CN109065907A - 一种燃料电池极板流场结构及燃料电池极板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池极板流场结构及燃料电池极板，该流场结构包含：多条间隔分布的流道和流道脊；所述流道内间隔设置有多个用于强制反应介质扩散的凸起；所述流道脊上交替设置有多个用于保持多余水分的持水槽和多个用于持水槽排水的泄水槽；所述泄水槽分别与持水槽和流道连通。本发明所提供的燃料电池极板流场结构及燃料电池极板无需对空气侧和氢气侧加湿燃料电池，也能对膜电极进行增湿；同时可以更加有效地排除电池内部多余的水分，有效地解决燃料电池排水的目的。

Description

一种燃料电池极板流场结构及燃料电池极板

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池极板流场结构及燃料电池极板。

背景技术

燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的化学能通过电催化反应直接转化成电能的清洁发电技术，具有高能量转换效率、结构简单、低排放、低噪音等优点。双极板是燃料电池的核心部件之一，占整个电池重量的70％-80％和成本的45％以上。同时，双极板在燃料电池中扮演许多角色，具有燃料分配、串联电池堆内各单体电池、收集电流和支撑膜电极等作用。双极板包括由石墨材料制成的石墨双极板、以及由金属材料诸如不锈钢制成的金属双极板。考虑到可加工性和大规模生产，用金属双极板代替石墨双极板的研究正积极地进行。

在燃料电池中，电极各处均能通过极板的流场设计获得充足的反应剂，及时将进入流场内部电池生成的水排出，保证燃料电池正常运行。如果极板流场结构不合理使得反应剂分布不均，会造成电极各处反应不均，引起电流密度分布不均，导致电池局部过热、积水，降低电池性能，并造成电极发生水淹等不良现象，影响电池寿命。因此，在流场板的设计中，流场结构直接关系到燃料电池性能、寿命及电池堆各单体性能的均一性。

燃料电池极板流场结构的研究重点在于电池内的燃料分配、水管理与热管理方面。Watkin DS等指出，只要流场分布合适，可增加百分之五十以上的输出功率密度。目前，极板流场通用的极板为平行流场、蛇形流场、交指流场以及复合型流场等结构。使用较多的直通型流场优点是流道较短，气体进口压力较小。但他的缺点是直行流道数目较多，与之对应的流道入口截面长度不够，造成燃料或氧化剂进入各平行流道时，需经过二次分配再进入流场，从而造成由于距离远近的不同使得个流道内流体流量分配不均。当燃料电池输出电流密度较高时，由于反应剧烈，导致浓度急剧下降；同时，反应产生的大量水积聚，造成更严重的水淹。蛇形和交指型流场的突出优点是能迅速排出燃料电池生成的水，强制气体介质分配，不易出现水堵塞流道和扩散层的情况。但在大面积极板流场中，该结构易造成压降偏大和电流密度分布不均匀的情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池极板流场结构及燃料电池极板，以达到无需对空气侧和氢气侧加湿燃料电池，也能对膜电极进行增湿；同时，更加有效地排除电池内部多余的水分，有效地解决燃料电池排水的目的。

为达到上述目的，本发明提供了一种燃料电池极板流场结构，其包含：多条间隔分布的流道和流道脊；所述流道内间隔设置有多个用于强制反应介质扩散的凸起；所述流道脊上交替设置有多个用于保持多余水分的持水槽和多个用于持水槽排水的泄水槽；所述泄水槽分别与持水槽和流道连通。

