CN202817106U - 一种新型质子交换膜燃料电池的流场板结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种质子交换膜燃料电池的流场板结构，包括两块单极板，单极板的一面为反应气流场板，另一面为冷却气流场板，每块单极板上设有反应气进气口和反应气出气口，以及冷却气进气口和冷却气出气口，反应气导流凹槽位于反应气流场板上，有若干条，并排设置，每条反应气导流凹槽的宽度沿气流方向由宽到窄逐渐缩小；冷却气导流凹槽位于冷却气流场板上，有若干条，呈蛇形弯折排列；两块单极板在冷却气流场板一侧相互粘合构成双极板，两块单极板之间为冷却通道，两块单极板大小与形状相同，呈扇环形。该结构具有加工方便容易，结构简单，能有效降低成本，改善气流和电流的分布均匀性，提高排水性能以及电池最终工作性能的特性。

Description

一种新型质子交换膜燃料电池的流场板结构

技术领域

本实用新型涉及一种质子交换膜燃料电池的流场板结构，属于燃料电池技术领域。

背景技术

燃料电池由于具有高效、清洁、低噪音、可靠性高以及比功率高等优点，而愈来愈广泛地受到各国政府的重视，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。在各类燃料电池中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）以其独有的特性而最有希望成为未来汽车、便携式电子设备和部队野外行动装备等的动力源：工作电流大、比能量高、能量效率高、常温下起动时间短等，其研究和应用也是后来居上，在电池的成本和耐久性等方面都取得了突破性的进展。除各国政府的重视外，奔驰、尼桑、福特、巴拉德等大公司也都投入巨大的人力、物力和财力来进行PEMFC汽车动力系统的研究开发，不仅在公司内部成立专门的研发小组，并资助众多的国际知名高校和研究所进行相关的研究工作，目前世界上的许多样车都是由这些公司率先研发。

流场板主要起到均匀分配气体、支撑电池、排除生成水、连接成堆、密封反应气体和传导电流等非常关键的作用，且是燃料电池重量(60-80%)和价格(30-45%)的主要部件，因此其良好的设计不仅能够减小电堆重量，降低电池的成本，且能有效提高电池的性能和工作寿命等。目前质子交换膜燃料电池的极板材料主要有三种：一种是石墨或碳板，其优点是耐腐蚀性能强和导热导电性好等，其明显缺点是强度低、脆性大易碎和生产成本高；另一种是金属板（Ta、Hf、Nb和Ti等），优点是导热导电性非常好，强度大，易成型，体积小，非常薄的极板就可以达到隔离气体的目的；其缺点是耐腐蚀性差一些，需要进行复杂的表面防腐处理，可能导致电阻增大；第三种是复合材料流场板，结合了石墨板和金属板的优点，是现在和未来研究发展的重点，可以容易根据所用磨具的不同制备出不同形状的制品，其中代表性的是热塑成型的导电塑料复合板，它具有耐腐蚀、体积小、质量轻、强度高、成本低、易加工和成型等特点，国际知名燃料电池企业巴拉德电源公司的许多新产品都使用了该产品。

    在流场的形式方面，为更好分配反应气体，国际上发展了各种各样的流场结构，由各种图案的气体通道和起支撑作用的脊组成。最早采用的是结构简单的平行流场构型，近年来世界各国发明的流场板主要有以下几种：(1)单通道和多通道蛇形流场板，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。（2）交指状流场设计由于强化对流传质等特性，提高了电池极限电流密度，越来越受到国内外研究人员的密切关注。（3）泡沫金属流场板，利用多孔金属进行气体的分散，且有非常好的导电性，能够有效降低电池的重量和成本。（4）多孔材料流场板：流体从入口首先进入流道，然后在多孔材料中扩散，从出口的流道中导出，缺点是流动阻力较大，易发生水淹电极现象。(5)点状流场板：这种流场板的优点是结构简单，缺点是易发生短路现象，影响电极板的充分利用。(6)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，不论走哪条路径，其所经过的路径长度是相等的，流体可以分布得比较均匀。此外，网状流场板电池安装时接触均匀、有效分散应力，改善接触电阻和集流效应。除了国外和境外公司在我国申请的专利外，我国的研究人员也在流场板的设计作了许多创新性的设计，申请了一些专利 （专利号：00814108.8，01124227.0及01124228.0）。然而，目前为止尚有许多技术问题没有很好解决，例如流场板的气流分布不够均匀；反应生成的水不易排出，部分反应区反应物供应不足造成反应死区等影响电池正常运行的性能；本发明拟在可加工性、冷却和反应气的分配方面作些创新设计。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种新型质子交换膜燃料电池的流场板结构，该结构易加工，能有效提高气体的供给能力和生成水的排放，电流密度分布和气体分配更加均匀。

本实用新型的技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型的所述的新型质子交换膜燃料电池的流场板结构，包括分别作为阳极和阴极的两块单极板，每块单极板的一面为反应气流场板，另一面为冷却气流场板，在该极板上设有与反应气导流凹槽连通的反应气进气口和反应气出气口，以及与冷却气导流凹槽连通的冷却气进气口和冷却气出气口；

