CN1851965A - 燃料电池的流场板 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池的流场板，该流场板包括阴极流场板、阳极流场板，在阴极流场板和阳极流场板上分别有导流槽、气体入口和气体出口，该导流槽一侧与气体入口相通，另一侧与气体出口相通。其中，阴极流场板和/或阳极流场板上靠近气体入口侧的导流槽截面积大于靠近气体出口侧的导流槽截面积。本发明所提供的流场板通过增大靠近气体入口端的导流槽的截面积，有效地缓解了质子交换膜的失水，提高了燃料电池的发电性能；同时通过减小靠近气体出口端的导流槽的截面积，提高了导流槽的排水能力，有效地防止了导流槽的积水现象，从而提高了燃料电池工作的稳定性和可靠性。

Description

燃料电池的流场板
技术领域
本发明属于燃料电池领域，涉及一种燃料电池的流场板，特别涉及一种质子交换膜燃料电池的流场板。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种高效、环保的能源转换装置，它具有功率密度高、常温启动快、无电解液流失等优点，非常适用于电动车辆电源、移动电源和小型分散式发电系统。它以质子交换膜作为电解质，以纯氢气或富氢气体(一般指碳氢化合物通过重整反应生成的富含氢气的混合气体，含一定量的CO2和CO)作燃料，以空气或纯氧气作氧化剂，反应产物为水。该电池的化学反应如下：
阳极：
阴极：
总反应：
质子交换膜燃料电池主要包括膜电极和流场板。如图1所示，膜电极包括质子交换膜3、阴极气体扩散层4、阳极气体扩散层5、阴极催化剂6和阳极催化剂7，流场板包括阴极流场板1和阳极流场板2。膜电极是电池反应发生的场所，而流场板则用于为电池反应提供反应气体和反应产物进出的通道，并把反应产生的电能传输出去。
阴极流场板1和阳极流场板2的面向膜电极的一侧分别雕刻有导流槽8，即流场，它的作用是分配反应气体，并将反应生成的水和尾气排放出去。一般情况下，由于阳极流场板2上的气流量小于阴极流场板1上的气流量，且尾气的含水量也低于后者，故阳极流场板2上并行的导流槽条数少于阴极流场板1。通常在燃料电池气流量一定的条件下，导流槽并行的条数和截面积的大小直接决定着反应气体的流速和流动状态，影响着反应气体和产物水在膜电极内部的扩散速度和质子交换膜内的水平衡，因此其对燃料电池的性能有着很大的影响。
众所周知，质子交换膜传导质子的过程必须有水存在，这些水或者由燃料电池内部反应生成，或者通过从外部对反应气体进行增湿而带来。如果质子交换膜过干会导致质子传导困难，从而使得电池性能变差甚至不发电；相反的，如果质子交换膜上的水过多，将导致阴极流场板上的导流槽积水严重，影响反应气体的正常流动，同时影响电池的性能。因此，保持质子交换膜适当的润湿对燃料电池十分重要。
然而，现有的燃料电池中的流场板上的导流槽存在着其前段(即接近气体入口处的占导流槽总面积的10％-50％的前部区域，下同)处的质子交换膜过干，质子传导困难，而后段(即接近气体出口处的占导流槽总面积的10％-50％的后部区域，下同)处的水过多，容易出现积水现象的缺点，使得导流槽前段区域的发电性能变差，而后段区域则出现大量的液态水，影响了反应气体的正常通过，从而使得燃料电池的发电性能以及稳定性、可靠性变差。
发明内容
本发明的目的是克服现有燃料电池中，流场板上的导流槽前段质子传导困难、后段容易出现积水现象的缺点，提供一种导流槽前段质子传导容易、后段不容易出现积水现象的燃料电池的流场板。
本发明的发明人通过研究发现，现有的流场板上的导流槽通常为分布均匀的单条流道或并行的多条流道，且导流槽前段和后段中的流道数目、宽度以及深度均相同。而反应气体在进入导流槽之前一般湿度较小，即使是经过预增湿的反应气体在进入导流槽前，其相对湿度也不会达到饱和，否则将导致出口处的水量过多，极易造成水淹，因此靠近气体入口端的导流槽的前段较干燥，使得该段附近的质子交换膜较干燥，质子传导困难，从而该区域的发电性能比较差；在靠近气体出口端的导流槽的后段，由于前面区域的反应生成水以及外加增湿水的积累效应，造成反应气体的含水量较大，同时如果反应气体预增湿较充分或者气流量较小，则导流槽后段内将出现大量的液态水，很可能出现积水现象，影响反应气体的正常通过，从而使燃料电池的发电性能以及稳定性、可靠性变差。
