CN207149631U - Pemfc及其阴极流场板、双极板 - Google Patents

Abstract

一种PEMFC及其阴极流场板、双极板，该阴极流场板包括：若干间隔排列的氧化剂气体通道，氧化剂气体通道位于阴极流场板的第一表面；至少一个水通道，与第一表面在阴极流场板的厚度方向上存在间距，水通道在氧化剂气体通道的排列方向上位于相邻两个氧化剂气体通道之间；阴极流场板由多孔材料制成，并适于使PEMFC的生成水在差动毛细效应的作用下自第一表面穿过阴极流场板进入水通道内；氧化剂气体通道设计纵向蜿蜒结构为三维立体结构。本实用新型通过将阴极流场板构造为多孔材料，能够利用阴极流场板与阴极气体扩散层之间形成的差动毛细效应，使阴极气体扩散层内的生成水快速穿过阴极流场板的第一表面进入水通道内，因而减小了水淹的可能。

Description

PEMFC及其阴极流场板、双极板

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种PEMFC及其阴极流场板、双极板。

背景技术

PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，质子交换膜燃料电池)是一种将原料中的化学能直接转变成电能的化学能发电装置，其能量转换效率不受卡诺循环限制，电池组的发电效率可达50％以上。同时，PEMFC具有环境友好、启动特性优良、能量转换效率高、运行平稳、无噪声等特征，可望在诸多领域得到应用，尤其是在汽车动力系统中使用更是得天独厚。

其中，双极板是PEMFC的关键部件之一，其约占燃料电池体积的80％、质量的70％和成本的29％。双极板的主要功能是支撑膜电极组件、分配反应气体、收集电流、传导热量和排出产物水等。

双极板包括阳极流场板和阴极流场板，其中，阳极流场板设有若干间隔排列的燃料气体通道，阴极流场板设有若干间隔排列的氧化剂气体通道，供给至燃料气体通道的氢气与供给至氧化剂气体通道的空气在PEMFC中的阴极气体扩散层发生反应并形成产物水，阴极气体扩散层内的产物水排向氧化剂气体通道，并在氧化剂气体通道内的多余空气的吹扫作用下排出氧化剂气体通道。

然而，在实际应用中发现，现有PEMFC中阴极气体扩散层内的产物水不易排出，易导致水淹，所谓水淹是指供给至氧化剂气体通道的空气不易自阴极流场板进入阴极气体扩散层内。

实用新型内容

本实用新型要解决的问题是：现有PEMFC中阴极气体扩散层内的产物水不易排出，易导致水淹。

为解决上述问题，本实用新型提供了一种PEMFC的阴极流场板，包括：若干间隔排列的氧化剂气体通道，所述氧化剂气体通道位于所述阴极流场板的第一表面；至少一个水通道，与所述第一表面在所述阴极流场板的厚度方向上存在间距，所述水通道在所述氧化剂气体通道的排列方向上位于相邻两个所述氧化剂气体通道之间；所述阴极流场板由多孔材料板制成，并适于使所述PEMFC的生成水在差动毛细效应的作用下自所述第一表面穿过所述阴极流场板进入所述水通道内。

可选地，所述阴极流场板的孔隙在自所述水通道指向所述第一表面的方向上减小。

可选地，所述水通道位于所述阴极流场板的第二表面上，所述第一表面与第二表面在所述厚度方向上背对设置。

可选地，所述氧化剂气体通道、水通道在所述排列方向上交错设置。

可选地，所述多孔材料板为金属纤维多孔材料板。

可选地，所述金属纤维多孔材料为纤维烧结毡或纤维编织网。

可选地，所述金属纤维多孔材料板材质为不锈钢或铜合金；

所述阴极流场板的参数包括：孔隙率为70％至85％，透气度为40L/(min·dm²)至100L/(min·dm²)，在所述厚度方向上的电阻率为50μΩ·cm至80μΩ·cm，在垂直于所述厚度方向的方向上的热导率为15W/(m·K)至21W/(m·K)，屈服强度为200MPa以上，抗拉强度为400MPa以上。

可选地，所述阴极流场板为冲压成型板、软膜成型板或液压膨胀成型板或粉末冶金成型板。

可选地，所述氧化剂气体通道具有进口和出口，所述进口供所述氧化剂气体送入，所述出口供多余的所述氧化剂气体排出；

所述第一表面包括凹凸面，所述凹凸面由若干在自所述进口指向所述出口的方向上交错设置的凸面和凹面相连而成。

可选地，所述凹凸面在垂直于所述排列方向的平面上的投影呈正弦曲线状。

另外，本实用新型还提供了一种PEMFC的双极板，包括：阳极流场板，设有若干间隔排列的燃料气体通道；上述任一所述的阴极流场板；绝缘隔板，位于所述阳极流场板与阴极流场板之间，所述绝缘隔板与所述阳极流场板、阴极流场板均固定。

