CN103427098A

CN103427098A - 一种亲液通道和疏液通道嵌套排布的流场板

Info

Publication number: CN103427098A
Application number: CN2013103029844A
Authority: CN
Inventors: 梁军生; 李栋; 王光燕; 王大志; 张扬; 胡颉
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2013-07-18
Filing date: 2013-07-18
Publication date: 2013-12-04

Abstract

本发明一种亲液通道和疏液通道嵌套排布的流场板，属于燃料电池和水电解池领域，涉及一种亲液通道和疏液通道嵌套排布的流场板，适用于质子交换膜类燃料电池和电解池的流场板结构。流场板包括流场板本体，供气、液体输运的第一流体通道和第二流体通道，以及分隔第一、第二流体通道的脊。该流场板上至少包括一条与膜电极组件表面相对的亲液通道和一条与膜电极组件表面相对的疏液通道，上述通道在流场板本体上互相嵌套排布，通道间用脊隔开。本发明的亲液通道和疏液通道嵌套排布的流场板结构对两相流体的分相输运效果明显，减小反应物和生成物在流场中的输运阻力，提高了反应流体的分布均匀性，有效提高燃料电池或电解池的工作性能。

Description

一种亲液通道和疏液通道嵌套排布的流场板

技术领域

本发明属于燃料电池和水电解池领域，涉及一种亲液通道和疏液通道嵌套排布的流场板，适用于质子交换膜类燃料电池和电解池的流场板结构。

背景技术

燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的清洁能源，具有高比能、高效率、清洁环保等优点，在国民经济众多领域中有广泛应用前景。燃料电池主要由膜电极组件（Membrane Electrode Assembly，MEA）和极板组成。MEA是燃料电池发生电化学反应的核心区域，通常由质子交换膜及其两侧的多孔电化学电极组成；极板具有收集电流和分配反应物料的双重作用，一般通过在平面板状导体表面加工出覆盖整个燃料电池电化学活性区域的流体分配通道而获得。在燃料电池工作过程中，反应物作为第一流体从流场入口端流入，途径MEA活性区域并发生电化学反应，生成的第二流体由MEA活性区域排出到流场通道中，最后与剩余反应物一起从流场通道出口排出。电解池实际上是一种相反的燃料电池，工作过程中电能将水分解为氢和氧。

在燃料电池实际工作过程中，同一流场内的第一流体和第二流体在多种情况下会以气、液两相形态混合存在。例如，采用液态碳氢燃料的燃料电池阳极流场，一般会随着燃料催化氧化而释放出气态二氧化碳；同理，采用气态氧化剂（如纯氧气、空气）的燃料电池阴极流场，也通常会随着氧化剂的催化还原反应而生成液态水。由此可见，气液两相流体在燃料电池流场中是一种常见的流型。这种两相流动对燃料电池造成的不利影响主要体现在1）物种串扰，彼此制约：异相的第一流体和第二流体在同一通道内传输，将会造成异相物种间彼此挤占对方活性位及传输通道的情况，在两相流输运中彼此形成竞争性制约；2）分布不均，性能波动：由于气液输运中竞争性制约关系的存在，在特定时间段流场中某些局部区域将只被其中一相物种占据，形成第一流体与第二流体的不均匀分布及流体形态的周期性波动，限制了电池性能的进一步提高；3）***寄生功耗高：通道内气相和液相流体混合传输需要克服极大的毛细阻力，额外增加了辅助进料***功耗，降低了***比功率和比能量。

针对燃料电池流场中气液两相流体输运存在的问题，国内外研究机构相继提出了相关解决方案。文献C Litterst,Nils Paust,et.al,Increasing μ DMFCefficiency by passive CO₂bubble removal and discontinuous operation.

J.Micromech.Microeng.16(2006)S248–S253针对直接甲醇燃料电池阳极燃料传输问题，提出了平行流场内增加“倒T型”排泡结构，推动二氧化碳气泡的自发性定向排除的技术方案；文献T.Metz,N.Paust,et.al,Microstructured flow field for passive water management in miniaturized PEM fuelcells.Sensors and Actuators A:Physical,143,1(2008）49–57为解决PEM类燃料电池阴极水淹，发展了一种双层阴极流场，通过在阴极空气流道内增加第二层梯形沟道，实现了对阴极积水的收集和排除。专利号CN101459246B发明专利名称：叶脉型燃料电池流场板，发明人：王连邦等人，发明了一种解决流场板流动阻力大，流体分布不均且气液两相分离困难的方案，设计了一种叶脉形燃料电池流场板。液体沿主脉方向流入，经过与主脉成45°角的支脉后，与主脉中的流体在出口处汇合流出，该方案对反应物分布均匀性有一定改善，但气液两相流体仍然在同一通道中流动，流场中的流动阻力未得到根本改善；专利号CN201812887U，发明专利名称：一种便携式直接甲醇燃料电池阳极流场板，发明人：王新东等人，公开了采用两套独立的镂空流道分别作为气体流道和液体流道的技术方案，希望通过气体专用通道将流场中产生的气体排出，然而未反应的液体仍会通过扩散层分布在整个流场中，与生成的气体一起扩散到气体专用通道中并将其堵塞，致使流场中压力增大，从而影响燃料电池的稳定性。

