一種質子交換膜燃料電池混合型逐變流場的製作方法

2023-09-17 17:06:30

專利名稱：一種質子交換膜燃料電池混合型逐變流場的製作方法
技術領域：
本發明屬於燃料電池流場，特別涉及一種質子交換膜燃料電池的流場結構。
背景技術：
燃料電池是一種可以高效地將燃料和氧化劑通過電極反應直接轉化為電能的發電裝置。質子交換膜燃料電池(PEMFC)是以全氟磺酸型離子交換膜為電解質，氫氣或甲醇為燃料，空氣或氧氣為氧化劑的燃料電池。PEMFC的核心是膜MEA和雙極板。膜MEA是電化學反應的場所，雙極板提供氣體分配和收集電流，為了完成氣體分配和收集電流這兩項任務，雙極板通常需具有良好的導電性能、良好的導熱性能、抗燃料和氧化劑的穿透性和在電化學環境中的抗腐蝕性能等。流場板可以是和雙極板一體的，也可以是分體的。在常見的燃料電池中，有的流場板與雙極板是分體的，如多孔體流場和由各種金屬網構造的網狀流場板等，另外有的流場板與雙極板是一體的，如點狀、部分蛇型流場板、交指狀流場等。
目前在質子交換膜燃料電池PEMFC中廣泛應用的雙極板主要有石墨(包括純石墨板和石墨與聚合物複合板)雙極板、金屬雙極板、金屬與石墨複合雙極板和聚合樹脂與石墨摻雜注塑成型的雙極板等。傳統的流場結構一般分為點狀、網狀、平行溝槽、蛇行、交指狀和肺型分支狀等。
流場的功能是引導反應燃料的流動，確保燃料流體能夠均勻分配到電極擴散層，使其能夠與催化層充分反應。流場的設計首先應當滿足流動順暢，壓力降較小(以減少氣體壓縮的輔助功耗)和保證氣體通過擴散層向催化劑表面的傳遞均勻，在PEMFC燃料電池中，電極各處均能獲得充足的反應劑是保證PEMFC燃料電池正常運行的關鍵，如果在燃料電池實驗中反應組分的分布不均勻，就會造成電極各處反應的不均勻，將會產生一定程度的濃差極化，從而引起電流密度分布不均勻，導致電池局部過熱，影響電池的壽命與降低了電池性能。
其次，及時把電池電化學反應生成水排出是非常重要的。如果不能及時把生成水排出，隨著反應生成水的逐漸累積，將會導致(1)催化劑周圍的水使得反應劑與催化劑不能進行充分接觸，即出現所謂的「電極水淹」現象；(2)水的累積有時也會使得膜局部產生溶漲現象，使膜產生收縮或是彎曲變形，影響電池的輸出性能；(3)增大了反應劑通過擴散層到達催化層的傳質阻力，降低電池的輸出功率。
蛇行流場是目前最廣泛應用的一種流場，蛇形流道的優點是從入口到出口是一個連續的通道，與平行溝槽相比其通道相對很長，而且有多次方向變化，反應劑在流場裡交錯流動，能提高各個單電池之間電堆壓力負荷的均勻分布以及反應劑在電極表面上的分配，蛇形流場的缺點除比平行流場壓力降大外，由於流道過長和氣體沿流動方向的逐漸消耗，反應氣的濃度會大幅度減小，靠近出口端的反應由於濃度的減少而反應不充分，造成濃差極化增大和催化劑不能得到充分的應用。為使質子交換膜燃料電池處於高性能的工作狀態，保持膜電極與雙極板的接觸各點的均勻分布顯然是十分重要的，蛇形流場中的氣體分布不一致性導致了膜電極的各個反應區域的實際性能不均衡。並且由於蛇行流場的出口處靠近流場板的邊緣，容易造成熱量的損失，所以出口端的溫度總是最低，同時由於反應生成的水一直沿流道輸送，到達出口端時很容易液化，隨著生成水的累積，從而堵塞出口，造成積水現象，嚴重影響電池的正常工作性能。
專利CN98114178.1在直通道蛇行流場中採用了串並聯逐漸變化結構，《Journal of Power Sources》2006年154卷171-179頁發表的文章「Currentdistribution mapping in polymer electrolyte fuel cells-A finite elementanalysis of measurement uncertainty imposed by lateral currents」在直通道蛇行流場的串並聯結構交接的匯集處應用了雙條通道匯集的結構。上述流場在一定程度上解決了燃料電池中燃料反應分布性不均勻問題，但都沒有很好的解決燃料出口處水易液化現象。

