CN101047252A - 一种质子交换膜燃料电池混合型逐变流场 - Google Patents

Abstract

一种质子交换膜燃料电池混合型逐变流场，属于燃料电池流场技术领域，涉及一种质子交换膜燃料电池用多通道沟槽逐级递减蛇行流场和多通道圆蛇形流场混合构成的流场结构，包括混合流场反应区域沟槽、入口和出口处的导流沟槽、密封沟槽，连通导流沟槽和混合流场反应区域沟槽的分配槽，混合流场反应区域沟槽为串连的多层级沟槽和每一层级并行的多条沟槽，其串连层级从燃料入口处到出口处逐级减少，混合流场反应区域中的沟槽均为圆弧形状，圆心为同一中心点，内密封沟槽和外密封沟槽的圆心均与混合流场反应区域沟槽的圆心为同一中心点，出口处设在混合流场的中心部分。本发明提高了燃料利用率，对温度的保持有效提高了电池的排水速度和避免了积水现象。

Description

一种质子交换膜燃料电池混合型逐变流场

技术领域

本发明属于燃料电池流场，特别涉及一种质子交换膜燃料电池的流场结构。

背景技术

燃料电池是一种可以高效地将燃料和氧化剂通过电极反应直接转化为电能的发电装置。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是以全氟磺酸型离子交换膜为电解质，氢气或甲醇为燃料，空气或氧气为氧化剂的燃料电池。PEMFC的核心是膜MEA和双极板。膜MEA是电化学反应的场所，双极板提供气体分配和收集电流，为了完成气体分配和收集电流这两项任务，双极板通常需具有良好的导电性能、良好的导热性能、抗燃料和氧化剂的穿透性和在电化学环境中的抗腐蚀性能等。流场板可以是和双极板一体的，也可以是分体的。在常见的燃料电池中，有的流场板与双极板是分体的，如多孔体流场和由各种金属网构造的网状流场板等，另外有的流场板与双极板是一体的，如点状、部分蛇型流场板、交指状流场等。

目前在质子交换膜燃料电池PEMFC中广泛应用的双极板主要有石墨(包括纯石墨板和石墨与聚合物复合板)双极板、金属双极板、金属与石墨复合双极板和聚合树脂与石墨掺杂注塑成型的双极板等。传统的流场结构一般分为：点状、网状、平行沟槽、蛇行、交指状和肺型分支状等。

流场的功能是引导反应燃料的流动，确保燃料流体能够均匀分配到电极扩散层，使其能够与催化层充分反应。流场的设计首先应当满足流动顺畅，压力降较小(以减少气体压缩的辅助功耗)和保证气体通过扩散层向催化剂表面的传递均匀，在PEMFC燃料电池中，电极各处均能获得充足的反应剂是保证PEMFC燃料电池正常运行的关键，如果在燃料电池实验中反应组分的分布不均匀，就会造成电极各处反应的不均匀，将会产生一定程度的浓差极化，从而引起电流密度分布不均匀，导致电池局部过热，影响电池的寿命与降低了电池性能。

其次，及时把电池电化学反应生成水排出是非常重要的。如果不能及时把生成水排出，随着反应生成水的逐渐累积，将会导致：(1)催化剂周围的水使得反应剂与催化剂不能进行充分接触，即出现所谓的“电极水淹”现象；(2)水的累积有时也会使得膜局部产生溶涨现象，使膜产生收缩或是弯曲变形，影响电池的输出性能；(3)增大了反应剂通过扩散层到达催化层的传质阻力，降低电池的输出功率。

蛇行流场是目前最广泛应用的一种流场，蛇形流道的优点是从入口到出口是一个连续的通道，与平行沟槽相比其通道相对很长，而且有多次方向变化，反应剂在流场里交错流动，能提高各个单电池之间电堆压力负荷的均匀分布以及反应剂在电极表面上的分配，蛇形流场的缺点除比平行流场压力降大外，由于流道过长和气体沿流动方向的逐渐消耗，反应气的浓度会大幅度减小，靠近出口端的反应由于浓度的减少而反应不充分，造成浓差极化增大和催化剂不能得到充分的应用。为使质子交换膜燃料电池处于高性能的工作状态，保持膜电极与双极板的接触各点的均匀分布显然是十分重要的，蛇形流场中的气体分布不一致性导致了膜电极的各个反应区域的实际性能不均衡。并且由于蛇行流场的出口处靠近流场板的边缘，容易造成热量的损失，所以出口端的温度总是最低，同时由于反应生成的水一直沿流道输送，到达出口端时很容易液化，随着生成水的累积，从而堵塞出口，造成积水现象，严重影响电池的正常工作性能。

专利CN98114178.1在直通道蛇行流场中采用了串并联逐渐变化结构，《Journal of Power Sources》2006年154卷171-179页发表的文章“Currentdistribution mapping in polymer electrolyte fuel cells-A finite elementanalysis of measurement uncertainty imposed by lateral currents”在直通道蛇行流场的串并联结构交接的汇集处应用了双条通道汇集的结构。上述流场在一定程度上解决了燃料电池中燃料反应分布性不均匀问题，但都没有很好的解决燃料出口处水易液化现象。