发明内容

本发明针对燃料电池或电解池流场中第二流体聚集引发的第一流体输运受阻或分配不均以及两相流体分离困难等问题，发明一种亲液通道和疏液通道嵌套排布的流场板，实现燃料电池或电解池中两相流体的有序化输运和管理。本发明利用亲液通道和疏液通道自身选择性将两相流体分开，从而保证第一流体在流场中的顺畅传输和均匀分配。

本发明采用的技术方案是一种具有亲液通道和疏液通道嵌套排布的流场板，其特征是，流场板包括流场板本体1，供气、液体输运的第一流体通道3、第二流体通道2，以及分隔第一、第二流体通道3、2的脊5；该流场板上至少包括一条与膜电极组件表面相对的亲液通道和一条与膜电极组件表面相对的疏液通道，上述通道在流场板本体1上互相嵌套排布，通道间用脊5隔开；所述通道分别具有第一流体入口、出口7、4、第二流体出口6，第一流体入口、出口7、4及第二流体出口6都为通孔。

一种具有亲液通道和疏液通道嵌套排布的流场板，其特征是，亲液通道和疏液通道在与膜电极组件接触的流场平面法向投影面积之和为膜电极组件活性面积的20%～80%；液相流体在亲液通道表面接触角＜90°，在疏液通道表面的接触角≥90°。

一种具有亲液通道和疏液通道嵌套排布的流场板，其特征是，流场板嵌套排布的亲液和疏液结构为蛇形流场、平行流场、螺旋形流场或复合流场。

本发明的显著效果是，亲液通道和疏液通道嵌套排布的流场板结构对两相流体的分相输运效果明显，减小反应物和生成物在流场中的输运阻力，提高了反应流体的分布均匀性，有效提高燃料电池或电解池的工作性能。

附图说明

图1为具有亲液通道和疏液通道嵌套排布的蛇形流场板结构示意图，图2为具有亲液通道和疏液通道嵌套排布的平行流场板结构示意图，图3为具有亲液通道和疏液通道嵌套排布的螺旋形流场板结构示意图，图4为具有亲液通道和疏液通道嵌套排布的蛇形流场板侧剖视图。其中：附图中1为流场板本体，3为第一流体通道，2为第二流体通道，5为脊，7为第一流体入口，4为第一流体出口，6为第二流体出口。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。然而，本发明的范围并不受这些例子限定。一种亲液通道和疏液通道嵌套排布的流场板，当液体在通道内的接触角＜90°时，该通道为亲液通道；当液体在通道内的接触角≥90°时，该通道为疏液通道。流场板包括流场板本体1，供气、液体输运的第一流体通道3和第二流体通道2以及分隔第一、第二流体通道3、2的脊5。当第一流体为液体，第二流体为气体时，通道3为亲液通道，通道2为疏液通道；当第一流体为气体，第二流体为液体时，通道3为疏液通道，通道2为亲液通道。亲液通道和疏液通道的加工深度小于流场板的厚度，液体和气体的入口及出口为通孔，亲液通道和疏液通道之间通过脊分隔开来，从而使液体和气体不在同一通道中混流。亲液通道和疏液通道在流场板同一平面内交替嵌套排布，以使生成的第二流体以最短路径排出。通道宽度和深度设计应防止电池封装时MEA上的多孔电极被压入通道而阻塞流体输运，并且亲液通道和疏液通道在与MEA接触的流场平面法向投影面积之和为MEA活性面积的20%～80%。为了更高效的实现两相流体分相输运，本发明对流场通道表面进行改性，使其分别具有亲液和疏液能力，其中液相流体在亲液通道表面的接触角＜90°，在疏液通道表面的接触角≥90°，从而可由通道自身选择性将气相流体和液相流体分开输运。上述流场结构适用于蛇形流场、螺旋形流场和平行流场等形式的流场。