所述反应气导流凹槽位于反应气流场板上，有若干条，并排设置，每条反应气导流凹槽的宽度沿气流方向由宽到窄逐渐缩小，流道两端尺寸的差异强迫流体进入电极，改善反应气的供给和生成水的排放。

所述冷却气导流凹槽位于冷却气流场板上，有若干条，呈蛇形弯折排列，有效增加流场气流分布的均匀性和改善散热效果。

所述两块单极板大小与形状相同，呈扇环形，在冷却气流场板一侧相互对称粘合构成双极板，两块单极板之间为冷却通道。

进一步地，所述扇环形的中心角为50~70°。

进一步地，所述反应气进气口和反应气出气口大小与形状相同，截面呈圆形，分别位于单极板的对角位置上。

进一步地，所述冷却气进气口和冷却气出气口大小与形状相同，截面呈长条形，分别位于单极板中部靠近两侧边缘位置。

进一步地，所述冷却气进气口、冷却气出气口的位置靠近扇环形的大圆弧。

进一步地，所述反应气导流凹槽宽端的宽度为2.0~3.0mm，窄端的宽度为1.0~2.0mm，深度为0.6~1.0mm，反应气导流凹槽之间通过反应气流场板脊隔开，反应气流场板脊的宽度为1.0~2.0mm。

进一步地，：所述冷却气导流凹槽的蛇形拐弯处为直角。

进一步地，所述冷却气导流凹槽的宽度为1.0~3.0mm，深度为0.3~0.6mm，冷却气导流凹槽之间通过冷却气流场板肩部隔开，冷却气流场板肩部的宽度为1.0~2.0mm。

进一步地，所述冷却气导流凹槽分成两组，一组从冷却气进气口连出，从扇环形的大圆弧一侧经蛇形弯折后连接至冷却气出气口，另一组从冷却气进气口连出，从扇环形的小圆弧一侧经蛇形弯折后连接至冷却气出气口。

进一步地，所述若干条冷却气导流凹槽的总长度大致相等。

本实用新型结构简单，具有易加工的特点，通过反应气导流凹槽两端的尺寸变化强迫反应气体进入电极内部，从而加快反应气体的供给和有效排水，从而降低浓度过电位和提高性能。冷却气导流凹槽采用多通道蛇形结构，能够有效提高冷却效果，其蛇形拐弯处设置成直角，则进一步降低了加工难度。冷却气进、出口位置设在双极板靠中部的位置，配合冷却气导流凹槽多通道蛇形结构能够缩短气流行程，降低了气流的压降和需要的外力，从而提高了电池效率。反应气进、出口以及冷却气进、出口位置的设置，还充分利用了空间。多通道蛇形设计也可以是电流密度分布和气体的分配更加均匀，起到更好的导热效果，促使流场板本体的有效利用面积增加和改善散热效果；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。

总之，本实用新型具有如下优点：该结构具有加工方便容易，结构简单，能有效降低成本，改善气流和电流的分布均匀性，提高排水性能以及电池最终工作性能的特性。

附图说明

图1是反应气流场板的结构示意图；

图2是冷却气流场板的结构示意图。

具体实施方式

附图编号： 1-反应气进气口， 2-反应气出气口，3-冷却气进气口，4-冷却气出气口，5-反应气流场板脊，6-进气端总流道，7-反应气流场板，8-反应气导流凹槽，9-出气端总流道，10-冷却气流场板，11-冷却气流场板脊，12-冷却气导流凹槽。

本实用新型的实施例1：本实用新型结构包括分别作为阳极和阴极的两块单极板，每块单极板的一面为反应气流场板7，另一面为冷却气流场板10，在每块单极板上设有与反应气导流凹槽8连通的反应气进气口1和反应气出气口2，以及与冷却气导流凹槽12连通的冷却气进气口3和冷却气出气口4；所述两块单极板大小与形状相同，呈扇环形，且扇环形的中心角采用60°，在冷却气流场板10一侧相互对称粘合构成电池的双极板，两块单极板之间为冷却通道。

图1所示为反应气流场板7的结构，在该反应气流场板7上有并排设置的14条反应气导流凹槽8，每条反应气导流凹槽8的宽度沿气流方向由3mm宽度逐渐缩小至1mm宽度，其深度为0.8mm，反应气导流凹槽8之间通过反应气流场板脊5隔开（共13条），反应气流场板脊5的宽度为1.2mm。反应气经反应气进气口1进入进气端总流道6，再分别经反应气导流凹槽8到达出气端总流道9，最后汇聚到反应气出气口2。