因此本发明提供了一种燃料电池的流场板，该流场板包括阴极流场板1和阳极流场板2，在阴极流场板1和阳极流场板2上分别有导流槽8、气体入口9、气体出口10和板脊11，且导流槽8的一端与气体入口9相通，另一端与气体出口10相通。其中，阴极流场板1和/或阳极流场板2上靠近气体入口端的导流槽的截面积大于靠近气体出口端的导流槽的截面积。
本发明所提供的流场板通过增大靠近气体入口端的导流槽的截面积，使得反应气体的流速不至于过快，在不改变反应气体增湿条件的前提下，有效地缓解了质子交换膜的失水，提高了燃料电池的发电性能；同时通过减小靠近气体出口端的导流槽的截面积，使得反应气体的流速增大，提高了导流槽的排水能力，有效地防止了导流槽的积水现象，从而提高了燃料电池工作的稳定性和可靠性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细说明，其中：
图1是现有技术中单体燃料电池的结构示意图；
图2是本发明实施例1提供的改变导流槽宽度的流场板的结构示意图；
图3是本发明实施例2提供的改变导流槽深度的流场板的结构示意图；
图4是本发明实施例3提供的阴极流场板1的结构示意图；
图5是本发明实施例3提供的阳极流场板2的结构示意图。
具体实施方式
如图2和3所示，本发明所提供的燃料电池的阴极流场板1和阳极流场板2分别形成有导流槽8、气体入口9、气体出口10和板脊11，且导流槽8的一端与气体入口9相通，另一端与气体出口10相通。
其中，流场板可以采用各种材料，如石墨或耐蚀金属制成，所述耐蚀金属，例如，可以选自不锈钢、镍、钛或金。导流槽8可以制成各种形状，如蛇形或梳形，且导流槽8的截面形状可以为各种形状，如矩形或梯形等。
本发明所提供的燃料电池的流场板中，阴极流场板1和/或阳极流场板2上靠近气体入口端的导流槽的截面积大于靠近气体出口端的导流槽的截面积。
其中，所述阴极流场板1上的导流槽从气体入口端到气体出口端的截面积的减小可以通过线性和非线性两种方式来实现。
线性方式是使从靠近气体入口端的导流槽到靠近气体出口端的导流槽的截面积呈线性地逐步减小。
非线性方式是使从靠近气体入口端的导流槽到靠近气体出口端的导流槽的截面积呈非线性地逐步减小。也就是说，将阴极流场板1上的导流槽分为前段、中段(即占导流槽总面积的10％-50％的中间区域，下同)和后段；导流槽前段的截面积等于导流槽中段的截面积，导流槽中段的截面积大于导流槽后段的截面积；或者导流槽前段的截面积大于导流槽中段的截面积，导流槽中段的截面积大于或等于导流槽后段的截面积。这种非线性的方式可通过分别或同时改变导流槽中的流道条数、导流槽宽度或深度，从而改变导流槽的截面积来实现，主要包括以下几种方法：
一种是所述阴极流场板1上的导流槽包括单条流道或并行的多条流道，导流槽前段、中段、后段包括的流道条数相等，导流槽前段的流道深度和/或宽度大于导流槽中段的流道深度和/或宽度，导流槽中段的流道深度和/或宽度大于或等于导流槽后段的流道深度和/或宽度。
一种是所述阴极流场板1上的导流槽包括单条流道或并行的多条流道，导流槽前段、中段、后段包括的流道条数相等，导流槽前段的流道深度和/或宽度等于导流槽中段的流道深度和/或宽度，导流槽中段的流道深度和/或宽度大于导流槽后段的流道深度和/或宽度。
一种是所述阴极流场板1上的导流槽包括并行的多条流道，导流槽前段的流道条数大于导流槽中段的流道条数，导流槽中段的流道条数大于或等于导流槽后段的流道条数。
一种是所述阴极流场板1上的导流槽包括并行的多条流道，导流槽前段的流道条数等于导流槽中段的流道条数，导流槽中段的流道条数大于导流槽后段的流道条数。
