大、德国、日本及我国在双极板材料及流场设计上都进行了大量的研发工作，在市场化推进方面取得了较大的进步。如：台湾地区的亚太燃料电池科技股份有限公司在我国申请的(专利号：01124227.0及01124228.0)燃料电池的双极板专利；美国的联合讯号公司在我国申请的(专利号：00814108.8)燃料电池及用于燃料电池的双极板专利等。但这些专利或多或少存在不足之处：例如双极板的气流分布不够均匀；反应生成的水易积聚不易排出，流场结构设计易造成反应死区，电压不稳等影响电池正常运行的性能。
发明内容
本发明的目的就是为了克服现有技术中存在的缺陷而设计的一种质子交换膜燃料电池用流场板结构，该实用新型流场板结构具有导气通畅、气流分布均匀、空间利用率高，进而提高反应气体能源利用率等特点；它也是一种防止导流凹槽在反应过程中发生堵塞，从而提高燃料电池运行稳定性的流场板结构。
本发明可以通过以下技术方案实施：一种质子交换膜燃料电池的流场板的结构，其中，流场板本体是由经处理的天然高纯石墨和高分子材料复合并经高温一次模压而成的材料构成的；流场板上包括氢气进气口、氢气出气口、空气进气口、空气出气口、水的流通槽及进出水口和连通气体进出气口的导流槽等；以上所述的流场板上有空气进出气口和氢气进出气口各一对，呈细长的矩形，连通一对进出气口的导流凹槽采用了流线型平行式流场分布结构。
所述的流场板本体为导氢气流场板或是导空气流场板或是一面用于导氢气另一面用于导空气的流场板；所述的用于导氢气的流场板上有一对位于流场板同侧(即位于流场板的同一条边上)的氢气进气口和氢气出气口，如图二的3、4所示，所述的用于导空气的流场板上有一对位于流场板同侧(即位于流场板的同一条边上)的空气进气口和空气出气口，如图二的5、6所示；连通一对进出气口的导流凹槽采用了流线型平行式且直角转折点经曲面式处理的流场板分布结构。
所述的导氢气的流场板的氢气进气口和氢气出气口大小及形状都相等，呈细长的矩形，宽度为2～5mm；所述的导空气的流场板的空气进气口和空气出气口大小及形状都相等，呈细长的矩形，宽度为4～10mm；所述的导空气的流场板的空气进气口的长度与氢气进气口的长度基本相等，所述的空气出气口的长度与氢气出气口的长度基本相等，长度为30～38mm；所述的流场板的空气进气口的实际使用宽度是氢气进气口的实际使用宽度的两倍；所述的流场板的空气出气口的实际使用宽度是氢气出气口的实际使用宽度的两倍。
所述的导氢气的流场板设有一对氢气进出气口，其中氢气的进气口分出多条导氢气流凹槽，该多条导氢气流凹槽采用了流线型平行式且有多个直角转折点并经曲面式处理的流场板分布结构，最后汇集于氢气的出气口，该多条导氢气流凹槽各自从氢气的进气口到氢气的出气口的总长度基本相等；所述的导空气的流场板设有一对空气进出气口，其中空气的进气口分出多条导空气流凹槽，该多条导空气流凹槽采用了流线型平行式且有多个直角转折点并经曲面式处理的流场板分布结构，最后汇集于空气的出气口，该多条导空气流凹槽各自从空气的进气口到空气的出气口的总长度基本相等。
所述的导氢气的流场板的氢气的进气口除了分出权利要求4中所述的多条导氢气流凹槽外，还分出两条总长度是权利要求4中所述的导氢气流凹槽的总长度的五分之四、直角转折的个数比权利要求4中所述的导氢气流凹槽的直角转折个数少的导氢气流凹槽，这两条导氢气流凹槽分别位于氢气进气口的两侧，最后接于氢气的出气口；所述的导空气的流场板的空气的进气口除了分出权利要求4中所述的多条导空气流凹槽外，还分出两条总长度是权利要求4中所述的导空气流凹槽的总长度的五分之四、直角转折的个数比权利要求4中所述的导空气流凹槽的直角转折个数少的导空气流凹槽，这两条导空气流凹槽分别位于空气进气口的两侧，最后接于空气的出气口，其目的是为防止在反应过程中发生长程凹槽堵塞时不致于使电池产生“死机”现象。