燃料电池或电解池工作时，第一流体进入流场后沿着第一流体通道在流场中流动，并通过燃料电池内部的扩散层渗透到催化层进行反应生成第二流体。本发明的设计方案中与第一流体通道嵌套排布的第二流体通道，可将反应生成的第二流体以最短路径从MEA反应区域导出流场，从而减小第一流体的输运阻力，提高燃料电池或电解池的工作效率。

具体实施方式1：本实施例以具有亲液通道和疏液通道嵌套排布的直接甲醇燃料电池阳极流场板为例。该流场板由流场板本体1、用于甲醇溶液输运的第一流体通道3、用于二氧化碳输运的第二流体通道2、分隔第一流体通道和第二流体通道的脊5、甲醇溶液入口7、甲醇溶液出口4以及二氧化碳出口6组成。流场板的长、宽、厚度分别为40毫米、40毫米、1.5毫米，第一流体通道3的宽度为1.0毫米，深度为0.4毫米，第二流体通道2的宽度为0.5毫米，深度为0.2毫米。第一流体通道和第二流体通道在与MEA接触的流场平面法向投影面积之和为MEA活性面积的20%。本实施例中，甲醇溶液为第一流体，阳极产物气态二氧化碳为第二流体。甲醇溶液在第一流体通道表面的接触角为40°，在第二流体通道表面的接触角为150°。因此，对甲醇溶液而言，第一流体通道3为亲液通道，第二流体通道2为疏液通道。

本实施例中，甲醇溶液经入口7进入第一流体通道3并沿通道3流动，流动过程中甲醇溶液透过扩散层进入催化层反应生成二氧化碳气体。由于第二流体通道2表面对甲醇溶液具有疏液特性，甲醇溶液不会浸润第二流体通道2。反应生成的二氧化碳沿最短路径进入第二流体通道2，并迅速从二氧化碳出口6排出，同时未完全反应的甲醇溶液在外压作用下从甲醇溶液出口4排出，从而实现流场内甲醇溶液和二氧化碳的分相输运。

具体实施方式2：本实施例以具有亲液通道和疏液通道嵌套排布的质子交换膜燃料电池阴极流场板为例。该流场板由流场板本体1、用于氧气输运的第一流体通道3、用于液态水输运的第二流体通道2、分隔第一流体通道和第二流体通道的脊5、氧气入口7、氧气出口4以及液态水出口6组成。流场板的长、宽、厚度分别为40毫米、40毫米、1.5毫米，第一流体通道3的宽度为0.8毫米，深度为0.3毫米，第二流体通道2的宽度为0.4毫米，深度为0.2毫米。第一流体通道和第二流体通道在与MEA接触的流场平面法向投影面积之和为MEA活性面积的20%。本实施例中，氧气为第一流体，阴极产物液态水为第二流体。水在第一流体通道表面的接触角为170°，在第二流体通道表面的接触角为30°。因此，对液态水而言，第一流体通道3为疏液通道，第二流体通道2为亲液通道。

本实施例中，氧气经入口7进入第一流体通道3并沿通道3流动，流动过程中氧气透过扩散层进入催化层反应生成液态水，生成的液态水沿最短路径进入第二流体通道2，并迅速从液态水出口6排出，从而减小了流场中氧气流动阻力，提高了传质效率。

实施例1和2均可采用不同形式的流场，如蛇形流场、平行流场和螺旋形流场等。

本发明由于采用亲液通道和疏液通道嵌套排布的流场板结构对两相流体的分相输运效果明显，有效提高燃料电池或电解池的工作性能。

Claims

1.一种具有亲液通道和疏液通道嵌套排布的流场板，其特征是，流场板包括流场板本体（1），供气、液体输运的第一流体通道3、第二流体通道2，以及分隔第一、第二流体通道（3、2）的脊（5）；该流场板上至少包括一条与膜电极组件表面相对的亲液通道和一条与膜电极组件表面相对的疏液通道，上述通道在流场板本体（1）上互相嵌套排布，通道间用脊（5）隔开；所述通道分别具有第一流体入口、出口（7、4）、第二流体出口（6），第一流体入口、出口（7、4）及第二流体出口（6）都为通孔。

2.如权利要求1所述的一种具有亲液通道和疏液通道嵌套排布的流场板，其特征是，亲液通道和疏液通道在与膜电极组件接触的流场平面法向投影面积之和为膜电极组件活性面积的20%～80%；液相流体在亲液通道表面接触角＜90°，在疏液通道表面的接触角≥90°。

3.如权利要求1或2所述的一种具有亲液通道和疏液通道嵌套排布的流场板，其特征是，流场板嵌套排布的亲液和疏液结构为蛇形流场、平行流场、螺旋形流场或复合流场。