[發(fā)明專利]燃料電池用流場板

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710898111.2
• 申請日: 2017-09-28
• 公開（公告）號: CN107799787A
• 公開（公告）日: 2018-03-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫雪瑩;房建華;陳康成;張正林;錢杰書
• 申請（專利權(quán)）人: 黑泰（上海）材料科技有限公司
• 主分類號: H01M8/0263
• 分類號: H01M8/0263;H01M8/1007;H01M8/1009;H01M8/2455;H01M8/2457
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種燃料電池的流場板，具體是涉及一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池及電堆的流場結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

燃料電池主要由陽極流場板、陰極流場板以及夾在它們之間的膜電極組成。膜電極主要由陽極擴散層、陰極擴散層以及夾在它們之間的質(zhì)子交換膜組成，并且陽極擴散層、陰極擴散層與質(zhì)子交換膜之間分別有陽極催化劑層和陰極催化劑層。反應(yīng)物流經(jīng)流場板，再通過擴散層擴散進入催化劑層，在此發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流。多片燃料電池裝配在一起，可以組成燃料電池組或電堆，產(chǎn)生更大的電功率，為負載提供更多的電能。

燃料電池的流場板中包含多條流道，組成流場(陽極流場或陰極流場)，為反應(yīng)物向催化劑層擴散提供支持。

通常，燃料電池的流場板包括一個反應(yīng)物進口、一個反應(yīng)物出口，反應(yīng)物通過外部通道由反應(yīng)物進口進入流場，流經(jīng)整個流場后從反應(yīng)物出口流出。

流場設(shè)計是燃料電池設(shè)計中非常關(guān)鍵的一步，直接影響到反應(yīng)物的擴散分布情況以及廢料的排出問題，并極大的影響電池效率。通常在流場設(shè)計中，需滿足以下幾項條件：均勻的流體速度分布、均勻的濃度分布、適宜的流體線速度大小、適宜的壓降、較小的流體擾動、易于排出廢水及廢氣等，并且需要保證一定的與膜電極的接觸面積，以保持足夠的支撐作用以及減小電池的接觸電阻。先前技術(shù)中，常用的流場設(shè)計有平行流場、蛇形流場、交指流場等。

平行流場是一組均勻的直形通道。其流場壓降較低，但一般很難實現(xiàn)流體的均勻分布，且由于流體線速度較低，在通道中形成的任何水滴都將阻塞通道，無法將水及時排出，造成燃料電池電壓較低且不穩(wěn)定。

蛇形流場包括蛇形單通道流場、蛇形多通道流場、混合蛇形多通道流場等。其優(yōu)點在于流體線速度較高，有利于推動通道中的凝結(jié)水的排出。對于蛇形單通道流場來說，總壓降較大，不適用于流場面積較大的情況，而蛇形多通道流場，由于流程較長，相鄰兩個通道間的壓差可能造成通道明顯旁路，且反應(yīng)物由于發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，其濃度會沿通道降低，造成電池不同位置發(fā)電效率的不穩(wěn)定。而混合蛇形流道，雖然可以允許反應(yīng)物在每個轉(zhuǎn)向處混合，但由于轉(zhuǎn)向處流體阻力較小，通道較窄，流速較快，很難進行充分混合，也很難保證流體混合并轉(zhuǎn)向后均勻流入下一流段。

交指形流場的通道都是不連續(xù)的，即沒有進口流道與出口流道相連接，反應(yīng)物被迫從擴散層由進口流道擴散到出口流道。此流場有助于擴散層排水，提高電池效率，但其壓降會更大。

美國專利US9184452公開了一種基于混合蛇形流道流場的設(shè)計，其在混合轉(zhuǎn)向區(qū)設(shè)置一印花特征部分或者放置一種多孔材料以供液體充分混合，減小了相鄰兩個通道間的壓差造成通道明顯旁路的可能，提高了流體分布的均勻性。但此印花部分由于分布無規(guī)律且較緊密，使此部分壓降過大，而且加工比較復(fù)雜，成本較高。另外，其在轉(zhuǎn)向區(qū)前后部分均設(shè)置印花，導(dǎo)致流體轉(zhuǎn)向后分流到幾條流道中時，流體未經(jīng)充分發(fā)展，湍流程度較大，會在一定程度上影響后面流道的流量分布。流體轉(zhuǎn)向后，由于電化學(xué)反應(yīng)流體流量和反應(yīng)物濃度會有一定的下降，對冷凝水的排出和電池效率有一定的影響。

通過以上分析可知，幾種現(xiàn)有技術(shù)分別有一定的優(yōu)勢和劣勢，但通常是在犧牲了一種或幾種技術(shù)要求的前提下，滿足另一種技術(shù)設(shè)計要求的，這樣就限制了其只能在特定條件或環(huán)境下進行應(yīng)用。因此，有必要開發(fā)設(shè)計一種既能保證流體流速和濃度均勻分布，流場壓降不至于過大，又能保證較高的流體線速度將廢水廢氣帶出且流體本身不會過度湍流的新的流場結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種既能保證流體流速和濃度均勻分布，流場壓降不至于過大，又能保證較高的流體線速度將廢水廢氣帶出且流體本身不會過度湍流的燃料電池用流場板，提高了電池的效率及其穩(wěn)定性。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

一種燃料電池用流場板，包括反應(yīng)流場、反應(yīng)物進口和反應(yīng)物出口，所述反應(yīng)流場設(shè)于所述流場板的正面中部，所述反應(yīng)流場包括排布成蛇形的多組反應(yīng)流道，每組反應(yīng)流道包括多條平行排布的反應(yīng)流道，相鄰兩條反應(yīng)流道之間通過板脊隔開，相鄰兩組反應(yīng)流道的轉(zhuǎn)向處形成流體轉(zhuǎn)向區(qū)；在所述流體轉(zhuǎn)向區(qū)內(nèi)，前組反應(yīng)流道的各板脊被縱向切割，形成了由若干塊狀凸起及其周邊相互連通的反應(yīng)流道組成的反應(yīng)流道混合區(qū)；后組反應(yīng)流道未被切割，且后組反應(yīng)流道的各反應(yīng)流道末端被打通，形成一貫通其內(nèi)各反應(yīng)流道的匯合流道；所述反應(yīng)物進口與第一組反應(yīng)流道連通，所述反應(yīng)物出口與最后一組反應(yīng)流道連通，且第一組反應(yīng)流道的條數(shù)≥2，最后一組反應(yīng)流道的條數(shù)≥1。