CN1812173A - 自排水型燃料电池导流极板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自排水型燃料电池导流极板，它包括极板本体，在极板本体上设有第一流体流道和第二流体流道，所述第一流体流道和第二流体流道分别具有进口和出口，第一流体流道和第二流体流道之间通过导流槽相互连通。在工作过程中，因两个流体流道中的流速不同，通过导流槽将反应生成的水从其中一个流体流道汲取到另一个流体流道，以有利于此流体流道或另一流体流道中水的移除。根据流场内所处位置的不同，导流槽有利于保持理想的压力分布以及反应气流在各流体流道的流动一这些都有利于推动流体流道内剩余水的流动，并且当氧化剂为空气中的氧气时，还有利于防止局部氧气损耗现象的发生。

Description

自排水型燃料电池导流极板

一、技术领域

本发明涉及一种燃料电池，具体的说是一种燃料电池中使用的燃料电池导流极板。

二、背景技术

质子交换膜燃料电池堆是一种通过燃料和氧化剂的电化学反应产生电能的装置。该装置的核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，由两张多孔性的气体扩散层和夹在中间的一片质子交换膜组成。在质子交换膜与气体扩散层(如碳纸)的界面上附着有电化学催化剂。

质子交换膜燃料电池堆的另一重要部件是导流极板。两面均与膜电极相连的导流极板，阳极和阴极反应分别在两侧同时发生，称为双极板。一面紧靠电流集电器的导流极板，只有另一面与膜电极相连，反应只在一侧发生，称为单极板。双极板或单极板上含有可供气体(如氢气或空气)流通的通道和冷却剂(如空气或水)流通的流体流道。

在氢燃料电池中，当氢气由燃料电池堆的氢气入口进入双极板或单极板的氢气流体流道后，透过多孔性的气体扩散层(如碳纸)到达催化剂的表面。在催化剂的作用下，氢气发生电化学反应，氢原子失去电子成为正离子(质子)。电子通过多孔性的气体扩散层(如碳纸)和双极板或单极板到达用电器，再通过双极板或单极板及多孔性的气体扩散层(如碳纸)到达膜电极另一侧的催化剂表面。在催化剂的作用下，电子与透过多孔性的气体扩散层(如碳纸)到达催化剂表面的氧化剂(如氧气)和通过质子交换膜到达催化剂表面的质子发生电化学反应，生成反应产物(如水)。在氢燃料电池中发生的电化学反应可用以下的反应方程式来表示：

阳极反应：

阴极反应：

由两块导流极板中间夹持一片膜电极构成燃料电池的一个单电池。单电池在反应中可提供的电压低于1.0V。为了提高燃料电池堆的输出功率，多于一片的单电池以串联的方式被组装在一个电堆中，燃料电池堆的输出电压是燃料电池堆中所有单电池电压的总和。

燃料电池理想的工作条件是，提供给每个膜电极恰当的并且连续不断的燃料或氧化剂。在工作过程中，质子交换膜必须用水饱和，以满足它充分的产电性能，并使其电阻率降到最低。燃料电池的反应产物是水，由于正常的扩散，质子交换膜中的离子携带的水分子的运动占据主流，水趋于向膜电极的阴极一侧聚集。随着电流密度的增加，在一定膜电极面积上产生的水的量也增加。不论是为了满足反应气体的流通还是为了质子交换膜中水份的饱和，都需要对水进行恰当的管理，也就是说当水含量较多，并开始阻止反应气体稳定的穿过气体扩散层时，要将过多的水份去除，而当质子交换膜中的水份不饱和时，又要能提供足够的水份。

