CN2899128Y - 一种流场板和包括该流场板的质子交换膜燃料电池 - Google Patents

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Abstract

一种流场板和包括该流场板的质子交换膜燃料电池。所述流场板包括气体进口、气体出口以及连通气体进口和出口的导流槽，其中，所述导流槽从气体进口开始，以螺旋形式从所述流场板的外围逐渐向中心缩小，再从中心反向逐渐向外扩大，至气体出口结束。本实用新型所提供的流场板通过使用以回旋结构分布的导流槽，提高了质子交换膜的水均匀性，提高了燃料电池工作的发电性能。此外，由于本实用新型提供的流场板对导流槽的数量没有限制，同时该流场板可以同时适用于质子交换膜燃料电池的阴极和阳极，因此便于设计、加工制造以及电池的安装，而且降低了电池的制造成本。

Description

一种流场板和包括该流场板的质子交换膜燃料电池
技术领域
本实用新型涉及燃料电池，尤其涉及一种流场板和包括该流场板的质子交换膜燃料电池。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种环保、高效的能源转换装置，它具有功率密度高、常温启动快、无电解液流失、对环境无污染和无噪声等优点。作为理想的可移动电源，质子交换膜燃料电池非常适用于便携式设备、分散式发电系统、航空航天、军事等领域。
质子交换膜燃料电池能把氢燃料和氧化剂中的化学能转化为电能，其核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，MEA)，MEA一般由阴极扩散层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极扩散层构成，其中阴极和阳极扩散层起输送反应气体和排出反应气体产物的作用，阴极和阳极催化层是电化学反应的场所，阴、阳极反应气分别在这里进行电化学反应，转化为反应产物，质子交换膜兼起传导质子和隔离阴阳反应气体的作用。在阳极，氢分子首先与电极表面的催化剂铂接触，并被分裂并键合在铂表面，形成弱的H-Pt键。氢分子分裂时，每一个氢原子释放其电子，此电子沿外电路运动，到达阴极(电子在外电路的流动形成电流)。而剩下的氢质子与膜表面的水分子结合，形成水合氢离子(H3O+)。这些水合氢离子穿越膜材料到达阴极，铂催化剂又获得自由，可以接待下一拨氢分子。在阴极，进入燃料电池的氧分子也是首先与电极表面的催化剂铂作用，氧分子被分裂并键合在铂表面，形成弱的O-Pt键，使得还原反应能够发生。然后每一个氧原子与来自外电路的两个电子和从膜穿过来的两个质子化合成一个水分子。至此氧化还原反应完成。阴极上的催化剂再一次获得自由，等待下一批氧分子的到来。氢和氧在燃料电池里同时发生两个“半反应”，一个是在阳极发生的氧化反应(失去电子)，另一个是在阴极发生的还原反应(得到电子)，这两个反应构成了一个总的氧化-还原反应(氧化还原作用)，反应生成物为水。
采用氢气、空气(或氧气)作反应气的质子交换膜燃料电池，其电化学反应如下：
阴极：
阳极：
总反应：
在典型的燃料电池中，MEA的两侧还分别夹有两块反应气体导流极板，又称阴极或阳极流场板，其上分别包括至少一条以上的阴极或阳极气体流道。这些流场板可以是导电的金属材料，也可以是导电的石墨材料。这些流场板上的气体流道分别将氢燃料和氧化剂输送到MEA两侧的阳极和阴极扩散层的表面，同时将MEA反应生产的尾气和水传输出去。另外，流场板还能作为电流集流体，将MEA进行电化学反应产生的电流传递给负载。因此，在质子燃料电池工作过程中，流场板起着输送反应气体、传输电子、排输尾气和水等重要的作用。
当质子交换膜燃料电池工作时，质子(即H+)从阳极穿过质子交换膜到达阴极，由于质子必须以水合质子的形式穿过质子交换膜，而且一个水质子穿过质子交换膜时必须同时携带数个水分子，因此质子交换膜中水的含量会下降，这就会造成膜的电导率下降，并导致电池性能下降。另一方面，由于燃料电池的电池反应生成水，因此燃料电池工作时，从流场板导流槽的入口到出口，随着反应生成的水不断增多，反应气中的水含量也不断增加。由于前段流道内反应生成的水不断积累，因此将导致大量液态水的积存，从而引起气体流动不畅，电池性能降低。因此燃料电池在工作时必须保持一定程度的润湿，实现水的有效管理和保持水均匀性是整个质子交换膜燃料电池的关键。
CN1393951A公开了一种可使燃料电池中的质子交换膜得到均匀水分布的方法，其中提供了一种导流极板4，结构如图1所示，在燃料电池导流极板的上、下端分别设置一个气体进口A和一个气体出口B。上端的气体进口A至少通过一条导流槽5与下端的气体出口B连通，同时下端的气体进口A至少通过一条导流槽5与上端的气体出口B连通，这样两路气体就可以在导流极板4上逆向流动，从而使膜内水分布的均匀性得到改善。
但上述方法的缺点在于，导流极板上对同一种气体必须设置两对或者更多的进出口，对电池的安装造成很大的不便，同时也减少了导流极板的有效反应面积，使得电池的体积功率密度降低。并且此种方法还要求极板上形成的导流槽的并行条数必须为2的倍数，否则部分区域就会出现干湿不均的情况，这也使流场的设计受到了一定的限制。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种能够使燃料电池质子交换膜水分布更加均匀的燃料电池流场板。本实用新型的另一个目的是提供一种包括该流场板的质子交换膜燃料电池。
本实用新型提供的流场板包括气体进口1、气体出口2和连通气体进口1与气体出口2的导流槽3，其中，所述导流槽3从气体进口1开始，以螺旋形式从所述流场板的外围逐渐向中心缩小，再从中心反向逐渐向外围扩大，至气体出口2结束。