一种是所述阴极流场板1上的导流槽包括并行的多条流道，导流槽前段的流道条数大于导流槽中段的流道条数，导流槽中段的流道条数大于或等于导流槽后段的流道条数，同时，导流槽前段的流道深度和/或宽度大于导流槽中段的流道深度和/或宽度，导流槽中段的流道深度和/或宽度大于或等于导流槽后段的流道深度和/或宽度。
一种是所述阴极流场板1上的导流槽包括并行的多条流道，导流槽前段的流道条数等于导流槽中段的流道条数，导流槽中段的流道条数大于导流槽后段的流道条数，同时，导流槽前段的流道深度和/或宽度等于导流槽中段的流道深度和/或宽度，导流槽中段的流道深度和/或宽度大于导流槽后段的流道深度和/或宽度。
在以上几种实施方式中，导流槽前段的流道宽度，中段的流道宽度和后段的流道宽度的比值为1∶(0.4-1.0)∶(0.2-0.5)；导流槽前段的流道深度，中段的流道深度和后段的流道深度的比值为1∶(0.5-1.0)∶(0.25-0.50)。
其中，流道宽度H的范围为0.2-6.0毫米，优选为1.2-2.4毫米，深度W范围为0.1-3.0毫米，优选为0.3-1.0毫米，导流槽并行的流道条数范围为3-100条，优选为4-10条。
优选的，阴极流场板1上的导流槽的前段为2-10条并行的流道，中段为1-4条并行的流道，后段为1-2条流道。
本发明所提供的另一优选方案是在改变阴极流场板1上的导流槽截面积的同时，改变阳极流场板2上的导流槽截面积，即将阳极流场板2分为前段、中段和后段，导流槽包括并行的多条流道，导流槽前段的流道条数大于导流槽中段的流道条数，导流槽中段的流道条数大于或等于导流槽后段的流道条数。优选的，阳极流场板2上的导流槽前段为2-4条并行的流道，中段和后段分别为1-3条流道。
采用本发明的燃料电池的流场板，燃料气体在阳极流场板上的气体入口处进入导流槽，由于此处导流槽的截面积较大，燃料气体的流速不快，质子很容易地通过质子交换膜到达阴极流场板；随着燃料气体与氧化气体反应生成水的逐渐增多，在阴极流场板上靠近气体出口处生成的水最多，而此处导流槽的截面积较小，气体流速较快，因此能够带走更多的水分，使得流道畅通，不会发生积水现象。
下面的实例将对本发明做进一步说明。
实施例1
本实施例提供了一种导流槽条数和深度不变而导流槽宽度改变的燃料电池流场板。该流场板上导流槽的宽度是线性变化的。
采用石墨材料制成如图2所示的阴极流场板1和阳极流场板2，且流场板上有气体入口9和气体出口10，流场板的长、宽、厚度分别为120毫米、80毫米、1.5毫米。
本实施例中，流场板上的导流槽8采用单条导流槽，导流槽8呈梳形。导流槽8的宽度从气体入口9到气体出口10逐渐减小，气体入口侧的第一条导流槽宽度为3毫米，第二条为2.9毫米，第三条为2.8毫米……，宽度依次递减0.1毫米，靠近气体出口侧的导流槽宽度最窄，为1.1毫米，而导流槽深度保持0.6毫米不变，板脊11厚度保持1毫米不变。
实施例2
本实施例提供了一种导流槽条数和宽度不变而导流槽深度改变的燃料电池流场板。该流场板上导流槽的深度是线性变化的。
采用石墨材料制成如图3所示的阴极流场板1和阳极流场板2，且流场板上有气体入口9和气体出口10，流场板的长、宽、厚度分别为60毫米、60毫米、2.5毫米。
本实施例中，流场板上的导流槽8采用单条导流槽，导流槽8的宽度为2毫米不变，板脊11的厚度为1毫米不变，导流槽8的深度从气体入口9到气体出口10逐渐减小，气体入口侧的导流槽深度为1.5毫米，气体出口侧的导流槽深度为0.3毫米，其中深度的变化梯度为从气体入口侧到气体出口侧以-1.63毫米/米递减。
实施例3
本实施例提供了一种导流槽宽度和深度不变而导流槽条数改变的燃料电池流场板。该流场板上导流槽截面积的改变是通过非线性方式实现的。
制作如图4所示的燃料电池的阴极流场板1，其中阴极流场板1中的导流槽前段(即接近气体入口处的占导流槽总面积的三分之一的前部区域，下同)为4条并行的流道，导流槽中段(即占导流槽总面积的三分之一的中间区域，下同)收缩为2条流道，导流槽后段(即接近气体出口处的占导流槽总面积的三分之一的后部区域，下同)收缩为1条流道，且导流槽前段、中段、后段中流道的宽度均为2毫米，深度均为0.8毫米，流道之间的板脊11的厚度均为1.5毫米，除了上述尺寸之外，阴极流场板1的其他特征均与实施例1相同。