另外，本实用新型还提供了一种PEMFC，包括堆叠设置的若干电池单元，所述电池单元包括：依次堆叠设置的阳极流场板、阳极气体扩散层、质子交换膜、阴极气体扩散层以及上述任一所述的阴极流场板；所述阳极流场板设有若干间隔排列的燃料气体通道；所述阴极流场板的所述第一表面与所述阴极气体扩散层接触，且所述阴极流场板与阴极气体扩散层之间形成差动毛细效应，以使所述PEMFC的生成水自所述第一表面穿过所述阴极流场板进入所述水通道内。

可选地，同一所述电池单元内的所述阴极流场板的孔隙大于阴极气体扩散层的孔隙，以形成差动毛细效应。

可选地，所述氧化剂气体通道具有进口和出口，所述进口供所述氧化剂气体送入，所述出口供多余的所述氧化剂气体排出；

所述第一表面包括凹凸面，所述凹凸面由若干在自所述进口指向所述出口的方向上交错设置的凸面和凹面相连而成；

所述阴极流场板的所述凹凸面与阴极气体扩散层围成腔室，所述腔室与所述氧化剂气体通道连通。

可选地，所述电池单元还包括绝缘隔板，定义所述PEMFC中任意相邻的两个所述电池单元分别为第一电池单元、第二电池单元；

所述绝缘隔板位于所述第一电池单元的所述阴极流场板与所述第二电池单元的所述阳极流场板之间，并与所述阴极流场板、阳极流场板固定。

与现有技术相比，本实用新型的技术方案具有以下优点：

通过将阴极流场板构造为多孔材料，能够利用阴极流场板与阴极气体扩散层之间形成的差动毛细效应，使阴极气体扩散层内的生成水快速穿过阴极流场板的第一表面进入水通道内，因而减小了水淹的可能。水通道内的生成水被未反应完的多余氧化剂气体吹扫出去，该未反应完的多余氧化剂气体自氧化剂气体通道穿过阴极流场板进入水通道内。

附图说明

图1是本实用新型的一个实施例中PEMFC的相邻两个电池单元的局部剖面图；

图2是图1所示PEMFC中双极板的局部立体图；

图3是图1所示PEMFC中双极板与阴极气体扩散层的侧视图，该侧视图沿阴极流场板的氧化剂气体通道的排列方向看过去获得；

图4是本实用新型的另一实施例中阴极流场板的第一表面的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施例做详细的说明。

如图1所示，本实施例提供了一种PEMFC(即质子交换膜燃料电池)，该PEMFC包括堆叠设置的若干电池单元，由于图幅的限制图中仅示意出相邻的两个电池单元。在本实用新型中，定义任意相邻的两个电池单元分别为第一电池单元C1、第二电池单元C2。各个电池单元的结构相同，下面以第一电池单元C1为代表对各个电池单元的结构做介绍。

第一电池单元C1包括依次堆叠设置的阳极流场板1、阳极气体扩散层2、质子交换膜3、阴极气体扩散层4以及阴极流场板5。其中：

阳极流场板1设有若干间隔排列的燃料气体通道10，所谓所述燃料气体通道10是指供燃料气体通过的通道。在本实施例中，所述燃料气体为氢气，相邻两个燃料气体通道10之间设有冷却液通道11，冷却液通道11供冷却液通过以对PEMFC进行冷却。燃料气体通道10位于阳极流场板1的一个表面(未标识，图中显示为下表面)，冷却液通道11位于阳极流场板1的另一个表面(未标识，图中显示为上表面)，阳极流场板1的两个所述表面背对设置。

阳极气体扩散层2为多孔结构，使得供给至阳极流场板1的燃料气体通道10的燃料气体能够进入阳极气体扩散层2内。

阴极流场板5设有若干间隔排列的氧化剂气体通道50，所谓氧化剂气体通道50是指供氧化剂气体通过的通道，在本实施例中，所述氧化剂气体为空气或氧气。氧化剂气体通道50位于阴极流场板5的第一表面S1，第一表面S1与阴极气体扩散层4接触，使得氧化剂气体通道50面向阴极气体扩散层4。阴极气体扩散层4为多孔结构，使得供给至阴极流场板5的氧化剂气体通道50的氧化剂气体能够进入阴极气体扩散层4内。

