CN1694291A - 一种质子交换膜燃料电池用双燕尾形流场板的结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池技术领域，它涉及一种质子交换膜燃料电池用多通道双燕尾形流场板的结构；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、连通气体进出气口的导流槽和冷却水流通槽等。流场板上有氢气进出气口和空气进出气口各一对，呈非整半圆形，而连通进出气口的导流凹槽采用了流线型多通道双燕尾形流场分布结构。该发明的结构设计特点是凹槽宽度尺寸小、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。在质子交换膜燃料电池的运行中有较好的工作状态。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术的应用领域，特别是涉及了一种质子交换膜燃料电池用双燕尾形流场板的结构。
背景技术
燃料电池是一种高效、对环境友好的发电装置，它能将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。它不受卡诺循环的限制，能量转化效率高，对环境无污染。在诸多燃料电池类型中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)有着广阔的应用前景，它能低温启动，无电解液流失，结构简单，操作方便，已被公认为电动汽车、区域性电站及航天器等的首选能源。
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流场板。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。
在PEMFC中电极各处均能获得充足的反应剂，及时把电池生成水排出是保证PEM燃料电池正常运行的关键。因为如果反应剂在电极各处不均匀，就会造成电极各处反应的不均匀，从而引起电流密度分布不均匀，导致电池局部过热，降低电池性能，也影响电池的使用寿命。流场的结构设计决定反应剂与生成物在流场内的流动状态，因此流场板是燃料电池关键部件之一。对于大面积PEM燃料电池，流场板的作用显得尤为重要，电技工作面积放大过程中流场设计不合理往往是导致电池性能下降的主要原因。设计合理的流场板，应能够：(1)均匀分配电池放电所需的燃料与氧化剂，保证电流密度分布均匀，避免局部过热；(2)使电池生成水在反应尾气吹扫和夹带下顺利排除，这就要求流体在流道内具有一定的线速度。
流场板有其独特的作用：一是分隔氧化剂与还原剂；二是完成收集电流的作用；三是流场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流场板进行研究和开发，其中的模压高分子复合材料流场板是研发的热点。目前该技术尚有许多技术难点需进行深入研究，其中包括电池堆中流场板的流场结构、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流场板的流场结构而设计的一项发明。
目前质子交换膜燃料电池的极板材料主要有两种：一种是石墨或碳板，可以机加工也可以注塑，其优点较明显，电阻小，耐腐蚀性能强，质量轻等；但其缺点也很明显，费用高且强度差。另一种是金属板/不锈钢板，优点是成本低，强度大，易成型，体积小；缺点是耐腐蚀性差一些，质量大。复合流场板结合了石墨板和金属板的优点，它具有耐腐蚀、体积小、质量轻、强度高、成本低、易加工等特点，现今各国正在努力研发和产业化中。
近年来世界各国发明的流场板主要有以下几种：(1)多孔材料流场板：流体从入口首先进入支型流道，然后在多孔材料中扩散，从出口的支型流道中导出：流体在多孔介质材料流场板中流动阻力较大，由于产生的水不能及时排除，易发生水淹电极现象。(2)点状流场板：这种流场板的优点是结构简单，但流体流经流场板时易发生短路现象，使得一部分流场板没有得到利用，从而影响了电池的效能。(3)网状流场板：介质由入口进入流场板，经过金属网，从出口流出。它的流场板是由粗网、细网组合而成的。对于网状流场板，不论走任何路径，其所经过的路径长度是相等的，因此流体可以分布得比较均匀。但是，网状流场板电池安装时要使电池组受力均匀、这是保证电池性能的重要因素。(4)单通道蛇形流场板：在这种结构中，可以把反应过程中产生的水随着气体的流动沿着流道带出来，在性能方面明显地好于不带流道的流场板。(5)多通道蛇形流场板、多通道蛇形流场板是近年来比较流行的一种流场板结构，从所发表的专利看，加拿大的巴拉德公司、美国的H-PMM公司以及日本的有关燃料电池公司均采用这种以多通道蛇形流场板为主的结构，但具体的结构形式有所不同。
部分专利或多或少存在不足之处：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)燃料电池的流场板专利；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流场板专利等。例如流场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上述多孔材料流场板、点状流场板、网状流场板、蛇形流场板等现有流场板结构中存在的缺陷而设计的一种质子交换膜燃料电池用多通道双燕尾形复合材料流场板的结构，该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用双燕尾形流场板的结构，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、连通气体进出气口的导流槽和冷却水流通槽等；其流场板上有空气和氢气的进出气口各一对，呈非整半圆形，连通进出气口的导流凹槽采用了流线型多通道双燕尾形流场分布结构。