本实用新型提供的质子交换膜燃料电池包括流场板，其中，所述流场板包括气体进口1、气体出口2以及连通气体进口1与气体出口2的导流槽3，所述导流槽3从气体进口1开始，以螺旋形式从所述流场板的外围逐渐向中心缩小，再从中心反向逐渐向外围扩大，至气体出口2结束。
本实用新型所提供的流场板通过使用以回旋结构分布的导流槽，使得最干燥的气体流槽与最湿润的气体流槽相邻且间隔排列，而且任意相邻的导流槽内的气体都是逆向流动的。因此，质子交换膜的干燥区域和湿润区域相互靠近，有利于水分在质子交换膜中的传输，从而提高了质子交换膜的水均匀性，进而提高了燃料电池工作的发电性能。此外，由于本实用新型提供的流场板对导流槽的数量没有限制，同时对同一种反应气体只需要设置一个进气口和一个出气口，而且该流场板可以同时适用于质子交换膜燃料电池的阴极和阳极，因此该流场板还具有设计简单、加工制造以及安装方便等优点，而且降低了电池的制造成本。
附图说明
图1为CN1393951A公开的导流极板的结构示意图；
图2为本实用新型提供的流场板的结构示意图；
图3为本实用新型提供的流场板的结构示意图。
具体实施方式
如图2和3所示，本实用新型所提供的流场板包括位于流场板一侧的气体进口1，位于流场板另一侧的气体出口2和连通气体进口1与气体出口2的导流槽3，其中，所述导流槽3从气体进口1开始，以螺旋形式从所述流场板的外围逐渐向中心缩小，再从中心反向逐渐向外围扩大，至气体出口2结束。如图中箭头所示，反应气体在所述流场板中沿所述导流槽3的走向为：气体从位于流场板一侧的气体进口1进入，沿从流场板的外围以螺旋形式向中心逐渐缩小的流道，流向流场板的中心区域，再沿从流场板的中心区域以螺旋形式反向向外围逐渐扩大的流道，向流场板的外围流动，最后从位于流场板另一侧的气体出口2流出。
所述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。所述气体进口1和气体出口2也可以分别为各种形状，如圆形、椭圆形或多边形，优选为圆形、六边形或矩形，其尺寸可以根据需要而定，只要能够满足氧化气或燃料气的流通即可。所述流场板可以同时适用于燃料电池的阴极流场板和阳极流场板，阴极反应气体可以为空气、氧气或其它含氧化剂的气体，阳极反应气体可以为氢气或其它燃料气。
所述导流槽3可以根据流场板的形状分布或者不随流场板的形状分布。所述导流槽3分布的螺旋形式可以为圆形螺旋、椭圆形螺旋或多边形螺旋，优选为圆形螺旋、椭圆形螺旋或矩形螺旋。所述导流槽3中心对称，对称中心为所述流场板的几何中心。所述导流槽3可以根据需要选择流道的并行条数，如1～6条，优选为1～3条。所述导流槽3的深度为0.1～1.5毫米，优选为0.3～0.1毫米；其宽度为0.3～3.5毫米，优选为1.0～2.4毫米；相邻的所述导流槽之间的间距，即所述流场板板脊的宽度为0.2～2.0毫米，优选为0.5～1.5毫米。
本实用新型的另一实施方式中，流场板包括位于流场板一侧的气体进口1，位于流场板同侧的气体出口2和连通气体进口1与气体出口2的导流槽3，其中，所述导流槽3从气体进口1开始，以螺旋形式从所述流场板的外围逐渐向中心缩小，再从中心反向逐渐向外围扩大，至气体进口1的对侧时，继续平行于导流槽螺旋延伸，直至气体出口2。
本实用新型提供的质子交换膜燃料电池，除了包括本实用新型提供的流场板之外，还包括质子交换膜燃料电池的其它必要组件，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。
下面的实例将对本实用新型做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供了流道并行条数为1条的流场板，其具体结构见图2。
该流场板包括气体进口1、气体出口2以及导流槽3。该流场板尺寸为45×60毫米，导流槽宽度为1.6毫米，深度为0.6毫米，有效反应面积为16平方厘米。
本实施例中，导流槽3为单条导流槽，采用矩形螺旋形式回旋。用该流场板组装成燃料电池后，反应气体从流场板的气体进口1进入导流槽3，按照图中箭头所示方向经过回旋的导流槽，最后从气体出口2流出。在反应气体流动过程中，最干燥的气体流槽与最湿润的气体流槽相邻且间隔排列，而且任意相邻的导流槽内的气体都是逆向流动的。
用两块采用该设计方案加工的流场板，夹一片有效面积为16平方厘米的膜电极(MEA)，组成燃料电池单电池，阴、阳极分别通入压力0.05MPa的空气和氧气，其在50℃条件下测试的功率为5.8瓦，较同样面积的普通流场板在同样条件下测得的性能高出10％，电池工作的稳定性和可靠性都得以提高。
实施例2
本实施例提供了流道并行条数为3条的流场板，其具体结构见图3。
该流场板包括气体进口1、气体出口2以及导流槽3。该流场板尺寸为200×130毫米，导流槽的宽度为2.2毫米，深度为0.8毫米，有效反应面积为175平方厘米。
本实施例中，流场板上的导流槽为3条并行，采用矩形螺旋形式回旋。用该流场板组装成燃料电池单电池后，反应气体从流场板的气体进口1分成3股进入导流槽3，按照图中箭头所示方向经过回旋的导流槽，最后从气体出口2流出。在反应气体流动过程中，最干燥的气体流槽与最湿润的气体流槽相邻且间隔排列，而且除中间位置的流槽外，任意相邻的导流槽内的气体都是逆向流动的。
用该型流场板做阴极流场板，再配上一块普通的阳极流场板，夹一片有效面积为175平方厘米的膜电极(MEA)，组装成燃料电池单电池，阴、阳极分别通入压力为0.1MPa的空气和氢气，其在65℃条件下测试的功率为72瓦，较同样面积的两块普通流场板在同样条件下测得的性能高出8％，电池工作的稳定性和可靠性得以提高。