阴极流场板5还设有至少一个水通道51，所谓水通道51是指供生成水通过的通道。所述生成水由所述燃料气体和所述氧化剂气体反应所产生，关于生成水的形成将在后续PEMFC的工作原理中介绍。

水通道51并非位于第一表面S1上，而是与第一表面S1在阴极流场板5的厚度方向Z上存在间距G。水通道51在氧化剂气体通道50的排列方向X上位于相邻两个氧化剂气体通道50之间。

阴极流场板5由多孔材料制成，并适于使PEMFC的生成水在差动毛细效应的作用下，沿着图中虚线所示箭头的方向自第一表面S1穿过阴极流场板5进入水通道51内。

下面对本实施例PEMFC的工作原理做介绍：

供给至阳极流场板1的燃料气体通道10的燃料气体(即氢气)进入阳极气体扩散层2内，并反应生成氢离子和电子。其中，电子因受质子交换膜3的阻挡而只能经由外部回路移动至阴极气体扩散层4，氢离子穿过质子交换膜3进入阴极气体扩散层4内。供给至阴极流场板5的氧化剂气体通道50的氧化剂气体(即空气或氧气)进入阴极气体扩散层4内，并与移动至阴极气体扩散层4内的氢离子、电子反应生成水。随着该生成水的反应不间断进行，电子不间断的经由外部回路，从而发电。阴极气体扩散层4内的生成水在差动毛细效应的作用下，沿着图中虚线箭头所示方向穿过阴极流场板5进入水通道51内。由于阴极流场板5为多孔材料，故氧化剂气体通道50内未反应完的多余氧化剂气体能穿过氧化剂气体通道50与水通道51之间的阴极流场板5，进入水通道51，从而将水通道51内的生成水吹扫出去。

由上述PEMFC的工作原理可知，在本实施例的技术方案中，通过将阴极流场板5构造为多孔材料，能够利用阴极流场板5与阴极气体扩散层4之间形成的差动毛细效应，使阴极气体扩散层4内的生成水快速穿过阴极流场板5的第一表面S1进入水通道51内，因而减小了水淹的可能。水通道51内的生成水被未反应完的多余氧化剂气体吹扫出去，该未反应完的多余氧化剂气体自氧化剂气体通道50穿过阴极流场板5进入水通道51内。

在本实施例中，阴极流场板5与阴极气体扩散层4之间形成差动毛细效应的条件包括：第一电池单元C1内的阴极流场板5的孔隙大于阴极气体扩散层4的孔隙，氧化剂通道设计纵向蜿蜒结构(纵向高低)，形成三维立体结构，使其产生垂直于阴极气体扩散层4的分量，强迫反应气体进入，同时将生成水集聚到排水通道。

在本实施例中，阴极流场板5的孔隙在厚度方向Z上是变化的，具体地，阴极流场板5的孔隙在自水通道51指向第一表面S1的厚度方向Z1上有减小的趋势。

在一种情形下，整个阴极流场板5的孔隙在厚度方向Z1上依次递减。在另一种情形下，部分厚度的阴极流场板5的孔隙在厚度方向Z1依次递减，部分厚度的阴极流场板5的孔隙在厚度方向Z1保持不变。

需说明的是，在本实用新型的技术方案中，“减小的趋势”的含义并不应局限于上述所给的两种情形，只要阴极流场板5的孔隙在厚度方向Z1上的整体变化趋势基本上减小即可。

在本实施例中，与阴极流场板5一样，阴极气体扩散层4的孔隙在厚度方向上也是变化的，具体地，阴极气体扩散层4的孔隙在厚度方向Z1上有减小的趋势。

经研究发现，当阴极流场板5的孔隙、阴极气体扩散层4的孔隙中，至少其中之一的孔隙在厚度方向Z1上有减小的趋势时，阴极流场板5与阴极气体扩散层4之间的差动毛细效应更为明显，使阴极气体扩散层4内的生成水更易排出。

在本实施例中，阴极流场板5的材料为金属纤维多孔材料，金属纤维多孔材料具有质轻、耐高温等优点，另外，金属纤维多孔材料还具有易加工的优点，具体地，金属纤维多孔材料可以通过冲压成型、软膜成型、液压膨胀成型或粉末冶金成型的方法来制备阴极流场板5，使得阴极流场板5为冲压成型板、软膜成型板或液压膨胀成型板或粉末冶金成型板。

进一步地，金属纤维多孔材料的材质为不锈钢，其成本低，符合阴极流场板5的机械强度要求，且具备阴极流场板5能导电、抗腐蚀的性能要求。在本实施例的变换例中，金属纤维多孔材料的材质为铜。

