CN201256165Y - 一种流场板及半透膜组件结构 - Google Patents

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CN201256165Y CNU2007200750018U CN200720075001U CN201256165Y CN 201256165 Y CN201256165 Y CN 201256165Y CN U2007200750018 U CNU2007200750018 U CN U2007200750018U CN 200720075001 U CN200720075001 U CN 200720075001U CN 201256165 Y CN201256165 Y CN 201256165Y
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张新荣
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Abstract

本实用新型公开了一种流场板结构及半透膜组件，可适用于燃料电池、水电解器及一体式再生燃料电池。流场板由板框和中间多孔导电板组合而成，一侧与燃料电池或水电解器的膜电极接触，一侧与半透膜组件接触。水透过半透膜组件迁移至膜电极一侧参与电池反应。半透膜组件由半透膜、保护边框、多孔支撑板压合而成。使用本实用新型结构，燃料电池可实现反应气体内增湿；而水电解器可无需水泵即可实现注水。

Description

一种流场板及半透膜组件结构
技术领域
本实用新型涉及燃料电池、水电解器以及一体式再生燃料电池的流场板及半透膜组件的组合结构。
背景技术
流场板是质子交换膜燃料电池、水电解器以及一体式再生燃料电池结构中重要组成部分，主要起到集流导电、分散反应介质、支撑膜电极等多种功能。
在质子交换膜燃料电池中，通常是先将反应气体预先经过增湿后再通入到膜电极处进行电池反应，增湿水分可维持质子交换膜适当的湿润程度。如果未经增湿的反应气体直接通入到膜电极处进行电池反应会造成质子膜失水、干涸，导致电池性能下降。
在水电解器中，通常反应水直接注入到电解器膜电极的氧电极或氢电极侧进行水电解反应。由于电解时生成大量气体，所以为了使膜电极与水充分接触，需要水泵强制过量输水，同时将产物气体带出。因此，导致产物气体中水含量达到饱和，需要气水分离后再进行气体的存储。另外，当产气压力增加时，注水压力也随之增加，要求水泵的扬程和自身耐压能力也随之增加，就相应导致水泵的功率、体积和重量增加。这给水电解器带来了诸多不利因素。
而在一体式再生燃料电池中，由于电池本身具有双效性，即既可以像燃料电池一样发电，又可以像水电解器一样进行水电解，所以同时存在燃料电池和水解器的上述问题。
针对解决上述问题，实用新型提出了一种新式流场板结构，配合一种半透膜组件，改进了燃料电池、水电解器及一体式再生燃料电池的结构。采用实用新型流场板和半透膜组件后，燃料电池、水电解器及一体式再生燃料电池膜电极质子交换膜的含水量可通过调节半透膜组件两侧水活度差进行控制。所以，燃料电池可直接使用干反应气体进行工作；水电解器无需水泵注水，生成气体含水量低、纯度高。
发明内容
本实用新型提出了一种新式流场板结构和一种半透膜组件，可改进燃料电池、水电解器及一体式再生燃料电池结构，可以实现燃料电池、水电解器及一体式再生燃料电池反应气体内增湿、静态注水等的技术目标。
流场板[S1]包括板框[B1]及其中间安装的多孔导电板[B2]，通过导电连接组合而成。板框[B1]设置有突起的极耳，用于集流导电。板框[B1]边缘具有六个通孔和用于放置密封圈的槽，这些通孔同电池堆其它部件上对应的通孔密封堆叠后构成氢气、氧气和水进出的分配通道。在通孔[P3]和[P6]四周密封槽的内侧各设置有导流缺口[H12]、[H22]，直接将通孔[P3]、[P6]与中间多孔导电板[B2]连通。
上述流场板[S1]的板框[B1]可采用石墨、金属、陶瓷、高分子复合材料等经冲压、数铣加工、激光雕刻、化学腐蚀、等离子刻蚀、线切割或铸模等方法进行加工。非导电材料和一般金属材料还需要表面镀金处理。也可直接采用钛及钛合金板用上述方法加工。
上述流场板[S1]的多孔板[B2]可采用金属、陶瓷、高分子复合材料的多孔板材或网材，经压制、弯制或切割，再经表面防腐、导电化镀金处理加工而成；也可直接采用多孔烧结钛合金板、镀金钛网和镀金不锈钢网等。
