CN1953256A - 一种流场板和包括该流场板的燃料电池堆 - Google Patents

一种流场板和包括该流场板的燃料电池堆 Download PDF

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Abstract

一种流场板和包括该流场板的燃料电池堆。其中，所述流场板包括位于流场板中心的中心孔(5)、位于靠近流场板边缘的两个位置上的流入孔(6)和流出孔(7)，且流场板的一面包括从中心孔(5)向四周发散的导流槽。本发明提供的流场板由于具有发散式的导流槽，而且导流槽的流程短，利于反应剂扩散，因此流场板上不存在“死区”部分，反应剂能够均匀地分布到流场板的任何一个部分，并且反应生成物，如水、氮气、CO2等也能够及时地排出，不会在流场板上富集，因此提高了反应剂的利用率以及燃料电池的性能。

Description

一种流场板和包括该流场板的燃料电池堆
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，更具体地说，涉及一种流场板和包括该流场板的燃料电池堆。
背景技术
燃料电池是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，它具有效率高，污染少和噪声低等特点。燃料电池可以只是一个单体燃料电池，也可以是由多个单体燃料电池构成的燃料电池组。
单体燃料电池一般包括质子交换膜1、阳极2、阴极3和导流极板4，如图1所示。
质子交换膜1是一种透水不透气的半透膜，它具有质子传导作用，还可以防止氧化剂和燃料发生混合爆炸。
阳极2是一种气体扩散电极，其支撑材料一般由导电的炭纤维或碳布组成。在阳极2和质子交换膜1之间为催化阳极反应的催化剂。该阳极催化剂一般为铂粉末、含铂的合金粉末、负载在载体上的铂或负载在载体上的含铂的合金粉末。所述含铂的合金含有铂和选自钌、锡、铱、锇、铼中的一种或几种。所述载体为具有较高的比表面且导电的载体，如活性炭。
阴极3也是一种气体扩散电极，其构成与阳极结构相同，差别在于阴极3与质子交换膜1之间的催化剂为催化阴极反应的催化剂。该阴极催化剂一般为铂粉末、负载在载体上的铂粉末。
阳极2和阴极3的外侧为导流极板4，导流极板4可以由石墨材料或金属材料制成。
在燃料电池中，一般用空气或氧气作为氧化剂，氢气或者甲醇、乙醇等用作燃料。例如，以甲醇为燃料，空气作为氧化剂，燃料电池在进行电化学反应时发生如下反应：
阳极    CH3OH+H2O→CO2+6H++6e    (1)
阴极    3/2O2+6H++6e→3H2O，     (2)
阳极和阴极导致如下的总反应发生：
CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O            (3)
阳极2和阴极3的上述电化学反应使阳极2和阴极3之间产生电位差，阳极2生成的电子通过阳极2外层的导流极板4和外部导电体，最后被阴极3捕获。阳极2生成的质子则透过质子交换膜1直接传递给阴极3，这样就形成了电流。单体燃料电池正常工作时的电压在0.3V～1.0V之间，为了获得更高的电压和功率，在实际应用中经常将上述的单体燃料电池串联起来组成电池堆的形式。
在燃料电池中，流场板的结构决定了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中的关键部件之一。然而，现有技术中使用的流场板上存在有“死区”(即“dead-end”部分)，不利于反应剂的扩散，容易造成反应剂分布不均匀；并且反应生成物，如水、氮气、CO2等也不能够及时排出，容易在流场板上富集。由于使电极各处均获得充足的反应剂并及时把反应生成物排出，是保证燃料电池正常运行的关键。因此如果反应剂在电极各处分布不均匀，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，进而影响电池寿命并降低电池性能。另外如果不能及时把反应生成水及时排出，随着反应的进行，阴极上累积的水将会导致：(1)催化剂周围的水使得反应剂难于接近催化剂，即出现所谓的“电极水淹”现象，直接影响电池性能；(2)增大了反应剂通过扩散层到达催化层的传质阻力，降低了电池的输出功率；(3)水的累积有时也会使得质子交换膜局部产生溶涨现象。
专利CN01124227.2中公开了一种燃料电池的流场板，如图2所示，虽然该流场板上设置有多个互相平行延伸的导流槽，以解决反应剂分布和反应生成物排出的问题，但是其效果却不尽如人意，问题依然存在。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够使反应剂非常均匀地分布且能够将反应生成物及时排出，从而有效解决反应剂扩散和反应生成物排出问题的流场板。本发明的另一个目的是提供一种包括该流场板的燃料电池堆。
本发明提供的流场板包括位于流场板中心的中心孔、位于靠近流场板边缘的两个位置上的流入孔和流出孔，且流场板的一面包括从中心孔向四周发散的导流槽。
本发明提供的燃料电池堆包括流场板，所述流场板为本发明所提供的流场板。
本发明提供的流场板由于具有发散式的导流槽，而且导流槽的流程短，有利于反应剂的扩散，因此流场板上不存在“死区”部分，反应剂能够均匀地分布到流场板的任何一个部分，并且反应生成物，如水、氮气、CO2等也能够及时地排出，不会在流场板上富集，因此提高了反应剂的利用率以及燃料电池的性能。