需说明的是，在本实用新型的技术方案中，阴极流场板5的材料并不应局限于所给实施例，只要气体、生成水能穿过以及符合PEMFC的使用要求(如导电、抗腐蚀)即可。

进一步地，在本实施例中，所述金属纤维多孔材料为纤维烧结毡，阴极流场板5的参数包括：孔隙率为70％至85％，透气度为40L/(min·dm²)至100L/(min·dm²)，在厚度方向Z上的电阻率为50μΩ·cm至80μΩ·cm，在垂直于厚度方向Z的方向(即平行于阴极气体扩散层4的方向)上的热导率为15W/(m·K)至21W/(m·K)，屈服强度为200MPa以上，抗拉强度为400MPa以上。

在本实施例的变换例中，所述金属纤维多孔材料为纤维编织网。

在本实施例中，氧化剂气体通道50、水通道51在排列方向X上交错设置，使得每相邻两个氧化剂气体通道50之间均设有水通道51，这样一来，阴极气体扩散层4各个部位的生成水均能及时地排向邻近的水通道51，更好地避免水淹问题的产生。

在本实施例中，水通道51位于阴极流场板5的第二表面S2上，第一表面S1与第二表面S2在厚度方向Z上背对设置。在本实施例的变换例中，水通道51也可以与第二表面S2在厚度方向Z上存在一定间距。当水通道51设置在第二表面S2时，水通道51的加工更为简单。

结合图1至图3所示，在本实施例中，氧化剂气体通道50具有进口和出口(未标识)，所述进口用于送入氧化剂气体，所述出口用于排出多余的未反应完的氧化剂气体。第一表面S1包括凹凸面，所述凹凸面由若干在自所述进口指向所述出口的方向Y上交错设置的凸面S10和凹面S11相连而成，使得所述凹凸面自方向Y看过去呈现凹凸不平的形貌。

凸面S10的最高点与阴极气体扩散层4接触，第一表面S1中其它未与阴极气体扩散层4相接触的部位和阴极气体扩散层4围成腔室7，腔室7与氧化剂气体通道50相通。供给至氧化剂气体通道50的氧化剂气体会流向腔室7内，所述凹凸面中与方向Y既不垂直也不平行的部位会向流向腔室7的氧化剂气体施加一作用力F，腔室7内的氧化剂气体在该作用力F的垂直分力Fv的协助作用下，被强推入阴极气体扩散层4内。换言之，所述凹凸面会给氧化剂气体通道50内的氧化剂气体一助力作用，使其更易进入阴极气体扩散层4内，这样一来，更多的氧化剂气体能参加与燃料气体的反应。

在本实施例中，阴极气体扩散层4与阴极流场板5的第一表面S1相接触的表面为平面，但需说明的是，在本实用新型的技术方案中，阴极气体扩散层4的该表面也可以为非平面，只要其能与第一表面S1围成腔室7即可。

在本实施例中，整个第一表面S1均为所述凹凸面。在本实施例的变换例中，也可以是第一表面S1的部分表面为所述凹凸面。当整个第一表面S1均为所述凹凸面时，使得给氧化剂气体通道50内的氧化剂气体施加的助力作用实现最大化，能够让更多的氧化剂气体进入阴极气体扩散层4内。

进一步地，在本实施例中，所述凹凸面在垂直于排列方向X的平面上的投影呈正弦曲线状。

结合图2和图4所示，在本实施例的变换例中，凸面S10、凸面S11在垂直于氧化剂气体通道50排列方向X的平面上的投影均为梯形。

需说明的是，在本实用新型的技术方案中，所述凹凸面的轮廓并不应局限于所给实施例，只要其能给腔室7内的氧化剂气体一垂直分力Fv作用，以强迫氧化剂气体进入阴极气体扩散层4内即可。

继续参考图1所示，根据前面所述可知，阴极流场板5由多孔材料制成，为了防止第一电池单元C1中阴极流场板5内的氧化剂气体、生成水扩散至第二电池单元C2的阳极流场板1，在本实施例中，第一电池单元C1的阴极流场板5与第二电池单元C2的阳极流场板1之间设有绝缘隔板6，绝缘隔板6与阴极流场板5、阳极流场板1固定。绝缘隔板6为致密材料，以防止气体、水渗透。

在具体实施例中，绝缘隔板6与阴极流场板5、阳极流场板1通过胶粘、电阻点焊或激光焊接的方式固定连接。

本实用新型中，各实施例采用递进式写法，重点描述与前述实施例的不同之处，各实施例中的相同部分可以参照前述实施例。

虽然本实用新型披露如上，但本实用新型并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (16)