半透膜组件[S2]包括：多孔导电板[M31]、上层保护边框[M21]、半透膜[M1]、下层护边框[M22]、多孔导电板[M32]。上、下两层保护边框[M21]、[M22]边缘有六个通孔，这些通孔同电池堆其它相邻堆叠部件上对应的通孔密封连接后构成氢气、氧气和水进、出的分配通道；半透膜[M1]边缘略大于上、下保护边框[M21]、[M22]的内径；多孔导电板[M31]和多孔导电板[M32]材料分别叠放上、下层保护边框上，其直径略大于保护边框内径。
上述半透膜组件[S2]的保护边框[M21]、[M22]可采用高分子薄膜材料，例如：聚酰亚胺、聚酯等。多孔导电板[M31]、[M32]可采用多孔耐蚀金属、多孔陶瓷、多孔高分子的板材或网材。非导电材料和一般金属材料还需要表面镀金处理。例如：多孔钛合金烧结板、镀金钛网、镀金不锈钢网等。半透膜[M1]为对水选择性透过膜或微孔膜，例如：NafionTM型质子交换膜。
采用本实用新型流场板[S1]扩散至膜电极组件[S3]催化剂层，进行水电解反应。水的扩散速率得到有效提高，可使其与水电解消耗水量平衡。由于电解器膜电极无过多水份，所以反应生成气体中含水量少，可以极大地简化后续气水分离流程。
附图说明
图1为本实用新型流场板结构示意图；
图2为本实用新型半透膜组件结构示意图；
图3为本实用新型流场板与半透膜组件结构及工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明本实用新型的优选实施例。
图1为本实用新型优选实施例，一种新型流场板[S1]结构示意图；其中，图1(a)为立体图；图1(b)为正面视图，图1(c)为背面视图。
如图1所示，流场板[S1]由板框[B1]及其中间安装的多孔导电板[B2]，通过导电连接组合而成。板框[B1]边缘设置有6个通孔P1、P2、P3、P4、P5和P6；这些通孔同电池堆其它相邻部件上对应的通孔密封连接后构成氢气、氧气和水进出分配的通道。流场板[S1]的最外周及六个通孔四周设置有密封槽，用于放置密封圈；边缘两个突起部分为极耳，用于导线连接和工作时的散热，极耳数量可根椐需要设置。
上述流场板[S1]的板框[B1]可采用钛合金板通过冲压、数铣加工、激光雕刻、化学腐蚀、等离子刻蚀、线切割或铸模等方法进行加工。多孔导电板[B2]可采用钛合金网或多孔烧结钛合金切割而成。根据需要，也可将多孔导电板[B2]上冲压出一定的波纹形状。
图2为本实用新型优选实施例，一种半透膜组件[S2]结构示意图；其中，图2(a)为构成图；图2(b)为正面视图，图2(c)为侧面视图。
如图2所示，半透膜组件[S2]包括：多孔导电板[M31]、上层保护边框[M21]、半透膜[M1]、下层护边框[M22]、多孔板[M32]。上、下两层保护边框[M21]、[M22]边缘有六个通孔，这些通孔同电池堆其它相邻堆叠部件上对应的通孔密封连接后构成氢气、氧气和水进、出的分配通道；半透膜[M1]边缘略大于上、下保护边框[M21]、[M22]的内径；多孔导电板[M31]和多孔导电板[M32]材料分别叠放上、下层保护边框上，其直径略大于保护边框内径。
保护边框[M21]、[M22]采用高分子薄膜材料，例如：聚酰亚胺、聚酯等。多孔导电板[M31]、[M32]采用多孔钛合金板或镀金钛网切割而成。半透膜[M1]为对水选择性透过膜或微孔膜，优选NafionTM型质子交换膜。
本实用新型工作原理：
如图3所示，流场板[S1]的一侧通过密封圈[S4]与半透膜组件[S2]堆叠，另一侧则通过密封圈[S5]与膜电极组件[S3]堆叠。
燃料电池中，半透膜组件[S2]背侧(不与流场板接触的一侧)的水可透过半透膜组件[S2]扩散至与流场板[S1]接触的一侧，在该侧与由流场板[S1]上[H12]孔流入的干反应气体(氢气或氧气)混合，再透过多孔导电板扩散至膜电极组件[S3]一侧；反应气体扩散至膜电极组件催化剂层被催化，同时产生电流，由与极耳连接的导线引出；一部分水则被质子膜吸收，维持其含水量，另一部份水则随未反应完全的反应气体作为尾气由流场板[S1]上的[H12]孔流出电池堆。通过控制半透膜组件[S2]背侧水的压力、温度以及半透膜组件[S2]中半透膜[M1]的厚度、微孔径的大小可以控制水的扩散速率，进而可以调节膜电极组件[S3]中质子膜的含水量。
水电解器中，半透膜组件[S2]背侧(不与流场板接触的一侧)的水可依次透过半透膜组件[S2]、流场板[S1]扩散至膜电极组件[S3]催化剂层，进行水电解反应。反应生成气体可通过流场板[S1]上的孔[H12]和[H22]流出电池堆。通过控制半透膜组件[S2]背侧水的压力、温度以及半透膜组件[S2]中半透膜[M1]的厚度、微孔径的大小可以控制水的扩散速率，可使其与水电解消耗水量平衡。由于电解器膜电极无过多水份，所以反应生成气体中含水量少，可以极大地简化后续气水分离流程。
由于一体式再生燃料电池既可以像燃料电池一样发电，又可以像水电解器工作，所以也可适用本实用新型且得到相同的使用效果。

