CN113224344A - 质子交换膜燃料电池极板流道结构及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池极板流道结构，包括有极板、以及开设在所述极板上的流道，流道为多路通道形式，且流道为至少一拐的形式，极板在流道的拐弯处开设有气体汇聚槽，气体汇聚槽与所述流道的多路通道相连通。本发明将拐弯处的流道去除，取而代之的是设置一个气体汇聚槽，相对于流道的拐弯结构，气体汇聚槽具有更大的空间，能够有效防止积水，从而利于流道内水流动顺畅、及时排出，保证气体传输及水传输良好而避免引起膜电极被水淹，保证电池内局部气体供应、反应均匀，确保电流分布均匀、对外输出的性能稳定，避免电池反极，保护电池寿命。本发明还提供一种质子交换膜燃料电池。

Description

质子交换膜燃料电池极板流道结构及燃料电池

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，更具体地，涉及一种质子交换膜燃料电池极板流道结构，以及一种具有上述电池极板流道结构的质子交换膜燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种将化学能直接转化为电能的高效能源转换装置，它不受卡诺循环的约束，直接转换成电能可以达到45%的转换效率，采用热电联供可以达到90%的转换效率，而且其化学反应产物主要是水，能实现真正的零污染，所以它广泛地应用于分布式电站、移动电源等，被认为是未来最有可能替代传统内燃机的动力源。燃料电池能否占领市场的一个重要因素是其性能的优劣，性能是质子交换膜燃料电池的外特性，通常燃料电池性能的表现形式为对外输出的电流密度和电压，然而水和气的管理是影响性能优劣的重要因素。充足的水分可以有效地使氢离子通过质子交换膜，并和氧离子结合，然而过多的水分不仅导致阴极侧的排气管道被水堵塞，甚至阴极催化层遭到水淹没而导致催化剂的活性降低；良好的气体管理，不仅可以使反应生成水的排放更加容易，也就是可以防止燃料电池造成水淹，而且还能使燃料电池加快反应。因此，水、气管理成为了燃料电池发展道路上的瓶颈之一。

在现有应对燃料电池水管理的技术中，通常采用设计流道来改善燃料电池排水，传统的流道有单蛇形流道、多路蛇形流道、平行流道、网格流道及交指流道等。它们各有其自身的优点和缺点，比如：平行流道容易加工而且流道内部的压力差比较小，但是它的气体分布不均匀引起催化剂中反应效率降低，导致电流密度下降，而且它的排水性能比较差、容易导致膜电极被水淹；蛇形流道具有性能表现良好，排水效果比较好，但是流道内部窄而且长，因此需要较大的进口压力以便于克服流道内部的阻力；网格流道的气体分布相对于平行流道比较均匀，但是它的性能相对于交指流道和蛇形流道比较低；交指流道可以更高效率的利用催化剂，但是它的进气道和排气道不连通，因此它需要比较大的气体进口压力，需要较大功率的气体输送泵。

燃料电池流道设计优良直接影响反应的进行，从而影响其性能输出的优良。因此，为了克服传统流道气体传输及水传输不良的缺点，有必要设计一种新型的质子交换燃料电池极板流道结构。

发明内容

针对以上不足，本发明提供一种质子交换燃料电池极板流道结构，以解决现有技术中因为燃料电池内部流道结构设计不理想而气体传输及水传输不良而引起膜电极被水淹导致局部电流密度过低、整体性能过低等问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种质子交换膜燃料电池极板流道结构，包括有极板、以及开设在所述极板上的流道，所述流道为多路通道形式，且所述流道为至少一拐的形式，所述极板在流道的拐弯处开设有气体汇聚槽，所述气体汇聚槽与所述流道的多路通道相连通。

进一步地，所述气体汇聚槽沿气体流动方向的两侧侧壁上开设有导气块，所述导气块为沿气体汇聚槽的侧壁排列的多个凸起排列形式，所述导气块倾斜设置，倾斜方向为偏向气体流动方向。