1.一种PEMFC的阴极流场板，其特征在于，包括：

若干间隔排列的氧化剂气体通道，所述氧化剂气体通道位于所述阴极流场板的第一表面；

至少一个水通道，与所述第一表面在所述阴极流场板的厚度方向上存在间距，所述水通道在所述氧化剂气体通道的排列方向上位于相邻两个所述氧化剂气体通道之间；

所述阴极流场板由多孔材料板制成，并适于使所述PEMFC的生成水在差动毛细效应的作用下自所述第一表面穿过所述阴极流场板进入所述水通道内。

2.如权利要求1所述的阴极流场板，其特征在于，所述阴极流场板的孔隙在自所述水通道指向所述第一表面的方向上减小。

3.如权利要求1所述的阴极流场板，其特征在于，所述水通道位于所述阴极流场板的第二表面上，所述第一表面与第二表面在所述厚度方向上背对设置。

4.如权利要求1所述的阴极流场板，其特征在于，所述氧化剂气体通道、水通道在所述排列方向上交错设置。

5.如权利要求1所述的阴极流场板，其特征在于，所述氧化剂气体通道设计纵向蜿蜒结构。

6.如权利要求1所述的阴极流场板，其特征在于，所述多孔材料板为金属纤维多孔材料板。

7.如权利要求6所述的阴极流场板，其特征在于，所述金属纤维多孔材料为纤维烧结毡或纤维编织网。

8.如权利要求6所述的阴极流场板，其特征在于，所述金属纤维多孔材料板材质为不锈钢或铜合金；

所述阴极流场板的参数包括：孔隙率为70％至85％，透气度为40L/(min·dm2)至100L/(min·dm2)，在所述厚度方向上的电阻率为50μΩ·cm至80μΩ·cm，在垂直于所述厚度方向的方向上的热导率为 15W/(m·K)至21W/(m·K)，屈服强度为200MPa以上，抗拉强度为400MPa以上。

9.如权利要求5所述的阴极流场板，其特征在于，所述阴极流场板为冲压成型板、软膜成型板、液压膨胀成型板或粉末冶金成型板。

10.如权利要求1所述的阴极流场板，其特征在于，所述氧化剂气体通道具有进口和出口，所述进口供所述氧化剂气体送入，所述出口供多余的所述氧化剂气体排出；

所述第一表面包括凹凸面，所述凹凸面由若干在自所述进口指向所述出口的方向上交错设置的凸面和凹面相连而成。

11.如权利要求10所述的阴极流场板，其特征在于，所述凹凸面在垂直于所述排列方向的平面上的投影呈正弦曲线状。

12.一种PEMFC的双极板，其特征在于，包括：

阳极流场板，设有若干间隔排列的燃料气体通道；

权利要求1至10任一项所述的阴极流场板；

绝缘隔板，位于所述阳极流场板与阴极流场板之间，所述绝缘隔板与所述阳极流场板、阴极流场板均固定。

13.一种PEMFC，其特征在于，包括堆叠设置的若干电池单元，所述电池单元包括：依次堆叠设置的阳极流场板、阳极气体扩散层、质子交换膜、阴极气体扩散层以及权利要求1至8任一项所述的阴极流场板；

所述阳极流场板设有若干间隔排列的燃料气体通道；

所述阴极流场板的所述第一表面与所述阴极气体扩散层接触，且所述阴极流场板与阴极气体扩散层之间形成差动毛细效应，以使所述PEMFC的生成水自所述第一表面穿过所述阴极流场板进入所述水通道内。

14.如权利要求13所述的PEMFC，其特征在于，同一所述电池单元内的所述阴极流场板的孔隙大于阴极气体扩散层的孔隙，以形成差动毛细效应。

15.如权利要求13所述的PEMFC，其特征在于，所述氧化剂气体通道具有进 口和出口，所述进口供所述氧化剂气体送入，所述出口供多余的所述氧化剂气体排出；

所述第一表面包括凹凸面，所述凹凸面由若干在自所述进口指向所述出口的方向上交错设置的凸面和凹面相连而成；

所述阴极流场板的所述凹凸面与阴极气体扩散层围成腔室，所述腔室与所述氧化剂气体通道连通。

16.如权利要求13所述的PEMFC，其特征在于，所述电池单元还包括绝缘隔板，定义所述PEMFC中任意相邻的两个所述电池单元分别为第一电池单元、第二电池单元；

所述绝缘隔板位于所述第一电池单元的所述阴极流场板与所述第二电池单元的所述阳极流场板之间，并与所述阴极流场板、阳极流场板固定。