Claims (4)

1、一种流场板结构，可适用于燃料电池、水电解器及一体式再生燃料电池，其特征在于，包括：流场板[S1]包括板框[B1]及其中间安装的多孔导电板[B2]，通过导电连接组合而成；板框[B1]设置有突起的极耳，用于集流导电；板框[B1]边缘具有六个通孔和用于放置密封圈的槽，这些通孔同电池堆其它部件上对应的通孔密封堆叠后构成氢气、氧气和水进出的分配通道；流场板[S1]的一侧通过密封圈[S4]与半透膜组件[S2]堆叠；另一侧则通过密封圈[S5]与膜电极组件[S3]堆叠；在通孔[P3]和[P6]四周密封槽的内侧各设置有导流缺口[H12]、[H22]，直接将通孔[P3]、[P6]与中间多孔导电板[B2]连通。
2、根据权利要求1所述的一种流场板结构，其特征在于，流场板[S1]的板框[B1]采用石墨、金属、陶瓷、高分子复合材料经冲压、数铣加工、激光雕刻、化学腐蚀、等离子刻蚀、线切割或铸模。
3、根据权利要求1所述的一种流场板结构，其特征在于，半透膜组件[S2]，包括：多孔导电板[M31]、上层保护边框[M21]、半透膜[M1]、下层护边框[M22]、多孔导电板[M32]；上、下两层保护边框[M21]、[M22]边缘有六个通孔，这些通孔同电池堆其它相邻堆叠部件上对应的通孔密封连接后构成氢气、氧气和水进、出的分配通道；半透膜[M1]边缘略大于上、下保护边框[M21]、[M22]的内径；多孔导电板[M31]和多孔导电板[M32]材料分别叠放上、下层保护边框上，其直径略大于保护边框内径。
4、根据权利要求1或3所述的一种流场板结构，其特征在于，半透膜组件其[S2]的保护边框[M21]、[M22]采用高分子薄膜材料；多孔导电板[M31]、[M32]采用多孔耐蚀金属、多孔陶瓷、多孔高分子的板材或网材；非导电材料和一般金属材料还需要表面镀金处理；半透膜[M1]为对水选择性透过膜或微孔膜。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102074718A (zh) * 2009-11-19 2011-05-25 上海空间电源研究所 一体式可再生燃料电池结构
CN111326761A (zh) * 2018-12-13 2020-06-23 中国科学院大连化学物理研究所 一种可再生燃料电池

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