优选的是，所述导气块为三棱柱，一侧面与气体汇聚槽的侧壁相连接，为三棱柱的导气块的截面三角形中，一斜边与气体汇聚槽的侧壁相连接，一斜边与气体汇聚槽的侧壁夹角为110-130°，另一斜边与气体汇聚槽的侧壁夹角为140-160°。

进一步地，所述气体汇聚槽的后端位置处设置有气体分流装置，所述气体分流装置开设有多个分流通道，所述分流通道的数量与所述流道路数相一致，并与所述流道的各路通道相一一对应用以与后方的流道相连接。

优选的，相邻所述分流通道之间的侧壁上开设有连通相邻所述分流通道的导气槽。

优选的，相邻所述分流通道间的导气槽为两个，所述导气槽为沿着气体流动方向倾斜设置，且相邻所述分流通道间的两个导气槽的倾斜方向不一致以具有不同的导气方向。

优选的，所述分流通道的入口端倒角设置。

进一步地，所述气体汇聚槽的前端位置处开设有贯穿极板的内大外小的锥状的排水孔。

优选的，所述排水孔为圆锥状，内侧圆孔直径为4-7mm，外侧圆孔直径为1-3mm。

与现有技术相比，本发明提供的质子交换膜燃料电池极板流道结构的有益效果是：在极板上开设流道，将拐弯处的流道去除，取而代之的是设置一个气体汇聚槽，相对于流道的拐弯结构，气体汇聚槽具有更大的空间，能够有效防止积水，从而利于流道内水流动顺畅、及时排出，保证气体传输及水传输良好而避免引起膜电极被水淹，保证电池内局部气体供应、反应均匀，确保电流分布均匀、对外输出的性能稳定，避免电池反极，保护电池寿命。

本发明还提供一种质子交换膜燃料电池，包括有膜电极以及位于膜电极两侧面的电池极板流道结构，位于阳极处的电池极板流道结构采用上述除去在气体汇聚槽处开设排水孔以外的方案的质子交换膜燃料电池极板流道结构，位于阴极处的电池极板流道结构采用上述的质子交换膜燃料电池极板流道结构。

与现有技术相比，本发明提供的质子交换膜燃料电池的有益效果是：使用本发明提供的质子交换膜燃料电池极板流道结构，在极板上开设流道，将拐弯处的流道去除，取而代之的是设置一个气体汇聚槽，相对于流道的拐弯结构，气体汇聚槽具有更大的空间，能够有效防止积水，从而利于流道内水流动顺畅、及时排出，保证气体传输及水传输良好而避免引起膜电极被水淹，保证电池内局部气体供应、反应均匀，确保电流分布均匀、对外输出的性能稳定，避免电池反极，保护电池寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，以下将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为实施例1的结构示意图；

图2为实施例1的结构示意图；

图3为图2中A处的局部放大图；

图4为实施例2的结构示意图；

图5为实施例3的结构示意图；

图6为图5结构的***示意图。

其中，图中所示标记为：10-极板；20-流道；21-入气口；22-出气口；30-气体汇聚槽；31-导气块；32-排水孔；40-气体分流装置；41-分流通道；42-导气槽；62-阳极气体扩散层；63-阳极催化层；64-质子交换膜；65-阴极催化层；66-阴极气体扩散层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参照图1和图2，本发明提供一种质子交换膜燃料电池极板流道结构，包括有极板10以及开设在极板10上的流道20。极板10采用石墨或者金属材质制作，如采用不锈钢制作。本优选的实施例的电池极板流道结构在燃料电池的阳极处使用，流道20主要用以通入氢气，具有入气口21和出气口22。流道20开设在极板10的内侧（朝向膜电极的一侧），极板10的内侧与膜电极相贴合，流道20朝外侧面（朝向膜电极的一侧）敞口设置，以与膜电极间形成通道的形式。流道20为多路通道形式，本优选的实施例中流道20为三路平行通道形式，且流道20为多拐形式，至少具有一个拐弯，极板10在流道20的拐弯处开设有气体汇聚槽30，气体汇聚槽30与流道20的多路通道相连通，也即在流道20的拐弯处设有一个具有一定容积的气体汇聚槽30，流道20的多路通道使得气体汇聚在气体汇聚槽30，并从气体汇聚槽30进入后续的流道20内。

