CN101587964B - 一种基于板内逆流流场的燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于板内逆流流场的燃料电池，属于燃料电池技术领域。在电池单元的空气流场板上，开有两对空气进出口、两组相互间隔排列的空气流道、两组穿过空气流场板的空气过孔，从而形成空气板内逆流流场；在燃料流场板上，开有两对燃料进出口、两组相互间隔排列的燃料流道、两组穿过燃料流场板的燃料过孔，从而形成燃料板内逆流流场；在空气流场板上还开有两对燃料进出口，在燃料流场板上还开有两对空气进出口，从而实现两种流场板的集成。在本发明的燃料电池中，一个流道内流体各组分浓度的逐渐降低将被与其紧邻的流道内流体各组分浓度的逐渐增加所平均，从而实现流体中各组分的浓度在整个活性区的任何宏观微区之间基本保持相同。

Description

一种基于板内逆流流场的燃料电池

技术领域

本发明涉及一种基于板内逆流流场的燃料电池，属于燃料电池技术领域。

背景技术

在已知的燃料电池双极板堆设计中的流道配置方案中，比较典型的有蛇形配置、平行配置、交叉梳状配置、点状配置和多孔体配置等。在蛇形配置方案中，如美国专利US4631239(1986)的报道，流体从入口经并排的多个曲折迂回的流道到达出口；在平行配置方案中，如US Patent No.4631239(1986)的报道，流体从入口经并排的多个直形的流道到达出口；在交叉梳状配置方案中，如T.V.Nguyen，J.Electrochem.Soc.143，L103(1996)的报道，流体从入口先经过并排的多个流道，后经过脊下多孔的扩散层和反应物层，然后再经过并排的多个流道，最后到达出口；在点状配置方案中，如US Patent No.4769297(1988)，流体从入口经过由点状孤岛群形成的网状通道到达出口；在多孔体配置方案中，如US Patent No.5252410(1993)，流体从入口通过多孔导电材料之间的孔隙到达出口。目前所有的流体配置方案(包括上述几种)有一个共同的优点，即流道配置简单，流体在流道内并行且单向地从入口流动到出口，但它们也有一个共同的缺点，参与反应的流体的单向流动将导致流体各组分的浓度从入口到出口单调地下降(对反应物而言)或单调地增加(对产物而言)，从而导致流体各组分的浓度在电池活性区的各微区中的浓度不相同，最终成为电流密度在整个活性区分布不均匀的一个重要原因。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于板内逆流流场的燃料电池，通过控制流体在与活性区对应的任两个紧邻的流道内双向流动(即逆流)，以实现流体中各组分的浓度在整个活性区的任何宏观微区之间基本保持相同。

本发明提出的基于板内逆流流场的燃料电池，包括夹板和多个电池单元，多个电池单元相互串连后，夹在两个夹板之间，其特征在于其中所述的电池单元包括空气流场板、燃料流场板和膜电极，空气流场板和燃料流场板分别置于膜电极的两侧；

所述的空气流场板的上端自左至右依次开有第一燃料入口、第二空气出口、第一空气入口和第二燃料出口，下侧开有穿过空气流场板的第二组空气过孔；空气流场板的下端自左至右依次设有第二燃料进口、第一空气出口、第二空气入口和第一燃料出口，上侧开有穿过空气流场板的第一组空气过孔；空气流场板的与膜电极相对的面上，中部设有第一组空气流道和第二组空气流道，第一组空气流道和第二组空气流道相互间隔排列；所述的第一组空气流道的进口端通过第一进口分配槽和第一组进口槽与第一空气入口相连通，第一组空气流道的出口端依次通过第一组空气过孔、空气流场板的与膜电极相背对面上的第一组出口汇集槽和第一组出口槽与第一空气出口相连通；所述的第二组空气流道的进口端通过第二组进口分配槽和第二组进口槽与第二空气入口相连通，第二组空气流道的出口端依次通过第二组空气过孔、空气流场板的与膜电极相背对面上的第二组出口汇集槽和第二组出口槽与第二空气出口相连通；

所述的燃料流场板的上端自右至左依次开有第一燃料入口、第二空气出口、第一空气入口和第二燃料出口，下侧开有穿过燃料流场板的第二组燃料过孔；燃料流场板的下端自右至左依次设有第二燃料进口、第一空气出口、第二空气入口和第一燃料出口，上侧开有穿过燃料流场板的第一组燃料过孔；燃料流场板的与膜电极相对的面上，中部设有第一组燃料流道和第二组燃料流道，第一组燃料流道和第二组燃料流道相互间隔排列；所述的第一组燃料流道的进口端通过第一组进口分配槽和第一组进口槽与第一燃料入口相连通，第一组燃料流道的出口端依次通过第一组燃料过孔、燃料流场板的与膜电极相背对面上的第一组出口汇集槽和第一组出口槽与第一燃料出口相连通；所述的第二组燃料流道的进口端通过第二组进口分配槽和第二组进口槽与第二燃料入口相连通，第二组燃料流道的出口端依次通过第二组燃料过孔、燃料流场板的与膜电极相背对面上的第二组出口汇集槽和第二组出口槽与第二燃料出口相连通。