上述的燃料电池极板流场结构，其中，所述凸起设置于流道内靠近泄水槽一侧的位置。

上述的燃料电池极板流场结构，其中，所述凸起与流道平面的夹角θ在60°≥θ＞0°范围内。

上述的燃料电池极板流场结构，其中，所述凸起的高度h₀满足0.8H≥h₀＞0.05H，H为流道深度。

上述的燃料电池极板流场结构，其中，相邻的凸起之间的间隔距离L满足L≥20h₀，h₀为凸起的高度。

上述的燃料电池极板流场结构，其中，所述持水槽的深度h₁满足0.7H≥h₁≥0.05H，H为流道深度。

上述的燃料电池极板流场结构，其中，所述持水槽的宽度d满足0.6D≥d≥0.05D，D为流道脊宽度。

上述的燃料电池极板流场结构，其中，所述泄水槽与反应介质流动方向的夹角α在180°＞α＞0°范围内。

上述的燃料电池极板流场结构，其中，沿反应介质的流动方向，所述泄水槽与反应介质流动方向的夹角逐渐变小。

本发明还提供了一种燃料电池极板，该燃料电池极板包含上述的燃料电池极板流场结构。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明所提供的燃料电池极板流场结构及燃料电池极板无需对空气侧和氢气侧加湿燃料电池，也能对膜电极进行增湿；同时可以更加有效地排除电池内部多余的水分，有效地解决燃料电池排水的目的。

附图说明

图1是燃料电池极板的结构示意图；

图2是燃料电池极板A-A截面图；

图3是分布有一定数量凸起的燃料电池极板流场结构示意图；

图4是图3的局部放大示意图；

图5是分布有一定数量的凸起和持水槽的燃料电池极板流场结构示意图；

图6是分布有一定数量的凸起、持水槽和垂直泄水槽的燃料电池极板流场结构示意图；

图7是图6的局部放大示意图；

图8是分布有一定数量的凸起、持水槽和一定角度的泄水槽的燃料电池极板流场结构示意图；

图9是图7的局部放大示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

本发明提供了一种燃料电池极板流场2结构，其包含：多条间隔分布的流道21和流道脊22；所述流道21内间隔设置有多个用于强制反应介质扩散的凸起211；所述流道脊22上交替设置有多个用于保持多余水分的持水槽221和多个用于持水槽221排水的泄水槽222；所述泄水槽222分别与持水槽221和流道21连通。优选地，所述凸起211设置于流道21内靠近泄水槽222一侧的位置。

本发明与其他典型流场2结构相比具有很多优点。现有流场2结构流道21为平面，反应介质在流道21内的流动不发生任何扰动，随着反应的消耗，反应介质的流速越来越慢，向碳纸等扩散层3中的强制扩散减弱。在本发明流场2结构中，流道21内的凸起211有助于引导反应介质向扩散层3强制扩散，同时，将扩散层3中的多余水分吹扫带出。流道21平面内的凸起211具有一定高度h₀(0.8H≥h₀＞0.05H，H为流道21深度)，且迎风面有一定的倾斜度，即凸起211与流道21平面具有夹角θ(60°≥θ＞0°)。由于用于强制扩散的凸起211增加了流体扰动，流体阻力会增加。因此，每个流道21内凸起211间距L(L≥20h₀，h₀为凸起211的高度)和数量均有一定限制；且在一些实施例中，凸起211可以多分布在靠近极板流场2出口端。流道脊22平面内有一定宽度d(0.6D≥d≥0.05D，D为流道脊22宽度)和深度h₁(0.7H≥h₁≥0.05H，H为流道21深度)的持水槽221。持水槽221持水量由持水槽221的宽度和深度决定，同时还与极板表面的亲水性和憎水性有直接关系。当燃料电池工作中缺水时，持水槽221内的水分可以供给临近的膜电极扩散层3。当持水槽221内的水达到一定量时(水在持水槽221内受到的毛细管力小于流道21内流体对水的引力和压差)，由于流道21内流体的快速流动会将多余的水经泄水槽222带出持水槽221。泄水槽222可根据具体流场2结构设计不同的与流体流速方向的夹角α，使之在流场2不同区域起到更有效地作用；持水槽221越靠近反应介质流速较大的流场2前段区域，泄水槽222与气体流速的方向夹角逐渐越大；即沿反应介质的流动方向，所述泄水槽222与反应介质流动方向的夹角逐渐变小，夹角范围为180°＞α＞0°。

如图1所示，燃料电池极板内结构包括反应介质进出口1、流场2及密封等结构，本发明主要针对燃料电池极板流场2进行的设计。如图2所示，一般燃料电池极板流道21内没有设计特殊结构，均为平面结构。反应介质流经流道21时没有任何强制扰动，反应产生的水由多余的气体带出。扩散层3与流道脊22接触部位的气体由流道21内气体扩散得到。流道脊22设计不合理会造成中间部位的活性区域没有反应介质进入，从而造成燃料电池实际反应活性面积的降低。同时，亦会造成反应产生的水不能及时排除电极扩散层3，电池性能下降，发生水淹。