现有的燃料电池，导流极板上流体流道的结构分为单反应气体流体流道弯曲流场、多反应气体流体流道弯曲流场、多反应气体流体流道平行流场。工作中，反应气体和反应产物—水沿着极板上的流体流道流动，极板流体流道的设计会影响反应气体的分布，以及极板和膜电极之间的电接触和氧气的消耗。反应气体进入燃料电池堆前要将其润湿，如果不将反应气体润湿，一旦它被加热到操作温度时，它的相对湿度会较低，但当反应气体沿着流体流道向下运动时，其相对湿度可能会升高到饱和点，过剩的水一般会聚集或凝结在极板的导流槽和气体扩散层的微孔内，这样的情况被称作满溢，满溢阻止反应气体通过气体扩散层，降低燃料电池的性能。当流体流道被水完全阻塞，燃料电池受到影响的局部活性面积上的电化学反应将严重减弱或停止，而转向的反应气体也会让其他流体流道的流动条件变坏，更多的流体流道会被一个接一个的阻塞。当水继续在流体流道中积累时，燃料电池总体的性能就会随其有效的活性面积的减少而显著的降低，以上三种流体流道的结构都没有很好的解决这一问题。

三、发明内容

1、发明目的：本发明的目的是提供一种自排水型燃料电池导流极板，其使得从流场的流体流道中去除过剩的水这一问题变得简便。

2、技术方案：本发明一种自排水型燃料电池导流极板，它包括极板本体，在极板本体上设有第一流体流道和第二流体流道，所述第一流体流道和第二流体流道分别具有进口和出口，其特征是：第一流体流道和第二流体流道之间通过导流槽相互连通。

当水在某一流体流道区域内聚集从而部分或全部阻塞(下称该现象为流体流道阻塞区)了流体流道后，和没有被阻塞的或只有被部分阻塞的流体流道区域(下称该现象为流体流道未阻塞区)相比，反应气体在流体流道中的流动速度会降低。当用导流槽连接流体流道阻塞区和流体流道未阻塞区时，流体流道阻塞区导流槽末端开口处的附近，和流体流道未阻塞区导流槽末端开口处的附近气体的流速不同，导致两个导流槽末端开口处附近的压力不同。流速相对低的区域处(流体流道阻塞区)的导流槽末端附近的压力要高于流速相对高的区域处(流体流道未阻塞区)的导流槽末端附近的压力。一般来说，相对流速高的导流槽末端开口附近的压力要小于阻塞部分的压力。当用导流槽连接流体流道阻塞区和流体流道未阻塞区时，阻塞区流体流道中气体的压力高于未阻塞区流体流道中气体的压力，在压力差的作用下，阻塞区流体流道中聚集的水分从导流槽中流到非阻塞区的流体流道中，被反应气体排出燃料电池堆。根据导流槽末端开口处的位置和一般的流场形式，导流槽可以将水传输到膜电极组件过于干燥的流体流道区域内。

想要有效的去除水，所需要的流场中导流槽的位置和数目取决于很多不同的因素。例如，在空冷型燃料电池中，靠近流体流道入口处的流体流道区域完全可能将由反应物产生的水冷却凝聚，特别是，如果润湿的反应物气体，可以在流体流道区域的上升流中产生意象不到的水的聚集。所以在气体冷却燃料电池中，就可能需要在流体流道入口附近安置一个导流槽。然而，一般情况下，满溢通常发生在流体流道下降流的部分，所以一般建议将导流槽安置在靠近流体流道出口的地方而不是入口，而且一般位于流体流道下降流的三分之一处。导流槽连接流体流道的方法可以有很多种，例如，沿着两个相邻的流体流道，较多的导流槽可以被隔开，或者导流槽还可以被用来连接很多其他区域的流体流道。沿流体流道所需的导流槽数目以及合适的导流槽位置很大程度上取决于燃料电池的操作电流密度(决定生成产水的量)，燃料和氧化剂的流速，压力及湿度，流体流道的横截面积，流体流道的数目，流体流道壁表面的光滑度。导流槽的数目和位置可以通过压力降的计算或CFD模拟(一定的大小的流体流道和导流槽以及燃料电池测试)来决定。

