[發明專利]一種質子交換膜燃料電池雙極板立體化流場

有效

• 申請號: 201711224671.6
• 申請日: 2017-11-29
• 公開（公告）號: CN109841864B
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發明（設計）人: 李曉錦;白兆圓;苗紀遠;林春明
• 申請（專利權）人: 中國科學院青島生物能源與過程研究所
• 主分類號: H01M8/0258
• 分類號: H01M8/0258;H01M8/0263
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 李穎;周秀梅

本發明涉及質子交換膜燃料電池技術的應用領域，尤其涉及一種質子交換膜燃料電池高效排水的立體化流場。立體化流場位于膜電極與隔板之間形成密封結構，其中，流道端面為一個或多個齒形，每個齒的兩側均開有流體孔。本發明立體化流場實現不借助氫氣循環泵等外部設備而有效水管理的目的，從而大幅度降低脈沖排放量，相對于傳統二維流場可以有效提高氣體利用率。本發明適用質子交換膜燃料電池陰陽極流場，尤其適用于陽極側流場，對于簡化電池系統及提高氣體利用率具有非常重要的意義。

技術領域

本發明涉及質子交換膜燃料電池技術的應用領域，尤其涉及一種質子交換膜燃料電池高效排水的立體化流場。

背景技術

燃料電池是一種能將燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。在諸多發展出來的燃料電池種類中，質子交換膜燃料電池是一種高效、對環境友好、無燃燒反應的裝置，以氫氣或富氫氣體作為燃料，空氣或氧氣作為氧化劑，因此被認為最具應用前景的首選能源。

PEMFC主要構成核心部件除了膜電極以外，雙極板同樣是PEMFC重要核心部件，是構成PEMFC電池體積和重量的主要部分，它具有獨特的阻氣、收集電流、分配氣體重要作用。因此，雙極板研究開發成為產業界和研究者所關注的焦點領域之一，而流場的功能是引導反應氣流方向，其結構設計決定雙極板反應劑與生成物在流場內的流動狀態，確保反應氣體均勻分配到電極的各處，經電極擴散層到達催化層參與電化學反應。綜上，設計一種高分配均勻的流場結構顯得尤為重要，流場機構對PEMFC有很大的影響。

現已開發的PEMFC流場形式主要包括以下幾種：(1)點狀流場：其結構簡單，適用于以儲氫、純氧，氣態排水的燃料電池。對主要以液態水排出的PEMFC，由于反應氣流經這種流場難以達到很高的性速度，不利于排出液態水，因此很少采用；(2)平行流場：因其較小的壓降和較多分支流道會使整個流場中的反應氣體流動很不均勻，引起部分區域水的堆積，影響電池的輸出功率，降低電流密度；(3)蛇形流場：其突出的優點是排水功能，但對于面積較大的雙極板，因壓降較大，使得氣體、電流密度分布不均勻，影響電池輸出效果；同時對于平行流場與蛇形流場，均需要保持一定的氣體過量系數，才能保證燃料電池生成水的正常排出，尤其是對于氫氧燃料電池，為了實現排水功能，通常需要在燃料電池系統上設置噴射器或回流泵等部件，但這必然增加系統的復雜性和成本，同樣不利于簡化系統。(4)交指形流場又稱不連續流場，強迫反應氣流經電極的擴散層強化擴散層的傳質能力，同時將擴散層內水及時排出，在很大程度上提高了電池功率密度。經對現有技術的文獻檢索發現，中國專利公開號為CN105244517A的發明專利，提出一種主動排水質子交換膜燃料電池雙極板的流場，流場形式為矩形，第一進氣流道與第二進氣流道為交指型結構，分布于兩側，排水流道為蛇形結構，分布在第一進氣流道與第二進氣流道之間，既作為反應氣體出氣流道，又是主動排水流道，其流道設計能克服“水淹”的缺點。但是，由于流道不連續，擴散層阻力較大，氣體壓降較大，易使破壞催化層而影響電池性能(文獻1：衣寶廉，燃料電池—原理·技術·應用，化學工業出版社，2003)。

因此現階段需要開發一種結構簡單，能及時、高效排水，提升電池工作性能的流場。

發明內容

本發明的目的是針對現有常規流場的不足，提供了一種具有折流分水功能的質子交換膜燃料電池雙極板立體化流場。

為實現上述目的，本發明采用技術方案為：

一種質子交換膜燃料電池雙極板立體化流場，立體化流場位于膜電極與隔板之間形成密封結構，其中，流道端面為一個或多個齒形，每個齒的兩側均開有流體孔。

所述齒形經彎折或壓制形成，形成的端面為方形或梯形。

所述流體孔開設在齒根與齒頂之間，每相鄰的兩個流體孔具有等同的高度差。

所述流場中齒形為凸凹結構交替排列，形成立體化流場的脊背和流道。