所述的燃料电池的流场板的结构，其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对角的氢气进气口和氢气出气口，所述的用于导空气的流场板上有另一对位于流场板对角的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多通道双燕尾形的流场板分布结构。
所述的燃料电池的流场板的结构，其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，呈非整半圆形；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，呈非整半圆形；所述的导空气的流场板的空气进气口的平面面积比氢气进气口的平面面积大，所述的空气出气口的平面面积比氢气出气口的平面面积大。
所述的燃料电池的流场板的结构，其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偶数条导氢气流凹槽，而且这偶数条凹槽平均分成两部分，每部分凹槽分别沿正方形流场板的两边分布；该多条导氢气流凹槽采用了流线型平行式且有多个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偶数条导空气流凹槽，而且这偶数条凹槽平均分成两部分，每部分凹槽分别沿正方形流场板的两边分布；该多条导空气流凹槽采用了流线型平行式且有多个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氢气的进气口到氢气的出气口的总长度基本相等。
所述的燃料电池的流场板的结构，其导氢气的流场板的氢气的进气口除了分出所述的多条导氢气流凹槽外，还分出两条总长度是所述的导氢气流凹槽的总长度的五分之四、转折的个数比所述的导氢气流凹槽的转折个数少的导氢气流凹槽，这两条导氢气流凹槽位于氢气进气口的外侧，最后接于氢气的出气口的外侧；所述的导空气的流场板的空气的进气口除了分出所述的多条导空气流凹槽外，还分出两条总长度是所述的导空气流凹槽的总长度的五分之四、转折的个数比所述的导空气流凹槽的转折个数少的导空气流凹槽，这两条导空气流凹槽位于空气进气口的外侧，最后接于空气的出气口的外侧。
所述的燃料电池的流场板的结构，其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。
所述的燃料电池的流场板结构，其凹槽的宽度为1.0～3.5mm，深度为0.3～0.6mm，梗条的宽度为1.0～5.0mm。
所述的燃料电池的流场板结构，其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。
所述的燃料电池的流场板结构，其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非整半圆形状，而不是一般的矩形或四分之一圆形；氢气的进出气口大小和形状都相等，空气的进出气口大小和形状都相等；空气的进出气口平面面积比氢气进出气口平面面积大。如图一、图二所示，图一的1、2分别是空气的进气口和出气口，图一的3、4分别是氢气的进气口和出气口。流场板上气体的进出口位于流场板的对角。本发明的设计充分地利用了空间。此外，气体的进气口分出偶数条导气流凹槽，而且这偶数条凹槽平均分成两部分，每部分凹槽分别沿正方形流场板的两边分布；该多条导气流凹槽采用了流线型平行式且有多个转折点并经曲面式处理的流场板分布结构，最后汇集于气体的出气口，该多条导气流凹槽各自从气体的进气口到气体的出气口的总长度基本相等，凹槽的总体分布如图一、二所示，流场板的凹槽结构呈双燕尾形状。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5、6，最后接于流场的出口。5、6两条导流凹槽的长度是导流本体凹槽7的总长度的五分之四、转折的个数比导流凹槽本体的转折个数少。流场板的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8、9，最后接于流场的出口。8、9两条导流凹槽的长度是导流本体凹槽10的总长度的五分之四、转折的个数比导流凹槽本体的转折个数少。
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非整半圆形组成，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，可使燃料气体的能源利用率大为提高。
附图说明：
附图1为燃料电池导氢气流场板的结构示意图
附图2为燃料电池导空气或氧气流场板的结构示意图
附图3为燃料电池流场板剖面的结构示意图