发明内容

为了解决上述各种流场的不足，在保留多通道蛇形流场能有效地控制流场压降和降低辅助功耗的优点的基础上，本发明提出在圆形蛇行通道流场中采用逐级变化的结构，并充分利用温度的合理分布，采用中心导出的流场结构，以避免“水淹现象”。

为实现上述目的，本发明流场采用将流场板和双极板合为一体，由多通道沟槽逐级递减蛇行流场和多通道圆蛇形流场混合构成燃料反应区域。其主体结构包括混合流场反应区域沟槽A和B、入口1和6和出口5和10处的导流沟槽2、7、4和9、内密封沟槽11和外密封沟槽12组成的密封沟槽、连通导流沟槽和混合流场反应区域沟槽的分配槽3和8。

该流场板上的混合流场反应区域沟槽A和B包括串连的多层级沟槽和每一层级并行的多条沟槽，串连的层级数为n，n的值依次取0、1、2、3……，其第n层级的并行沟槽数为2ⁿ个。在同一个层级中，并行的每一个单通道沟槽的宽度都相同并与脊宽度相同，同时并行的每一沟槽的深度相同，混合流场反应区域中所有的沟槽均为圆弧形状，所有的圆弧沟槽圆心为同一中心点，燃料出口处与氧化剂出口处设在混合流场的中心部分，该流场板的内密封沟槽11和外密封沟槽12的圆心均与混合流场反应区域沟槽的圆心为同一中心点，整体多层级呈串连分布，其分层级从燃料入口处到出口处逐级减少。

连通导流沟槽和混合流场反应区域沟槽的分配槽的入口形状为长圆形开口或楔型开口，混合流场反应区域沟槽横截面可以呈矩形开口、半圆形开口、燕尾式开口或双类燕尾式开口等多种形状。

在同一流场板结构中，内密封沟槽和外密封沟槽宽度相同，沟槽的宽度为0.2～0.6mm，内密封沟槽和外密封沟槽深度相同，沟槽的深度为0.1～0.5mm。

混合流场反应区域最高层级的沟槽数目与依次相连的低一层级的沟槽数目的比值为8∶4∶2∶1或16∶8∶4∶2∶1多种不同形式。并且其低级别的沟槽的宽度和深度可以因具体要求而适当的调整。

质子交换膜燃料电池流场结构采用的金属板可以是不锈钢板、钛板、银板、铌板或者上述材料表面镀上一层金或者其他镀层。

氧化剂和燃料分别由相对应的入口1、6处流入，经多通道渐变流场，在中心处的出口5、10处流出，流体通过一个比外密封沟槽11深0.1～0.5mm的导流沟槽2、7在外密封沟槽下面横穿过外密封区域，将反应燃料传递到分配沟槽3、8，分配沟槽3、8形状可以为长圆形分配槽或者楔形分配槽，经分配沟槽分流后，燃料进入混合流场反应区域沟槽A、B，混合流场反应区域分为左半侧A和右半侧B混合圆蛇形逐变流场，所有圆弧形沟槽通道为同一几何中心。在混合圆蛇行逐变流场中，串连的层级数为n，n的值依次取0、1、2、3……，其第n层级的并行沟槽数为2ⁿ个。在16通道流场中，燃料流过分配槽后，在与分配槽紧密相连的第4层级通道共16支并行沟槽中流动，经电极扩散层到达催化层参与电化学反应，随着反应的进行，燃料浓度差增大。混合流场中第4层级16支并行沟槽与第3层级的8支并行通道串接后，在一定程度上减少了浓度梯度。在混合流场A、B中，反应沟槽依次逐级递减为第2层级的4支并行通道、第1层级的2支并行通道，最终流经0层级的单支通道，通过内密封圈12下面的导流沟槽4、9横穿过密封沟槽12后，最终从中心出口处5、10流出。

本发明采用的金属板可以是不锈钢板、钛板、银板、铌板或者上述材料表面镀上一层金或者其他镀层。其加工方式可以是机械加工、激光或高能射线切削、模压、(光)电化学腐蚀等。

本发明具有如下优点：

1.改进了多通道蛇形流场的反应燃料末端流体不均匀性，以分层级的并串联方式进行反应燃料的分派，使电极表面的各处燃料分配的更加均匀。

2.避免了传统结构出口处温度降低的现象，降低了电池边缘的热量损失，在一定程度上避免了出口处水淹的现象。

3.流体在流场流动的过程中在层级逐级变化时易于出现湍流流动，有利于提高传质速度，减少浓差极化。

4.提高了燃料的利用率，结构更加紧凑，易于加工和圆形的相关密封设计，更利于与目前的通用件相配套。

本发明由于改善了流场的结构，提高了燃料利用率，对温度的保持有效提高了电池的排水速度和避免了积水现象，并且结构简单，易于加工，耐腐蚀性能好，还可以满足电池微型化和集成化的商业要求。