一个或多个连接流体流道的导流槽可以有效的减少该区域内的满溢，并且提高燃料电池的性能。一般对多流体流道流场而言，当一个流体流道被阻塞，从而阻碍反应气体的流动时，反应气体会转而流向另一个或多个未阻塞的流体流道，从而增加了未阻塞流体流道内的气体流量。由于流量的变化能引起压力差的变化，所以未阻塞流体流道内流量的增加，会使阻塞流体流道导流槽末端开口处附近和未阻塞流体流道导流槽末端开口处附近之间的压力差增加，所以，由于被阻塞流体流道中气体流动的受阻，动态地增加了连接两流体流道的导流槽的水驱动效应。这样，流场中连接两流体流道区域的导流槽能自动的去除累积的水从而减少本区域内的满溢。

流场中连接流体流道的导流槽也可能减缓流体流道中水堵塞的形成，因为当有导流槽连接的流体流道区域内的流速不完全相同时，导流槽可以使得该区域的反应物气体的压力达到平衡。根据导流槽的数目以及导流槽末端开口处的位置，这样的压力平衡能保证流场内流体流道在流场的关键位置有足够的压力，以及沿着整个流体流道的长度有足够多的压力降。因此，由导流槽产生的压力平衡有助于沿每一流体流道维持反应物气体所需的流量，而且如果氧化剂是含氧气的空气的话，它还能防止本区域内氧气的损耗。

为了获得所需的水驱动效果以及避免不期望的反应物气体通过捷径流体流道的分流，导流槽最小处的横截面积最好小于靠导流槽末端开口处流体流道的横截面积。而且每一导流槽在导流槽末端开口处的横截面积最好小于其流体流道的横截面积。合适的流体流道和导流槽的相对横截面积，取决于很多因素，其中包括流场的形式，导流槽的长度，以及操作的流速。

增加导流槽末端开口处附近反应物气体流速(即降低压力的)的方法与导流槽末端的开口有关。更好的方法是，将流体流道变为文丘里管或锥形的形状，将导流槽末端开口处置于文丘里管最窄的部位(其咽喉处)或附近。当用导流槽连接的两个流体流道区域内的流量不完全相同时，导流槽末端开口处的文丘里管会使每一个文丘里管内流速增加，从而通过略微的流量平衡在每一个导流槽末端减少压力，这样不会通过导流槽在流体流道之间产生任何的流动。当一个流体流道区域内的流速，由于其中一个流体流道水的阻塞比其他流体流道区域低时，在高流速流体流道区域内由于文丘里管引起的流速的增加以及压力降，增加了从流速低的流体流道区域驱动水的能力。文丘里管引起的通过导流槽的水传输的增加，在低流速流体流道区流速接近零时的效果非常显著。然而文丘里管引起的流速的增加(压力降低)与文丘里管内上升流的流速成正比。所以每一个导流槽末端开口处的文丘里管，能放大用导流槽连接的两流体流道之间的流速差(或压力差)。而且导流槽/文丘里管这样的组合，对阻塞导致的流速减小要比只有导流槽时敏感。文丘里管的引入会增加流场板生产成本，所以必须在增加成本和通过引入文丘里管从而提高燃料电池的性能两者之间权衡，这主要取决于燃料电池的流场形式。

导流槽中的液体进出导流槽的流动；流体流道壁的阻断处也就是导流槽的末端开口处；文丘里管能提高反应物气体的流动机制，特别是氧化性气体——这些结构和操作特点都是为了破坏空气的层流，从而产生混和气流，有助于防止空气/膜电极组件界面处氧气的损耗。

3、有益效果：通过在流场内流体流道之间引入一个(一般为多个)导流槽的提高了燃料电池的电化学反应性能。导流槽/文丘里管组合的使用不仅仅局限于质子交换膜燃料电池，而且反应物也不局限于气体，被任何阻塞物质阻塞的流体流道都可以通过导流槽/文丘里管组合来阻止或去除。