燃料电池在运行时不仅会放出大量的热能，并且会生成水，而在电池的流道的拐弯处较为容易积累水，引起电池流道内的水不能及时排出，造成电池内局部区域气体供应不足、反应不均匀，导致电流分布不均匀、对外输出的性能急剧衰减，甚至会导致电池反极，缩短电池的寿命。本发明针对上述缺点，并利用水蒸气遇到冷壁面会冷凝成液态水的原理，在极板10上开设流道20，将拐弯处的流道20去除，取而代之的是设置一个气体汇聚槽30，相对于流道的拐弯结构，气体汇聚槽30具有更大的空间，能够有效防止积水，从而利于流道20内水流动顺畅、及时排出，保证气体传输及水传输良好而避免引起膜电极被水淹，保证电池内局部气体供应、反应均匀，确保电流分布均匀、对外输出的性能稳定，避免电池反极，保护电池寿命；且能够防止气体泄露，减少阳极压力损失，避免导致质子传输到阴极的速率减小而出现反应进行减缓、输出电能减少的情况。

在优选的实施例中，气体汇聚槽30沿气体流动方向的两侧侧壁上开设有导气块31，导气块31为沿气体汇聚槽30的侧壁排列的多个凸起排列形式，导气块31倾斜设置，倾斜方向为偏向气体流动方向。通过设置导气块31，能够加速气体对流作用与导流作用，有利于实现气体以及水的流动，从而保证气体传输及水传输良好。进一步地，导气块31为三棱柱，一侧面与气体汇聚槽30的侧壁相连接，为三棱柱的导气块31的截面三角形中，一斜边与气体汇聚槽30的侧壁相连接，一斜边与气体汇聚槽30的侧壁夹角为110-130°，另一斜边与气体汇聚槽30的侧壁夹角为140-160°，该结构形式的导气块31，有利于实现气体的引导，并通过并排形成的波浪形结构，能够良好地实现加速气体对流作用与导流作用。若极板10采用石墨板，则导气块31亦为石墨，且在极板10上一体化地进行雕刻；若极板10采用金属板，则导气块31亦为金属，且焊接或一体化地开设在极板10上。

进一步地，请参照图2和图3，气体汇聚槽30的后端位置处设置有气体分流装置40，气体分流装置40开设有多个分流通道41，分流通道41的数量与流道20路数相一致，为三个，并与流道20的各路通道相一一对应用以与后方的流道20相连接。若极板10采用石墨板，则气体分流装置40亦为石墨，且在极板10上一体化地进行雕刻；若极板10采用金属板，则气体分流装置40亦为金属，且焊接或一体化地设置在极板10上。从流道20进入的气体在气体汇聚槽30中汇聚，并经导气块31的对流与引导后，进入气体分流装置40，具体为进入气体分流装置40的各个分流通道41以实现分流，然后分流进入后方的流道20的各路通道内，以便于实现后续的输送。且气体分流装置40的后端在与流道20的各路通道的连通位置处的拐角处作倒圆角的设置，以便于气体和水（有的话）的流动。

相邻分流通道41之间的侧壁上开设有连通相邻分流通道41的导气槽42，设置导气槽42的目的在于，有助于实现各个分流通道41的气压一致，当相邻分流通道41之间气体流量不同时，气压不一致则分流通道41中压力高的气流能够通过导气槽42进入压力低的分流通道41，使得各个分流通道41压力一致，从而使得气体流量分布均匀。