本发明提出的基于板内逆流流场的燃料电池，其优点是：在一个流道内流体各组分浓度的逐渐降低被与其紧邻的流道内流体各组分浓度的逐渐增加所平均，而且一个流道内的流体可通过脊下的多孔扩散层和催化层与其紧邻的流道内的流体以扩散方式相连通，从而实现流体中各组分的浓度在整个活性区的任何宏观微区之间基本保持相同，进而促进电流密度在整个活性区均匀分布。这样就克服了传统流场中流体中各组分的浓度随流程的增加而逐渐增加或增加减小的缺陷。

本发明不仅可以用于燃料电池流场，也可用于其他非燃料电池流体的流道分配。

附图说明

图1是本发明提出的电池单元的结构示意图。

图2为图1中空气流场板的右视图(空气流场板正面)。

图3为图1中空气流场板的左视图(空气流场板背面)。

图4为图1中燃料流场板的右视图(燃料流场板背面)。

图5为图1中燃料流场板的左视图(燃料流场板正面)。

在图1、2、3、4、5中，1为电堆夹板，2为电堆单元，3为空气流场板(阴极流场板)，4为膜电极，5为燃料流场板(阳极流场板)，6为第一燃料入口，7为第二空气出口，8为第一空气入口，9为第二燃料出口，10为第一组空气入口槽，11为第一组空气入口分配槽，12为第一组空气流道，13为第一组空气过孔，14为第二组空气入口分配槽，15为第二组空气入口槽，16为第一燃料出口，17为第二空气入口，18为第一空气出口，19为第二燃料入口，20为第二组空气流道，21为第二组空气过孔，22为第二组空气出口槽，23为第二组空气出口汇集槽，24为第一组空气出口汇集槽，25为第一组空气出口槽，26为第一空气流场板盖板槽，27为第二空气流场板盖板槽，28为第二组燃料出口槽，29为第二组燃料出口汇集槽，30为第二组燃料过孔，31为第一组燃料过孔，32为第一组燃料出口汇集槽，33为第一组燃料出口槽，34为第一燃料流场板盖板槽，35为第二组燃料流场板盖板槽，36为第一组燃料入口槽，37为第一组燃料入口分配槽，38为第一组燃料流道，39为第二组燃料入口分配槽，40为第二燃料入口槽，41为第二组燃料流道。

具体实施方式

本发明提出的基于板内逆流流场的燃料电池，其结构如图1所示，包括夹板1和多个电池单元2，多个电池单元2相互串连后，夹在两个夹板1之间。电池单元2包括空气流场板3、燃料流场板5和膜电极4，空气流场板3和燃料流场板5分别置于膜电极3的两侧。

上述空气流场板3的结构如图2所示，其上端自左至右依次开有第一燃料入口6、第二空气出口7、第一空气入口8和第二燃料出口9，下侧开有穿过空气流场板的第二组空气过孔21。空气流场板的下端自左至右依次设有第二燃料进口19、第一空气出口18、第二空气入口17和第一燃料出口16，上侧开有穿过空气流场板的第一组空气过孔13。空气流场板的与膜电极相对的面上，中部设有第一组空气流道12和第二组空气流道20，第一组空气流道12和第二组空气流道20相互间隔排列。第一组空气流道12的进口端通过第一进口分配槽11和第一组进口槽10与第一空气入口8相连通，第一组空气流道12的出口端依次通过第一组空气过孔13、空气流场板的与膜电极相背对面上的第一组出口汇集槽24和第一组出口槽25与第一空气出口18相连通。第二组空气流道20的进口端通过第二组进口分配槽14和第二组进口槽15与第二空气入口17相连通，第二组空气流道20的出口端依次通过第二组空气过孔21、空气流场板的与膜电极相背对面上的第二组出口汇集槽23和第二组出口槽22与第二空气出口7相连通，如图3所示。