所述的导空气的流场板的连通空气的进出气口的导空气流凹槽的宽度比所述的导氢气的流场板的连通氢气的进出气口的导氢气流凹槽的宽度大。
所述的凹槽的宽度为1.0～3.5mm，深度为0.3～0.6mm，梗条的宽度为1.0～5.0mm。
所述的导氢气流的凹槽的宽度1比所述的导氢气流的流场板上梗条2的宽度小；所述的导空气流的凹槽的宽度1比所述的导空气流的流场板上梗条的宽度2小。
所述的导氢气流凹槽条数为5～10条；导空气流凹槽的条数为5～10条。
与现有技术相比，本发明的特点是：流场板上气体的进出口是细长的矩形形状，而不是一般的半圆形或四分之一圆形；空气的进出气口长度与氢气进出气口长度相同，空气进出气口的宽度要大于氢气进出气口的宽度。即：氢气进出气口总面积是空气的进出气口总面积的二分之一。如图二、三所示，图二的3、4分别是氢气的进气口和出气口，图二的5、6分别是空气的进气口和出气口。流场板上流体的进出口位于流场板的同侧，这样就使连接流体进出口的凹槽的总体分布与现有常规分布不同，本发明的设计更充分地利用了空间，使凹槽长度较普通设计大为增加，此外，多条并列平行的导流凹槽的长度基本相等，凹槽的总体分布如图二、三所示。导空气的流场板的连通空气的进出气口的导空气流凹槽的宽度比所述的导氢气的流场板的连通氢气的进出气口的导氢气流凹槽的宽度大。流场板的导氢气流和导空气流的进口除了多条导流凹槽外，还分别分出两条边缘导流凹槽7、8，最后接于流场的出口。7、8两条导流凹槽的长度是导流本体凹槽9的总长度的五分之四、直角转折的个数比导流凹槽本体的直角转折个数少。
这种质子交换膜燃料电池的流场板的进出气口和导流凹槽设计的优点如下：同一流场板的导流口由一个细长的矩形组成，它避免采用一个很大面积的导流口，从而促使流场板本体的有效利用面积增加；空气的进气口面积比氢气的进气口面积要大，同时，空气的导流凹槽比氢气的导流凹槽要宽，这样的设计结构可以使在反应中空气的通气量大于氢气的通气量，这增加了廉价反应物(空气)的浓度，能加快体系的反应速率；进出口同侧及连接进出口的凹槽的分布特点使得气体的反应路径较普通板的长，从而提高了能源气体的利用率。此外，该实用新型通过对流场板表面的疏水性处理，能有效地防止反应生成的水堵塞导流凹槽造成整个反应中断的情况发生。
附图说明：
附图1为本发明复合双极板剖面的结构示意图
附图2为燃料电池导氢气流场板的结构示意图
附图3为燃料电池导空气或氧气流场板的结构示意图
其中：附图中编号1为流场板凹槽剖面，编号2为流场板梗条剖面，编号3为导氢气流场板进气口，编号4为导氢气流场板出气口，编号5为导空气或氧气流场板进气口，编号6为导空气或氧气流场板出气口，编号7、8为两条边缘导流凹槽，编号9为本体导流凹槽。
具体实施方式：
下面将结合附图、通过具体实施例，详述本发明。
实施例
将天然高纯石墨粉和高分子材料、助剂等按一定比例混合后入模具，模具入平板硫化机中，在10～100MPa和100～300℃下，一次模压成型成为含流场的复合双极板产品。
一种质子交换膜燃料电池用的流场板结构，包括流场板本体。该流场板本体为导流双极板，其一面为导氢气流场板，另一面是导空气的流场板；图二为所述的导氢气流场板。它设有一对进出氢气的导流口3、4，且分布在流场板同侧。氢气进气口和氢气出气口大小及形状都相等，呈细长的矩形，宽度为3mm，长度为33mm；有8条导流凹槽，其宽度为1.5mm，深度为0.5mm，两条边缘导流凹槽7、8较本体导流凹槽9短，7、8两条导流凹槽的长度是导流本体凹槽的总长度的五分之四、直角转折的个数比导流凹槽本体的直角转折个数少。梗条宽度均为3mm。