Claims (11)

1.一种流场板，所述流场板包括气体进口(1)、气体出口(2)以及连通气体出口(2)和气体进口(1)的导流槽(3)，其特征在于，所述导流槽(3)从气体进口(1)开始，以螺旋形式从所述流场板的外围逐渐向中心缩小，再从中心反向逐渐向外围扩大，至气体出口(2)结束。
2.根据权利要求1所述的流场板，其中，气体进口(1)位于流场板的一侧，气体出口(2)位于流场板的另一侧。
3.根据权利要求2所述的流场板，其中，所述导流槽(3)中心对称，对称中心为所述流场板的几何中心。
4.根据权利要求1所述的流场板，其中，气体进口(1)和气体出口(2)位于流场板的同一侧。
5.根据权利要求1所述的流场板，其中，所述流场板为矩形、圆形或椭圆形。
6.根据权利要求1所述的流场板，其中，所述螺旋形式为矩形螺旋、圆形螺旋或椭圆形螺旋。
7.根据权利要求1所述的流场板，其中，所述导流槽为并行的多条，其并行条数为1～6条。
8.根据权利要求1所述的流场板，其中，所述导流槽的深度为0.1～1.5毫米。
9.根据权利要求1所述的流场板，其中，所述导流槽的宽度为0.3～3.5毫米。
10、根据权利要求1所述的流场板，其中，所述流场板板脊的宽度为0.2～2.0毫米。
11.一种质子交换膜燃料电池，其特征在于，该燃料电池包括如权利要求1-10中任意一项所述的流场板。
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CN105762370A (zh) * 2016-02-27 2016-07-13 江西理工大学 一种液态燃料电池的二氧化碳自呼出型电池阳极装置
CN113506888A (zh) * 2021-09-07 2021-10-15 爱德曼氢能源装备有限公司 一种燃料电池极板结构及电堆

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105762370A (zh) * 2016-02-27 2016-07-13 江西理工大学 一种液态燃料电池的二氧化碳自呼出型电池阳极装置
CN105762370B (zh) * 2016-02-27 2018-04-20 江西理工大学 一种液态燃料电池的二氧化碳自呼出型电池阳极装置
CN113506888A (zh) * 2021-09-07 2021-10-15 爱德曼氢能源装备有限公司 一种燃料电池极板结构及电堆
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