图2所示为冷却气流场板10的结构，在该冷却气流场板10上设置有4条呈蛇形弯折排列的冷却气导流凹槽12，其中两条从冷却气进气口3连出，从扇环形的大圆弧一侧经蛇形弯折连接至冷却气出气口4，另两条从冷却气进气口3连出，从扇环形的小圆弧一侧经蛇形弯折连接至冷却气出气口4，且每条冷却气导流凹槽12各自从冷却气进气口3到冷却气出气口4的总长度基本相等，缩短行程，提高冷却效果。在蛇形拐弯处为直角，使本实用新型更加易于加工。冷却气导流凹槽12的宽度为2.0mm，深度为0.4mm，冷却气导流凹槽12之间通过冷却气流场板肩部11隔开，冷却气流场板肩部11的宽度为1.2mm。

反应气进气口1和反应气出气口2在反应气流场板7和冷却气流场板10上在相应的镜像位置上均有设置，且大小与形状相同，截面呈圆形，分别位于单极板的对角位置上。

冷却气进气口3和冷却气出气口4同样在反应气流场板7和冷却气流场板10上在相应的镜像位置上均有设置，大小与形状相同，截面呈长条形（且截面面积大于反应气进气口1和反应气出气口2的截面面积），分别位于单极板中部靠近两侧边缘位置，并相对靠近扇环形的大圆弧处。

并且，冷却气进气口3和冷却气出气口4的截面大于反应气进气口1和反应气出气口2的截面，配合冷却气导流凹槽12的宽度大于反应气导流凹槽8的宽度，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。

一般，反应气流场板7不仅可以用于导氢气，还可以导空气或氧气作为反应气，设计的尺寸有所差异；而冷却气流场板10用于导空气，作为冷却气。

本实用新型的制作方法如下：将天然高纯石墨粉和高分子材料（PP）、助剂等按比例混合后入模具，模具入平板硫化机中，在l0～l00MPa和100～300℃下，一次模压成型成为一面是反应气流场板7，另一面是冷却气流场板10的单极板，两块相同的单极板通过粘合技术对称粘合，形成双极板，两侧分别为阴极或阳极反应气流场，中间为通冷却气体或液体的冷却通道。

Claims (10)

1.一种新型质子交换膜燃料电池的流场板结构，包括分别作为阳极和阴极的两块单极板，每块单极板的一面为反应气流场板（7），另一面为冷却气流场板（10），在每块单极板上设有与反应气导流凹槽（8）连通的反应气进气口（1）和反应气出气口（2），以及与冷却气导流凹槽（12）连通的冷却气进气口（3）和冷却气出气口（4），其特征在于：

所述反应气导流凹槽（8）位于反应气流场板（7）上，有若干条，并排设置，每条反应气导流凹槽（8）的宽度沿气流方向由宽到窄逐渐缩小；

所述冷却气导流凹槽（12）位于冷却气流场板（10）上，有若干条，呈蛇形弯折排列；

所述两块单极板大小与形状相同，呈扇环形，在冷却气流场板（10）一侧相互对称粘合构成双极板，两块单极板之间为冷却通道。

2.根据权利要求1所述的新型质子交换膜燃料电池的流场板结构,其特征在于：所述扇环形的中心角为50°-70°。

3.根据权利要求1所述的新型质子交换膜燃料电池的流场板结构,其特征在于：所述反应气进气口（1）和反应气出气口（2）大小与形状相同，截面呈圆形，分别位于单极板的对角位置上。

4.根据权利要求1所述的新型质子交换膜燃料电池的流场板结构,其特征在于：所述冷却气进气口（3）和冷却气出气口（4）大小与形状相同，截面呈长条形，分别位于单极板中部靠近两侧边缘位置。

5.根据权利要求4所述的新型质子交换膜燃料电池的流场板结构,其特征在于：所述冷却气进气口（3）、冷却气出气口（4）的位置偏向扇环形的大圆弧。

6.根据权利要求1所述的新型质子交换膜燃料电池的流场板结构,其特征在于：所述反应气导流凹槽（8）宽端的宽度为2.0~3.0mm，窄端的宽度为1.0~2.0mm，深度为0.6~1.0mm，反应气导流凹槽（8）之间通过反应气流场板脊（5）隔开，反应气流场板脊（5）的宽度为1.0~2.0mm。

7.根据权利要求1所述的新型质子交换膜燃料电池的流场板结构,其特征在于：所述冷却气导流凹槽（12）的蛇形拐弯处为直角。

8.根据权利要求1或7所述的新型质子交换膜燃料电池的流场板结构,其特征在于：所述冷却气导流凹槽（12）的宽度为1.0~3.0mm，深度为0.3~0.6mm，冷却气导流凹槽（12）之间通过冷却气流场板脊（11）隔开，冷却气流场板脊（11）的宽度为1.0~2.0mm。

9.根据权利要求1所述的新型质子交换膜燃料电池的流场板结构,其特征在于：所述冷却气导流凹槽（12）分成两组，一组从冷却气进气口（3）连出，从扇环形的大圆弧一侧经蛇形弯折后连接至冷却气出气口（4），另一组从冷却气进气口（3）连出，从扇环形的小圆弧一侧经蛇形弯折后连接至冷却气出气口（4）。

10.根据权利要求1或9所述的新型质子交换膜燃料电池的流场板结构,其特征在于：所述若干条冷却气导流凹槽（12）的总长度大致相等。

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