制作如图5所示的燃料电池的阳极流场板2，其中阳极流场板2中的导流槽前段为2条并行的流道，导流槽中段收缩为1条流道，由于阳极流场板2在气体反应过程中不生成水，且反应气体流量较小，因此导流槽后段不再收缩仍为1条流道，且导流槽前段、中段、后段中流道的宽度均为2毫米，深度均为0.6毫米，流道之间的板脊11的厚度均为1.5毫米，除了上述尺寸之外，阳极流场板2的其他特征均与实施例1相同。

Claims (12)

1、一种燃料电池的流场板，该流场板包括阴极流场板、阳极流场板，且在阴极流场板和阳极流场板上分别有导流槽、气体入口和气体出口，所述导流槽的一侧与所述气体入口相通，所述导流槽的另一侧与所述气体出口相通，其特征在于，所述阴极流场板和/或阳极流场板上靠近气体入口侧的所述导流槽的截面积大于靠近气体出口侧的所述导流槽的截面积。
2、根据权利要求1所述的燃料电池的流场板，其特征在于，所述阴极流场板上从靠近气体入口侧到靠近气体出口侧的所述导流槽的截面积呈线性或非线性地逐步减小。
3、根据权利要求2所述的燃料电池的流场板，其特征在于，所述阴极流场板上的所述导流槽分为前段、中段、后段；且该导流槽前段的截面积等于其中段的截面积，该导流槽中段的截面积大于其后段的截面积；或者该导流槽前段的截面积大于其中段的截面积，该导流槽中段的截面积大于或等于其后段的截面积。
4、根据权利要求3所述的燃料电池的流场板，其特征在于，所述阴极流场板上的导流槽包括单条流道或并行的多条流道，该导流槽前段、中段、后段所包括的流道条数相等；该导流槽前段的流道深度和/或宽度大于其中段的流道深度和/或宽度，该导流槽中段的流道深度和/或宽度大于或等于其后段的流道深度和/或宽度；或者该导流槽前段的流道深度和/或宽度等于其中段的流道深度和/或宽度，该导流槽中段的流道深度和/或宽度大于其后段的流道深度和/或宽度。
5、根据权利要求3所述的燃料电池的流场板，其特征在于，所述阴极流场板上的导流槽包括并行的多条流道，该导流槽前段的流道条数大于其中段的流道条数，该导流槽中段的流道条数大于或等于其后段的流道条数；或者该导流槽前段的流道条数等于其中段的流道条数，该导流槽中段的流道条数大于其后段的流道条数。
6.根据权利要求5所述的燃料电池的流场板，其特征在于，所述导流槽前段的流道宽度和/或深度大于其中段的流道宽度和/或深度，所述导流槽中段的流道宽度和/或深度大于或等于其后段的流道宽度和/或深度；或者所述导流槽前段的流道宽度和/或深度等于其中段的流道宽度和/或深度，所述导流槽中段的流道宽度和/或深度大于其后段的流道宽度和/或深度。
7、根据权利要求4-6中任意一项所述的燃料电池的流场板，其特征在于，所述阴极流场板上的导流槽的前段为2-20条并行的流道，其中段为1-20条并行的流道，其后段为1-10条流道。
8、根据权利要求4-6中任意一项所述的燃料电池的流场板，其特征在于，所述导流槽前段的流道宽度，中段的流道宽度和后段的流道宽度的比值为1∶(0.4-1.0)∶(0.2-0.5)；所述导流槽前段的流道深度，中段的流道深度和后段的流道深度的比值为1∶(0.5-1.0)∶(0.25-0.50)。
9、根据权利要求1所述的燃料电池的流场板，其特征在于，所述阳极流场板上的导流槽分为前段、中段、后段；该导流槽包括并行的多条流道，该导流槽前段的流道条数大于其中段的流道条数，该导流槽中段的流道条数大于或等于其后段的流道条数。
10、根据权利要求9所述的燃料电池的流场板，其特征在于，所述阳极流场板上的导流槽的前段为2-10条并行的流道，其中段和后段分别为1-5条流道。
11、根据权利要求1-6和9-10中任意一项所述的燃料电池的流场板，其特征在于，所述导流槽的截面形状为矩形或梯形。
12、根据权利要求1-6和9-10中任意一项所述的燃料电池的流场板，其特征在于，所述导流槽为蛇形或梳形。
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