上述燃料流场板5的结构如图5所示，其上端自右至左依次开有第一燃料入口6、第二空气出口7、第一空气入口8和第二燃料出口9，下侧开有穿过空气流场板的第二组燃料过孔30。燃料流场板的下端自右至左依次设有第二燃料进口19、第一空气出口18、第二空气入口17和第一燃料出口16，上侧开有穿过燃料流场板的第一组燃料过孔31。燃料流场板的与膜电极相对的面上，中部设有第一组燃料流道38和第二组燃料流道41，第一组燃料流道38和第二组燃料流道41相互间隔排列。第一组燃料流道38的进口端通过第一组进口分配槽37和第一组进口槽36与第一燃料入口6相连通，第一组燃料流道38的出口端依次通过第一组燃料过孔31、燃料流场板的与膜电极相背对面上的第一组出口汇集槽32和第一组出口槽33与第一燃料出口16相连通，第二组燃料流道41的进口端通过第二组进口分配槽39和第二组进口槽40与第二燃料入口19相连通，第二组燃料流道41的出口端依次通过第二组燃料过孔30、燃料流场板的与膜电极相背对面上的第二组出口汇集槽29和第二组出口槽28与第二燃料出口9相连通，如图4所示。

本发明提出的燃料电池，其设计原理是：

在与活性区相对应的流场部分，并排设置多个平行流道，并将流道按照相同的间隔分为两组；在流道的一端设置一个进口和一个出口，同时在另一端也设置一个进口和一个出口。一组流道在一端汇集在一起，并与一个进口相连连通，同时在另一端也汇集在一起，并与一个出口相连通，这样就形成一组性质等同的流道；按照同样的方式，将另一组流道在首端和末端汇集，并分别与另一个进口和出口相连通，这样就形成第二组性质等同的流道。在两组流道里将流体按相反的方向流动，这就形成了流体的板内逆流。在流场板上两组流道互不相通。在进口侧(或出口侧)，一组流道在双极板正面汇集，然后与进口(或出口)相连通；在出口侧(或进口侧)，该组流道在先通过穿透双极板的过孔，然后在流场板背面汇集，最后再与出口(或进口)相连通。对另一组采取完全相同的措施。这样可实现两组流道在流场板上互不相通。对上述两组流道中任一组均可增设进口或出口，对任一组流道均可进一步分组，但应保证同一大组流道内的各个流道在相同流程处的流动方向相同，而不同大组流道在相同流程处的流动方向相反。

图2和图3分别为图1中空气流场板3的右视图和左视图。如图3，在空气流场板的正面，并行的流道按从右至左的奇偶次序被分为两组：第一组空气流道12和第二组空气流道20；在流场板的上下两端共有两个空气进口和两个空气出口，上端右侧为第一空气入口8，上端左侧为第二空气出口7，下端右侧为第二空气入口17，下端左侧为第二空气出口18。在流场板的正面，空气从第一空气入口8经第一组空气入口槽10和第一组空气入口分配槽11进入第一组空气流道12，然后再经第一组空气过孔13到达流场板的背面，最后经流场板背面上的第一组空气出口汇集槽24和第一组空气出口槽25到达第一空气出口18，这形成了一组从上到下的空气流通路径；在流场板的正面，空气从第二空气入口17经第二空气入口槽15和第二组空气入口分配槽14进入第二组空气流道20，然后再经第二组空气过孔21到达流场板的背面，最后经流场板背面上的第二组空气出口汇集槽23和第二组空气出口槽22到达第二空气出口7，这形成了一组从下到上的空气流通路径；因在两组空气流通路径里呈逆流状态，故它们共同构成板内可逆流场。

在两组空气流通路径里，空气也可向同一个方向流动，从而形成板内并流流动。这样，在一个板内可逆流场中，空气既可逆流流动，也可并流流动。

在燃料电池中，一个单元的空气流场背面要与另一个单元的燃料流场背面连结在一起，为防止两种流场贯通，应在空气流场背面上的两组空气出口汇集槽和两组空气过孔上添加盖板，为此在背面要刻两个盖板槽，即第一空气流场板盖板槽26和第二空气流场板盖板槽27。