附图说明

图1为本发明流场板多通道渐变式圆蛇形沟槽轴对称结构示意图

图2为本发明流场板沟槽横截面为矩形开口结构示意图。

图3为本发明流场板沟槽横截面为半圆开口结构示意图。

图4为本发明流场板沟槽横截面为长圆开口结构示意图。

图5为本发明流场板沟槽横截面为燕尾槽结构示意图。

图6为本发明流场板沟槽横截面为双燕尾槽结构示意图。

(该图的制作工艺一般应用于喷砂式加工。)

图7为本发明流场板多通道渐变式圆蛇形沟槽逆对称结构示意图。

图8为本发明流场板多通道渐变式圆蛇形沟槽单流向结构示意图。

具体实施方式

实施例1

该流场涉及两对燃料入口与出口。将基板尺寸为90mm×90mm×3mm(长×宽×厚)的不锈钢板进行机械加工。如图1所示，以左半侧为例，燃料由入口1进入，进口通孔的直径为4mm，经过外密封沟槽下面的导流沟槽2流入分配沟槽3，导流沟槽2横截面呈长方形开口，横截面(宽×高)为2mm×1mm，分配沟槽3将反应的燃料均匀分配给第2层级的并行4条通道，分配槽3的横截面呈长方形开口，其(长×宽×深)16mm×2mm×1mm。分配沟槽要比流场沟槽深0.5mm，将导流沟槽2的燃料充分引流。

沟槽A、B区域分别为反应的左、右半侧圆形逐变流场，所有圆弧行沟槽通道为同一几何中心。横截面呈长方形开口，宽度均为1mm，深度均为0.5mm，实例一为4通道渐变结构。燃料流体从分配槽引入后在第2层级的并行4通道内流动。在通道第3层级和第2层级交界处递减变换为2通道，然后经流道流动最后变化为1通道，经过内密封沟槽下面的导流沟槽4，从出口5处流出。

如图所示，板的内部铣刻有圆形内密封沟槽11和外密封沟槽12，密封沟槽的宽度为0.6m，密封沟槽的深度为0.5mm，与所有的圆弧形沟槽同心，其心同时为中央燃料出口的均匀分配点。

实施例2

多通道渐变流场的形状与结构与实施例1基本相同，混合流场反应区域A和B沟槽的宽度与脊的宽度为0.5mm，沟槽深度为0.4mm，密封沟槽11和12的宽度为0.2mm，密封沟槽的深度为0.1mm，所不同的是燃料入口6、导流沟槽7、分配槽8、导流沟槽9、燃料出口10以及流场区域B与1、2、3、4、5以及流场区域A呈关于中心点点对称。即与实施例的右侧部分以水平方向反对称。如图7所示。

实施例3

多通道渐变流场的沟槽横截面尺寸与实施例1相同，混合流场反应区域A和B沟槽的宽度与脊的宽度为1.5mm，沟槽深度为1.0mm.所不同的是流场整体只涉及一对燃料入口与出口，如图8所示。

该发明改进了多通道蛇形流场反应燃料末端分配不均匀性，避免了传统结构出口处温度降低的现象，降低了电池边缘的热量损失，避免了出口处水淹的现象。

Claims (5)

1、一种质子交换膜燃料电池混合型逐变流场，流场板和双极板合为一体，其特征在于，主体结构包括混合流场反应区域沟槽(A)和(B)、入口(1)和(6)和出口(5)和(10)处的导流沟槽(2)、(7)、(4)和(9)、内密封沟槽(11)和外密封沟槽(12)组成的密封沟槽，连通导流沟槽和混合流场反应区域沟槽的分配槽(3)和(8)；混合流场反应区域沟槽(A)和(B)为串连的多层级沟槽和每一层级并行的多条沟槽，其串连层级从燃料入口处到出口处逐级减少，串连的层级数为n，n的值依次取0、1、2、3……，其第n层级的并行沟槽数为2ⁿ个；混合流场反应区域中所有的沟槽均为圆弧形状，圆心为同一中心点，内密封沟槽和外密封沟槽的圆心均与混合流场反应区域沟槽的圆心为同一中心点，出口处设在混合流场的中心部分。

2、如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池混合型逐变流场，其特征在于，在同一个层级中，并行的每一个单通道沟槽的宽度都相同并与脊宽度相同，同时并行的每一沟槽的深度相同。

3、如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池混合型逐变流场，其特征在于，连通导流沟槽和混合流场反应区域沟槽的分配槽(3)、(8)的入口形状为长圆形开口或楔型开口，混合流场反应区域沟槽横截面呈矩形开口、半圆形开口、燕尾式开口或双类燕尾式开口形状。

4、如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池混合型逐变流场，其特征在于，在同一流场板结构中，内密封沟槽和外密封沟槽宽度相同，沟槽的宽度为0.2～0.6mm，内密封沟槽和外密封沟槽深度相同，沟槽的深度为0.1～0.5mm。

5、如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池混合型逐变流场，其特征在于，质子交换膜燃料电池流场结构采用的金属板是不锈钢板、钛板、银板、铌板或者上述材料表面镀上一层金或者其他镀层。

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