相邻分流通道41间的导气槽42为两个，本优选的实施例中，分流通道41为三个，则导气槽42总共为四个，导气槽42为沿着气体流动方向倾斜设置，且相邻分流通道41间的两个导气槽42的倾斜方向不一致以具有不同的导气方向。具体可参照本优选的实施例，请参照图2和图3，靠近进气端的两个导气槽42为连通中间的分流通道41的槽口相对于连通两侧的分流通道41的槽口更偏向于分流通道41的末端位置，从而使得，在气体流动时，中间的分流通道41的气流几乎不会通过这两个导气槽42进入两旁的分流通道41，也即起不到往两侧导气的作用，而两旁的分流通道41则很容易通过这两个导气槽42进入中间的分流通道41，也即能够起到往中间导气的作用；而远离进气端的两个导气槽42为连通中间的分流通道41的槽口相对于连通两侧的分流通道41的槽口更偏向于分流通道41的前端位置，从而使得，在气体流动时，中间的分流通道41的气流容易通过这两个导气槽42进入两旁的分流通道41，也即起到往两侧导气的作用，而两旁的分流通道41则几乎不会通过这两个导气槽42进入中间的分流通道41，也即起不到往中间导气的作用。利用气压平衡的原理，通过设置具有不同的导气方向的导气槽42，能够有利于实现相邻的分流通道41间的气体流量调节，以使得各个分流通道41压力一致、气流分布均匀，使气体均匀分布到分流通道41。进一步地，分流通道41的入口端倒角设置以形成一个前大后小的结构，从而更有利于气流进入分流通道41。

实施例2

与实施例1不同的是，请参照图4，本优选的实施例提供一种质子交换膜燃料电池极板流道结构，气体汇聚槽30的前端位置处开设有贯穿极板10的内大外小的锥状的排水孔32，也即排水孔32为靠近电池的膜电极的一端开口较大，远离电池的膜电极的一端开口较小，排水孔32可以为多个，本优选的实施例中每个气体汇聚槽30上的排水孔32为两个，以便于实现排水。本优选的实施例的电池极板流道结构主要适用于燃料电池的阴极处使用，流道20主要用以通入空气，排水孔32穿透极板10，使用时阴极处于底部。本优选的实施例中，在阴极处的气体汇聚槽30处开设锥状的排水孔32，排水孔32的设置主要是针对反应在阴极进行且生成水，这是因为反应处在剧烈进行时生成的水通常是水蒸气，而遇见较冷的壁面会凝结成液态水，开设锥状的排水孔32的作用在于，当水分积累不足时，由于排水孔32为锥状结构具有较小的出口，水分会封住排水孔32，从而减少压力的损失；当水分积累足够多时，利用水分重力的作用进行排水，从而可以将过多的水分排出，防止造成积水。

进一步地，排水孔32为圆锥状，在本优选的实施例中，排水孔32的内侧圆孔直径为4-7mm，外侧圆孔直径为1-3mm，合理的孔径能够确保排水孔32在水分积累不足时，水分能够封住排水孔32，从而减少压力的损失；当水分积累足够多时，利用水分重力的作用进行排水，从而可以将过多的水分排出，防止造成积水。

实施例3

本优选的实施例提供一种质子交换膜燃料电池，包括有膜电极以及位于膜电极两侧面的电池极板流道结构，其中，位于阳极处的电池极板流道结构采用实施例1的质子交换膜燃料电池极板流道结构，位于阴极处的电池极板流道结构采用实施例2的质子交换膜燃料电池极板流道结构。具体结构为，请参照图5和图6，自上而下堆叠分布有实施例1的质子交换膜燃料电池极板流道结构、阳极气体扩散层62、阳极催化层63、质子交换膜64、阴极催化层65、阴极气体扩散层66和实施例2的质子交换膜燃料电池极板流道结构。其中，阳极气体扩散层62、阳极催化层63、质子交换膜64、阴极催化层65和阴极气体扩散层66采用热压法等方式合并组成膜电极，膜电极位于两个电池极板流道结构中间从而形成一个完成的燃料电池，其中，实施例1的电池极板流道结构的极板10作为阳极极板，实施例2的电池极板流道结构的极板10作为阴极极板。

