[發明專利]一種親液通道和疏液通道嵌套排布的流場板

無效

• 申請號: 201310302984.4
• 申請日: 2013-07-18
• 公開（公告）號: CN103427098A
• 公開（公告）日: 2013-12-04
• 發明（設計）人: 梁軍生;李棟;王光燕;王大志;張揚;胡頡
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M4/86
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 關慧貞

技術領域

本發明屬于燃料電池和水電解池領域，涉及一種親液通道和疏液通道嵌套排布的流場板，適用于質子交換膜類燃料電池和電解池的流場板結構。

背景技術

燃料電池是一種直接將化學能轉化為電能的清潔能源，具有高比能、高效率、清潔環保等優點，在國民經濟眾多領域中有廣泛應用前景。燃料電池主要由膜電極組件（Membrane?Electrode?Assembly，MEA）和極板組成。MEA是燃料電池發生電化學反應的核心區域，通常由質子交換膜及其兩側的多孔電化學電極組成；極板具有收集電流和分配反應物料的雙重作用，一般通過在平面板狀導體表面加工出覆蓋整個燃料電池電化學活性區域的流體分配通道而獲得。在燃料電池工作過程中，反應物作為第一流體從流場入口端流入，途徑MEA活性區域并發生電化學反應，生成的第二流體由MEA活性區域排出到流場通道中，最后與剩余反應物一起從流場通道出口排出。電解池實際上是一種相反的燃料電池，工作過程中電能將水分解為氫和氧。

在燃料電池實際工作過程中，同一流場內的第一流體和第二流體在多種情況下會以氣、液兩相形態混合存在。例如，采用液態碳氫燃料的燃料電池陽極流場，一般會隨著燃料催化氧化而釋放出氣態二氧化碳；同理，采用氣態氧化劑（如純氧氣、空氣）的燃料電池陰極流場，也通常會隨著氧化劑的催化還原反應而生成液態水。由此可見，氣液兩相流體在燃料電池流場中是一種常見的流型。這種兩相流動對燃料電池造成的不利影響主要體現在1）物種串擾，彼此制約：異相的第一流體和第二流體在同一通道內傳輸，將會造成異相物種間彼此擠占對方活性位及傳輸通道的情況，在兩相流輸運中彼此形成競爭性制約；2）分布不均，性能波動：由于氣液輸運中競爭性制約關系的存在，在特定時間段流場中某些局部區域將只被其中一相物種占據，形成第一流體與第二流體的不均勻分布及流體形態的周期性波動，限制了電池性能的進一步提高；3）系統寄生功耗高：通道內氣相和液相流體混合傳輸需要克服極大的毛細阻力，額外增加了輔助進料系統功耗，降低了系統比功率和比能量。

針對燃料電池流場中氣液兩相流體輸運存在的問題，國內外研究機構相繼提出了相關解決方案。文獻C?Litterst,Nils?Paust,et.al,Increasing?μ?DMFC?efficiency?by?passive?CO₂bubble?removal?and?discontinuous?operation.

J.Micromech.Microeng.16(2006)S248–S253針對直接甲醇燃料電池陽極燃料傳輸問題，提出了平行流場內增加“倒T型”排泡結構，推動二氧化碳氣泡的自發性定向排除的技術方案；文獻T.Metz,N.Paust,et.al,Micro?structured?flow?field?for?passive?water?management?in?miniaturized?PEM?fuel?cells.Sensors?and?Actuators?A:Physical,143,1(2008）49–57為解決PEM類燃料電池陰極水淹，發展了一種雙層陰極流場，通過在陰極空氣流道內增加第二層梯形溝道，實現了對陰極積水的收集和排除。專利號CN101459246B發明專利名稱：葉脈型燃料電池流場板，發明人：王連邦等人，發明了一種解決流場板流動阻力大，流體分布不均且氣液兩相分離困難的方案，設計了一種葉脈形燃料電池流場板。液體沿主脈方向流入，經過與主脈成45°角的支脈后，與主脈中的流體在出口處匯合流出，該方案對反應物分布均勻性有一定改善，但氣液兩相流體仍然在同一通道中流動，流場中的流動阻力未得到根本改善；專利號CN201812887U，發明專利名稱：一種便攜式直接甲醇燃料電池陽極流場板，發明人：王新東等人，公開了采用兩套獨立的鏤空流道分別作為氣體流道和液體流道的技術方案，希望通過氣體專用通道將流場中產生的氣體排出，然而未反應的液體仍會通過擴散層分布在整個流場中，與生成的氣體一起擴散到氣體專用通道中并將其堵塞，致使流場中壓力增大，從而影響燃料電池的穩定性。

發明內容

本發明針對燃料電池或電解池流場中第二流體聚集引發的第一流體輸運受阻或分配不均以及兩相流體分離困難等問題，發明一種親液通道和疏液通道嵌套排布的流場板，實現燃料電池或電解池中兩相流體的有序化輸運和管理。本發明利用親液通道和疏液通道自身選擇性將兩相流體分開，從而保證第一流體在流場中的順暢傳輸和均勻分配。