图三为所述的导空气或氧气流场板。它设有一对进出空气或氧气的导流口5、6，且分布在流场板同侧。空气进气口和空气出气口大小及形状都相等，呈细长的矩形，宽度为6mm，长度为32mm；有7条导流凹槽，其宽度为2.0mm，深度为0.5mm，两条边缘导流凹槽7、8较本体导流凹槽9短，7、8两条导流凹槽的长度是导流本体凹槽的总长度的五分之四、直角转折的个数比导流凹槽本体的直角转折个数少。主梗条宽度为3mm，其余6条梗条宽度为4mm。
Claims (8)
1、一种质子交换膜燃料电池用流场板，流场板具有氢气进气口、氢气出气口、空气进气口、空气出气口、连通气体进出气口的导流槽及相邻导流槽之间的梗条；其特征在于，所述的流场板具有空气和氢气的进出气口各一对，呈细长的矩形，连通一对进出气口的导流凹槽采用了流线型平行式流场分布结构，所述的流场板本体为导氢气流场板或是导空气流场板或是一面用于导氢气另一面用于导空气的流场板；所述的用于导氢气的流场板具有一对位于流场板同侧的同一条边上氢气进气口和氢气出气口，所述的用于导空气的流场板具有一对位于流场板同侧的同一条边上空气进气口和空气出气口；连通一对进出气口的导流凹槽采用了流线型平行式且直角转折点经曲面式处理的流场板分布结构。
2、根据权利要求1所述的燃料电池用流场板，其特征在于，所述的导氢气的流场板的氢气进气口和氢气出气口大小及形状都相等，呈细长的矩形，宽度为2～5mm；所述的导空气的流场板的空气进气口和空气出气口大小及形状都相等，呈细长的矩形，宽度为4～10mm；所述的导空气的流场板的空气进气口的长度与氢气进气口的长度基本相等，所述的空气出气口的长度与氢气出气口的长度基本相等，长度为30～38mm。
3、根据权利要求2所述的燃料电池用流场板，其特征在于流场板的所述的流场板的空气进气口的宽度是氢气进气口的宽度的两倍；所述的流场板的空气出气口的宽度是氢气出气口的宽度的两倍。
4、根据权利要求1所述的燃料电池用流场板，其特征在于，所述的导氢气的流场板设有一对氢气进出气口，其中氢气的进气口分出多条导氢气流凹槽，该多条导氢气流凹槽采用了流线型平行式且有多个直角转折点并经曲面式处理的流场板分布结构，最后汇集于氢气的出气口，该多条导氢气流凹槽各自从氢气的进气口到氢气的出气口的总长度基本相等；所述的导空气的流场板设有一对空气进出气口，其中空气的进气口分出多条导空气流凹槽，该多条导空气流凹槽采用了流线型平行式且有多个直角转折点并经曲面式处理的流场板分布结构，最后汇集于空气的出气口，该多条导空气流凹槽各自从空气的进气口到空气的出气口的总长度基本相等。
5、根据权利要求2或4所述的燃料电池用流场板，其特征在于，所述的多条导氢气流凹槽其中两条总长度是所述导氢气流凹槽的总长度的五分之四、直角转折的个数比其它导氢气流凹槽的直角转折个数少，位于氢气进气口的两侧，最后接于氢气的出气口；所述的多条导空气流凹槽，其中两条总长度是所述的导空气流凹槽的总长度的五分之四、直角转折的个数比其它导空气流凹槽的直角转折个数少，位于空气的进气口的两侧，最后接于空气的出气口。
6、根据权利要求5所述的燃料电池用流场板，其特征在于，所述的导空气的流场板的连通空气的进出气口的导空气流凹槽的宽度比所述的导氢气的流场板的连通氢气的进出气口的导氢气流凹槽的宽度大；所述的导氢气流凹槽条数为5～10条；导空气流凹槽的条数为5～10条。
7、根据权利要求1所述的燃料电池用流场板，其特征在于，所述的凹槽的宽度为1.0～3.5mm，深度为0.3～0.6mm，梗条的宽度为1.0～5.0mm。
8、根据权利要求7所述的燃料电池用流场板，其特征在于，所述的导氢气流的凹槽的宽度比所述的导氢气流的流场板上梗条的宽度小；所述的导空气流的凹槽的宽度比所述的导空气流的流场板上梗条的宽度小。
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