图3和图4所示在极板流场2流道21内分布一些带有一定倾斜度的凸起211。该凸起211使进入流道21内的流体沿凸起211的倾斜角向上运动，强制流体进入扩散层3，减小电池的浓差极化，同时，促使反应生成的水排出扩散层3，避免水淹。

图5所示在极板流道21内分布用于强制对流的凸起211，同时在流道脊22上分布有一定深度和宽度的持水槽221。持水槽221可以将与流道脊22接触部位的扩散层3内生成的水收集起来，过量的水仍以大量的多余气体带出扩散层3的传统方式排出极板。

图6-图9所示在极板流道21内分布用于强制对流的凸起211，同时在流道脊22上分布有一定深度和宽度的持水槽221和用于排水的泄水槽222。持水槽221内过量的水一部分以传统方式排出极板，另一方面，在流体的作用下，经泄水槽222将一定量的水排出持水槽221。根据气体在流场2流速不同区域和需要排水量的多少，设计泄水槽222与反应介质流动方向的夹角：持水槽221越靠近气体流速较大的流场2前段区域，泄水槽222与气体流速的方向夹角逐渐越大。

一般情况下，由于流场2前段气体反应消耗，流场2后段气体流量相应减少，流速也会降低，不利于扩散层3积水排出；因此在一些实施例中，凸起211和泄水槽222可以主要分布在靠近流场2末端。与之相反的是，由于流场2前段反应产生的水分大多被带走，流场2前段更需要水分；因此在一些实施例中，持水槽221可以主要分布在流场2前端。

综上所述，本发明是关于一种质子交换膜燃料电池极板流场结构，该结构主要包括凸起、持水槽和泄水槽三个特征。其中凸起可以加快特定流场部位流体流速，强制反应介质进入膜电极扩散层，改善膜电极浓差极化，提高流场排水能力。持水槽可以保持反应产生的多余水分而不会引起膜电极含水过量发生水淹，同时，膜电极缺水时持水槽内的水会对持水槽附近的膜电极进行补水。流体流经泄水槽时会将持水槽内多余的水排出，更有利于流道脊中间部位膜电极水分的排出，提高极板和膜电极催化剂利用率。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种燃料电池极板流场结构，其特征在于，其包含：多条间隔分布的流道和流道脊；所述流道内间隔设置有多个用于强制反应介质扩散的凸起；所述流道脊上交替设置有多个用于保持多余水分的持水槽和多个用于持水槽排水的泄水槽；所述泄水槽分别与持水槽和流道连通。

2.如权利要求1所述的燃料电池极板流场结构，其特征在于，所述凸起设置于流道内靠近泄水槽一侧的位置。

3.如权利要求1所述的燃料电池极板流场结构，其特征在于，所述凸起与流道平面的夹角θ在60°≥θ＞0°范围内。

4.如权利要求1所述的燃料电池极板流场结构，其特征在于，所述凸起的高度h₀满足0.8H≥h₀＞0.05H，H为流道深度。

5.如权利要求1所述的燃料电池极板流场结构，其特征在于，相邻的凸起之间的间隔距离L满足L≥20h₀，h₀为凸起的高度。

6.如权利要求1所述的燃料电池极板流场结构，其特征在于，所述持水槽的深度h₁满足0.7H≥h₁≥0.05H，H为流道深度。

7.如权利要求1所述的燃料电池极板流场结构，其特征在于，所述持水槽的宽度d满足0.6D≥d≥0.05D，D为流道脊宽度。

8.如权利要求1所述的燃料电池极板流场结构，其特征在于，所述泄水槽与反应介质流动方向的夹角α在180°＞α＞0°范围内。

9.如权利要求8所述的燃料电池极板流场结构，其特征在于，沿反应介质的流动方向，所述泄水槽与反应介质流动方向的夹角逐渐变小。

10.一种燃料电池极板，其特征在于，该燃料电池极板包含如权利要求1-9中任意一项所述的燃料电池极板流场结构。