附图说明
图1为单体燃料电池电极结构示意图；
图2为专利CN01124227.2中所公开的流场板的结构示意图；
图3为本发明的流场板的结构示意图；
图4为本发明的流场板的结构示意图；
图5为本发明的流场板的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式，对本发明作进一步的说明。
本发明提供的流场板包括位于流场板中心的中心孔5、位于靠近流场板边缘的两个位置上的流入孔6和流出孔7，优选情况下，流入孔6和流出孔7的位置相对于中心孔5对称。流场板的一面包括从中心孔5向四周发散的导流槽。
其中，所述流场板可以采用石墨或金属材料，如钛、不锈钢、金、银或铜等导电性能良好的材料制成。流场板可以是各种形状，如圆形、椭圆形或多边形，优选为圆形、矩形或椭圆形。流场板上的中心孔5、流入孔6和流出孔7可以分别为各种形状，如圆形、椭圆形或多边形，优选为圆形、六边形或方形，且中心孔5、流入孔6和流出孔7的尺寸可以根据需要而定，只要能够满足氧化气或燃料的流通即可。
优选情况下，所述流场板上的流入口6和流出口7周围分别设置有密封垫圈8。密封垫圈8可以采用各种弹性材料，例如，可以选自渗透性熔胶塑料、橡胶、树脂、聚氨酯、聚酯、聚酰亚胺、泡沫材料中的一种或几种。
优选情况下，所述流场板上的导流槽为直线形或蛇形。其中，流场板上所有导流槽的槽底面积之和与整个流场板的面积之比在1/3-4/5之间，流场板上导流槽的深度与流场板的厚度之比在1/5-1/2之间。
按照本发明一个具体的实施方式，所述流场板为圆形。流场板的一面包括以直线形式从中心孔5向四周发散的导流槽，如图3所示。中心孔5、流入口6和流出口7均为圆形。流入口6和流出口7分别沿圆形流场板的直径分布于靠近流场板边缘的相对于中心孔5对称的两个位置上。其中，流场板上所有导流槽的槽底面积之和与整个流场板的面积之比为1/3，流场板上导流槽的深度与流场板的厚度之比为1/4。
按照本发明一个具体的实施方式，所述流场板为矩形。流场板的一面包括以直线形式从中心孔5向四周发散的导流槽，如图4所示。中心孔5、流入口6和流出口7均为圆形。流入口6和流出口7分别沿矩形流场板的对角线分布于靠近流场板边缘的相对于中心孔5对称的两个位置上。其中，流场板上所有导流槽的槽底面积之和与整个流场板的面积之比为3/5，流场板上导流槽的深度与流场板的厚度之比为1/2。
按照本发明一个具体的实施方式，所述流场板为椭圆形。流场板的一面包括以直线形式从中心孔5向四周发散的导流槽，如图5所示。中心孔5、流入口6和流出口7均为圆形。流入口6和流出口7分别沿椭圆形流场板的长轴分布于靠近流场板边缘的相对于中心孔5对称的两个位置上。其中，流场板上所有导流槽的槽底面积之和与整个流场板的面积之比为1/2，流场板上导流槽的深度与流场板的厚度之比为1/3。
按照本发明提供的燃料电池堆，除了包括本发明所提供的流场板之外，还包括燃料电池堆的其它必要组件，这些必要组件以及各组件之间的装配关系为本领域技术人员所公知，在此不再赘述。
当在燃料电池堆中将所述流场板用作氧化气扩散流道面时，中心孔5用于氧化气的流通，当通入氧化气时，氧化气将通过流场板上形成的从中心孔5向四周发散的直线形或蛇形的导流槽扩散到流道面的每一个部分，并且由于在燃料电池堆中各个组件上的中心孔是相互贯通的，因此氧化气能够均匀分布到燃料电池堆中的任意区域，以及时补充燃料电池反应所需的新鲜氧化气，并且可以将反应的产物以及未反应物带出燃料电池堆，从而不会发生流道堵水以及氮气富集的现象。同时，流入口6和流出口7分别用于燃料的流入和流出，由于流入口6和流出口7的周围分别设置有密封垫圈8，因此可以防止燃料向氧化气极泄漏。
当在燃料电池堆中将所述流场板用作燃料扩散流道面时，中心孔5用于燃料的流通，当通入燃料时，燃料将通过流场板上形成的从中心孔5向四周发散的直线形或蛇形的导流槽扩散到流道面的每一个部分，并且由于在燃料电池堆中各个组件上的中心孔是相互贯通的，因此燃料能够均匀分布到燃料电池堆中的任意区域，以及时补充燃料电池反应所需的新鲜燃料，并且可以将反应的产物以及未反应物带出燃料电池堆，从而不会发生反应产物CO2在流道上富集的现象。同时，流入口6和流出口7分别用于氧化气的流入和流出，由于流入口6和流出口7的周围分别设置有密封垫圈8，因此可以防止氧化气向燃料极泄漏。

Claims (8)

1.一种流场板，其特征在于，所述流场板包括位于流场板中心的中心孔(5)、位于靠近流场板边缘的两个位置上的流入孔(6)和流出孔(7)，且流场板的一面包括从中心孔(5)向四周发散的导流槽。
2.根据权利要求1所述的流场板，其中，所述流场板为圆形、矩形或椭圆形。
3.根据权利要求1所述的流场板，其中，所述流入孔(6)和流出孔(7)的位置相对于中心孔(5)对称。
4.根据权利要求1所述的流场板，其中，所述导流槽为直线形或蛇形。
5.根据权利要求1所述的流场板，其中，所述流场板上所有导流槽的槽底面积之和与整个流场板的面积之比在1/3-4/5之间。
6.根据权利要求1所述的流场板，其中，所述流场板上导流槽的深度与流场板的厚度之比在1/5-1/2之间。
7.根据权利要求1所述的流场板，其中，所述流场板上的流入口(6)和流出口(7)周围分别设置有密封垫圈(8)。
8.一种燃料电池堆，其特征在于，该燃料电池堆包括如权利要求1-7中任意一项所述的流场板。
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