本优选的实施例提供的质子交换膜燃料电池，利用水蒸气遇到冷壁面会冷凝成液态水的原理，将拐弯处的流道去除，取而代之的是设置一个气体汇聚槽30，相对于流道的拐弯结构，气体汇聚槽30具有更大的空间，能够有效防止积水，从而利于流道20内水流动顺畅、及时排出，保证气体传输及水传输良好而避免引起膜电极被水淹，保证电池内局部气体供应、反应均匀，确保电流分布均匀、对外输出的性能稳定，避免电池反极，保护电池寿命；并在阴极处的气体汇聚槽30的前端部分开设排水孔32，排水孔32的设置是针对反应在阴极进行且生成水，这是因为反应处在剧烈进行时生成的水通常是水蒸气，而遇见较冷的壁面会凝结成液态水，开设排水孔32的作用在于，当水分积累不足时，由于排水孔32为锥状结构具有较小的出口，水分会封住排水孔32，从而减少压力的损失；当水分积累足够多时，利用水分重力的作用进行排水，从而可以将过多的水分排出，防止造成积水。电池极板流道结构的气体汇聚槽30设置导气块31，利用导气块31加速气体对流作用与导流作用；在气体汇聚槽30后端设置气体分流装置40，使汇聚在气体汇聚槽30内的气体重新通过气体分流装置40并重新均匀地进入后方的流道20内，同时，利用气压平衡的原理，在气体分流装置40上设置导气槽42，目的是使气体均匀分布到各个分流通道41内并进而均匀分布到流道20的各路通道内。针对反应在阴极进行、阳极的压力大于阴极的特点，在阳极不设置排水孔32，目的是为了减少气体泄露，减少阳极压力损失，避免导致质子传输到阴极的速率减小而出现反应进行减缓、输出电能减少的情况。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池极板流道结构，包括有极板（10）、以及开设在所述极板（10）上的流道（20），所述流道（20）为多路通道形式，且所述流道（20）为至少一拐的形式，其特征在于：所述极板（10）在流道（20）的拐弯处开设有气体汇聚槽（30），所述气体汇聚槽（30）与所述流道（20）的多路通道相连通。

2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池极板流道结构，其特征在于：所述气体汇聚槽（30）沿气体流动方向的两侧侧壁上开设有导气块（31），所述导气块（31）为沿气体汇聚槽（30）的侧壁排列的多个凸起排列形式，所述导气块（31）倾斜设置，倾斜方向为偏向气体流动方向。

3.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池极板流道结构，其特征在于：所述导气块（31）为三棱柱，一侧面与气体汇聚槽（30）的侧壁相连接，为三棱柱的导气块（31）的截面三角形中，一斜边与气体汇聚槽（30）的侧壁相连接，一斜边与气体汇聚槽（30）的侧壁夹角为110-130°，另一斜边与气体汇聚槽（30）的侧壁夹角为140-160°。

4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池极板流道结构，其特征在于：所述气体汇聚槽（30）的后端位置处设置有气体分流装置（40），所述气体分流装置（40）开设有多个分流通道（41），所述分流通道（41）的数量与所述流道（20）路数相一致，并与所述流道（20）的各路通道相一一对应用以与后方的流道（20）相连接。

5.根据权利要求4所述的质子交换膜燃料电池极板流道结构，其特征在于：相邻所述分流通道（41）之间的侧壁上开设有连通相邻所述分流通道（41）的导气槽（42）。

6.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池极板流道结构，其特征在于：相邻所述分流通道（41）间的导气槽（42）为两个，所述导气槽（42）为沿着气体流动方向倾斜设置，且相邻所述分流通道（41）间的两个导气槽（42）的倾斜方向不一致以具有不同的导气方向。

7.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池极板流道结构，其特征在于：所述分流通道（41）的入口端倒角设置。

8.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池极板流道结构，其特征在于：所述气体汇聚槽（30）的前端位置处开设有贯穿极板（10）的内大外小的锥状的排水孔（32）。

9.根据权利要求8所述的质子交换膜燃料电池极板流道结构，其特征在于：所述排水孔（32）为圆锥状，内侧圆孔直径为4-7mm，外侧圆孔直径为1-3mm。

10.一种质子交换膜燃料电池，包括有膜电极以及位于膜电极两侧面的电池极板流道结构，其特征在于：位于阳极处的电池极板流道结构采用权利要求1至7任一项所述的质子交换膜燃料电池极板流道结构，位于阴极处的电池极板流道结构采用权利要求1至9任一项所述的质子交换膜燃料电池极板流道结构。

Images