在空气流场板上，还刻有两个燃料进口和两个燃料入口，如图3和图4所示，这是为了将空气板内可逆流场与燃料板内可逆流场(如图4和图5)集成在一起。

图4和图5分别为图1中燃料流场板5的右视图和左视图。如图5，在燃料流场板的正面，并行的流道按从右至左的奇偶次序被分为两组：第一组燃料流道38和第二组燃料流道41；在流场板的上下两端共有两个燃料进口和两个燃料出口，上端右侧为第一燃料入口6，上端左侧为第二燃料出口9，下端右侧为第二燃料入口19，下端左侧为第一燃料出口16。在流场板的正面，燃料从第一燃料入口6经第一组燃料入口槽36和第一组燃料入口分配槽37进入第一组燃料流道38，然后再经第一组燃料过孔31到达流场板的背面，最后经流场板背面上的第一组燃料出口汇集槽32和第一组燃料出口槽33到达第一燃料出口16，这形成了一组从上到下的燃料流通路径；在流场板的正面，燃料从第二燃料入口19经第二组燃料入口槽40和第二组燃料入口分配槽39进入第二组燃料流道41，然后再经第二组燃料过孔30到达流场板的背面，最后经流场板背面上的第二组燃料出口汇集槽29和第二组燃料出口槽28到达第二燃料出口9，这形成了一组从下到上的燃料流通路径；因在两组燃料流通路径里呈逆流状态，故它们共同构成板内可逆流场。

在两组燃料流通路径里，燃料也可向同一个方向流动，从而形成板内并流流动。这样，在一个板内可逆流场中，燃料既可逆流流动，也可并流流动。

在电堆中，一个单元的燃料流场背面要与另一个单元的空气流场背面连结在一起，为防止两种流场贯通，应在燃料流场背面上的两组燃料出口汇集槽和两组燃料过孔上添加盖板，为此在背面要刻两个盖板槽，即第一燃料流场板盖板槽34和第二燃料流场板盖板槽35。

在燃料流场板上，还刻有两个空气进口和两个燃料入口，如图4和图5所示，这是为了将燃料板内可逆流场与空气板内可逆流场(如图2和图3)集成在一起。

Claims (1)

1.一种基于板内逆流流场的燃料电池，包括夹板(1)和多个电池单元(2)，多个电池单元(2)相互串连后，夹在两个夹板(1)之间，其特征在于其中所述的电池单元(2)包括空气流场板(3)、燃料流场板(5)和膜电极(4)，空气流场板(3)和燃料流场板(5)分别置于膜电极(4)的两侧；

所述的空气流场板(3)的上端自左至右依次开有第一燃料入口(6)、第二空气出口(7)、第一空气入口(8)和第二燃料出口(9)，下侧开有穿过空气流场板(3)的第二组空气过孔(21)；空气流场板(3)的下端自左至右依次设有第二燃料进口(19)、第一空气出口(18)、第二空气入口(17)和第一燃料出口(16)，上侧开有穿过空气流场板(3)的第一组空气过孔(13)；空气流场板(3)的与膜电极(4)相对的面上，中部设有第一组空气流道(12)和第二组空气流道(20)，第一组空气流道(12)和第二组空气流道(20)相互间隔排列；所述的第一组空气流道(12)的进口端通过第一进口分配槽(11)和第一组进口槽(10)与第一空气入口(8)相连通，第一组空气流道(12)的出口端依次通过第一组空气过孔(13)、空气流场板(3)与膜电极(4)相背对面上的第一组出口汇集槽(24)和第一组出口槽(25)与第一空气出口(18)相连通；所述的第二组空气流道(20)的进口端通过第二组进口分配槽(14)和第二组进口槽(15)与第二空气入口(17)相连通，第二组空气流道(20)的出口端依次通过第二组空气过孔(21)、空气流场板(3)与膜电极(4)相背对面上的第二组出口汇集槽(23)和第二组出口槽(22)与第二空气出口(7)相连通；

所述的燃料流场板(5)的上端自右至左依次开有第一燃料入口(6)、第二空气出口(7)、第一空气入口(8)和第二燃料出口(9)，下侧开有穿过燃料流场板的第二组燃料过孔(30)；燃料流场板(5)的下端自右至左依次设有第二燃料进口(19)、第一空气出口(18)、第二空气入口(17)和第一燃料出口(16)，上侧开有穿过燃料流场板的第一组燃料过孔(31)；燃料流场板(5)的与膜电极(4)相对的面上，中部设有第一组燃料流道(38)和第二组燃料流道(41)，第一组燃料流道(38)和第二组燃料流道(41)相互间隔排列；所述的第一组燃料流道(38)的进口端通过第一组进口分配槽(37)和第一组进口槽(36)与第一燃料入口(6)相连通，第一组燃料流道(38)的出口端依次通过第一组燃料过孔(31)、燃料流场板(5)的与膜电极(4)相背对面上的第一组出口汇集槽(32)和第一组出口槽(33)与第一燃料出口(16)相连通；所述的第二组燃料流道(41)的进口端通过第二组进口分配槽(39)和第二组进口槽(40)与第二燃料入口(19)相连通，第二组燃料流道(41)的出口端依次通过第二组燃料过孔(30)、燃料流场板(5)的与膜电极(4)相背对面上的第二组出口汇集槽(29)和第二组出口槽(28)与第二燃料出口(9)相连通。 

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