四、附图说明：

图1表示的是该发明一个示意图，它是一个带有导流槽/文丘里管组合的两流场流体流道的局部区域；

图2表示的是图一中排除流体流道中水的示意图；

图3表示的是一个多平行流体流道流场，并且每一对流体流道出口处都有图1中的导流槽/文丘里管组合。

图4表示的是一个在流体流道出口处带有导流槽/文丘里管组合的双流体流道弯曲流场；

图5表示的是在流体流道出口处、以及流体流道进口和出口之间都带有导流槽/文丘里管组合的双流体流道弯曲流场。

五、具体实施方式：

如图1所示的是一个带有导流槽/文丘里管组合12的两流场流体流道区域的部分。第一流体流道10是流场板表面上一个纵向延伸的凹面，它和地带14相连。导流槽16将流体流道10和第二流体流道11相连。导流槽16是一个在每一个末端都带有导流槽末端开口的凹面。每一个流体流道带有一个文丘里管20，成为流体流道10的锥形构建部分。每一个导流槽末端开口18位于相应的文丘里管的咽喉处22或最窄的部分。

使用时，地带14和电极板邻接以将流体流道逐一密封起来，当然除了导流槽16提供的流体流动的地方。由导流槽16和膜电极表面形成的流体通道的横截面积小于由每一个流体流道和膜电极表面形成的横截面积，不管是在流体流道尺寸最宽的地方还是文丘里管最窄处22。流体流道、导流槽16以及文丘里管20合适的相对横截面积取决于很多因素，包括流场的形式、导流槽16的长度、操作流速等。

如图1所示，使用时，当第一流体流道10和第二流体流道11没有被阻塞，反应物气体通过两个流体流道的流速基本相同，如图1中粗箭头所示，所以只有很少或没有压力差存在于导流槽末端开口处18，这样也就很少或没有流体通过导流槽16在两流体流道之间流动。

如图2所示，当第一流体流道10的由于水26的集聚而被阻塞，被阻塞的第一流体流道10的导流槽16末端开口处18附近反应气体的流速将小于未被阻塞的第二流体流道11的导流槽末端开口处18附近的流速。两个导流槽末端开口处18的流速差将会被文丘里管20放大。根据流体流道入口和反应物气体供气的配置的不同，流速差也可能会在流体流道入口处(图1和2中没有表示出来)，由被阻塞第一流体流道10处向未被阻塞第二流体流道11处的气体的转移而放大。

导流槽末端开口处18之间的流速差会引起压力差异，这样便会使得被阻塞的第一流体流道10中的水26，在压力的驱动下通过导流槽16流向未被阻塞的第二流体流道11。通过这样的途径，聚集的水26就会经过转移而去除，第一流体流道10中的反应气体流速就可以还原到原来的状态了。

导流槽/文丘里管组合12可用在各种不同的流场上。例如，如图3所示导流槽/文丘里管组合可以用在多平行流体流道流场30，该多平行流体流道流场30上具有具有第一流体流道10和第二流体流道11，第一流体流道10和第二流体流道11分别具有进口34和出口32。正如图3表示的一样，导流槽/文丘里管组合可以置于流体流道出口32的附近。

图4表示的是导流槽/文丘里管组合12用于双流体流道弯曲流场36的例子。如图5所示的那样双流体流道弯曲流场36中的每一对流体流道都由多于一个的导流槽/文丘里管组合12。

Claims (5)

1、一种自排水型燃料电池导流极板，它包括极板本体(1)，在极板本体(1)上设有第一流体流道(10)和第二流体流道(11)，所述第一流体流道(10)和第二流体流道(11)分别具有进口(34)和出口(32)，其特征是：第一流体流道(10)和第二流体流道(11)之间通过导流槽(16)相互连通。

2、根据权利要求1所述的自排水型燃料电池导流极板，其特征是：所述导流槽(16)设在第一流体流道(10)和第二流体流道(11)的出口(32)处。

3、根据权利要求1所述的自排水型燃料电池导流极板，其特征是：导流槽(16)的最小横截面积小于靠近导流槽(16)处的流体流道的最小横截面积。

4、根据权利要求1所述的自排水型燃料电池导流极板，其特征是：在第一流体流道(10)和第二流体流道(11)中与导流槽(16)两侧开口相应的位置设有文丘里管(20)。

5、根据权利要求4所述的自排水型燃料电池导流极板，其特征是：导流槽(16)开口位于相应的文丘里管(20)最窄部分的附近。

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