其中：附图中编号1为导空气或氧气流场板进气口，编号2为导空气或氧气流场板出气口，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、6、8、9为边缘导流凹槽，编号7、10为本体导流凹槽，编号11为流场板凹槽剖面，编号12为流场板梗条剖面，编号13、14为流场板固定孔，编号15、16为冷却水流通槽。
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流场板产品。
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流场板，其一面为导氢气的流场板，另一面是导空气的流场板；图一为导氢气流场板结构示意图，按下述尺寸来获得模压成型为导氢气的复合流场板。即：设有一对进出氢气的导流口3、4，且分布在流场板对角。氢气进气口和氢气出气口大小及形状都相等，呈非整半圆形，其最大线段长度为55mm；导流口中AB线段长度为13mm；13、14流场板固定孔半经为5mm；15、16冷却水的流通槽长15.5mm，宽6mm。有10条导流凹槽，每条导流凹槽其宽度为1.5mm，深度为0.3～0.6mm，梗条宽度均为3mm。
图二为导空气或氧气流场板结构示意图。按下述尺寸来获得模压成型为导空气的复合流场板。即：设有一对进出空气或氧气的导流口1、2，且分布在流场板对角。空气进气口和空气出气口大小及形状都相等，呈非整半圆形，其最大线段长度为48mm；导流口中CD线段长度为21mm；13、14流场板固定孔半经为5mm；15、16冷却水的流通槽长15.5mm，宽6mm。有8条导流凹槽，每条导流凹槽其宽度为2mm，深度为0.3～0.6mm，梗条宽度为3mm。
Claims (9)
1、一种质子交换膜燃料电池用双燕尾形流场板的结构，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、连通气体进出气口的导流槽和冷却水流通槽等；其特征在于，所述的流场板上有空气和氢气的进出气口各一对，呈非整半圆形，连通进出气口的导流凹槽采用了流线型多通道双燕尾形流场分布结构。
2、根据权利要求1所述的燃料电池的流场板的结构，其特征在于，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对角的氢气进气口和氢气出气口，所述的用于导空气的流场板上有另一对位于流场板对角的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多通道双燕尾形的流场板分布结构。
3、根据权利要求1和2所述的燃料电池的流场板的结构，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，呈非整半圆形；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，呈非整半圆形；所述的导空气的流场板的空气进气口的平面面积比氢气进气口的平面面积大，所述的空气出气口的平面面积比氢气出气口的平面面积大。
4、根据权利要求3所述的燃料电池的流场板的结构，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偶数条导氢气流凹槽，而且这偶数条凹槽平均分成两部分，每部分凹槽分别沿正方形流场板的两边分布；该多条导氢气流凹槽采用了流线型平行式且有多个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偶数条导空气流凹槽，而且这偶数条凹槽平均分成两部分，每部分凹槽分别沿正方形流场板的两边分布；该多条导空气流凹槽采用了流线型平行式且有多个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氢气的进气口到氢气的出气口的总长度基本相等。
5、根据权利要求3所述的燃料电池的流场板的结构，其特征在于，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、转折的个数比权利要求4中所述的导氢气流凹槽的转折个数少的导氢气流凹槽，这两条导氢气流凹槽位于氢气进气口的外侧，最后接于氢气的出气口的外侧；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、转折的个数比权利要求4中所述的导空气流凹槽的转折个数少的导空气流凹槽，这两条导空气流凹槽位于空气进气口的外侧，最后接于空气的出气口的外侧。
6、根据权利要求4、5所述的燃料电池的流场板的结构，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。
7、根据权利要求4、5所述的燃料电池的流场板结构，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4、5所述的燃料电池的流场板结构，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。
9、根据权利要求4、5所述的燃料电池的流场板结构，其特征在于，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。
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