發明內容
為了解決上述各種流場的不足，在保留多通道蛇形流場能有效地控制流場壓降和降低輔助功耗的優點的基礎上，本發明提出在圓形蛇行通道流場中採用逐級變化的結構，並充分利用溫度的合理分布，採用中心導出的流場結構，以避免「水淹現象」。
為實現上述目的，本發明流場採用將流場板和雙極板合為一體，由多通道溝槽逐級遞減蛇行流場和多通道圓蛇形流場混合構成燃料反應區域。其主體結構包括混合流場反應區域溝槽A和B、入口1和6和出口5和10處的導流溝槽2、7、4和9、內密封溝槽11和外密封溝槽12組成的密封溝槽、連通導流溝槽和混合流場反應區域溝槽的分配槽3和8。
該流場板上的混合流場反應區域溝槽A和B包括串連的多層級溝槽和每一層級並行的多條溝槽，串連的層級數為n，n的值依次取0、1、2、3……，其第n層級的並行溝槽數為2n個。在同一個層級中，並行的每一個單通道溝槽的寬度都相同並與脊寬度相同，同時並行的每一溝槽的深度相同，混合流場反應區域中所有的溝槽均為圓弧形狀，所有的圓弧溝槽圓心為同一中心點，燃料出口處與氧化劑出口處設在混合流場的中心部分，該流場板的內密封溝槽11和外密封溝槽12的圓心均與混合流場反應區域溝槽的圓心為同一中心點，整體多層級呈串連分布，其分層級從燃料入口處到出口處逐級減少。
連通導流溝槽和混合流場反應區域溝槽的分配槽的入口形狀為長圓形開口或楔型開口，混合流場反應區域溝槽橫截面可以呈矩形開口、半圓形開口、燕尾式開口或雙類燕尾式開口等多種形狀。
在同一流場板結構中，內密封溝槽和外密封溝槽寬度相同，溝槽的寬度為0.2～0.6mm，內密封溝槽和外密封溝槽深度相同，溝槽的深度為0.1～0.5mm。
混合流場反應區域最高層級的溝槽數目與依次相連的低一層級的溝槽數目的比值為8∶4∶2∶1或16∶8∶4∶2∶1多種不同形式。並且其低級別的溝槽的寬度和深度可以因具體要求而適當的調整。
質子交換膜燃料電池流場結構採用的金屬板可以是不鏽鋼板、鈦板、銀板、鈮板或者上述材料表面鍍上一層金或者其他鍍層。
氧化劑和燃料分別由相對應的入口1、6處流入，經多通道漸變流場，在中心處的出口5、10處流出，流體通過一個比外密封溝槽11深0.1～0.5mm的導流溝槽2、7在外密封溝槽下面橫穿過外密封區域，將反應燃料傳遞到分配溝槽3、8，分配溝槽3、8形狀可以為長圓形分配槽或者楔形分配槽，經分配溝槽分流後，燃料進入混合流場反應區域溝槽A、B，混合流場反應區域分為左半側A和右半側B混合圓蛇形逐變流場，所有圓弧形溝槽通道為同一幾何中心。在混合圓蛇行逐變流場中，串連的層級數為n，n的值依次取0、1、2、3……，其第n層級的並行溝槽數為2n個。在16通道流場中，燃料流過分配槽後，在與分配槽緊密相連的第4層級通道共16支並行溝槽中流動，經電極擴散層到達催化層參與電化學反應，隨著反應的進行，燃料濃度差增大。混合流場中第4層級16支並行溝槽與第3層級的8支並行通道串接後，在一定程度上減少了濃度梯度。在混合流場A、B中，反應溝槽依次逐級遞減為第2層級的4支並行通道、第1層級的2支並行通道，最終流經0層級的單支通道，通過內密封圈12下面的導流溝槽4、9橫穿過密封溝槽12後，最終從中心出口處5、10流出。
本發明採用的金屬板可以是不鏽鋼板、鈦板、銀板、鈮板或者上述材料表面鍍上一層金或者其他鍍層。其加工方式可以是機械加工、雷射或高能射線切削、模壓、(光)電化學腐蝕等。
本發明具有如下優點1.改進了多通道蛇形流場的反應燃料末端流體不均勻性，以分層級的並串聯方式進行反應燃料的分派，使電極表面的各處燃料分配的更加均勻。
2.避免了傳統結構出口處溫度降低的現象，降低了電池邊緣的熱量損失，在一定程度上避免了出口處水淹的現象。
3.流體在流場流動的過程中在層級逐級變化時易於出現湍流流動，有利於提高傳質速度，減少濃差極化。
4.提高了燃料的利用率，結構更加緊湊，易於加工和圓形的相關密封設計，更利於與目前的通用件相配套。
本發明由於改善了流場的結構，提高了燃料利用率，對溫度的保持有效提高了電池的排水速度和避免了積水現象，並且結構簡單，易於加工，耐腐蝕性能好，還可以滿足電池微型化和集成化的商業要求。


圖1為本發明流場板多通道漸變式圓蛇形溝槽軸對稱結構示意2為本發明流場板溝槽橫截面為矩形開口結構示意圖。
圖3為本發明流場板溝槽橫截面為半圓開口結構示意圖。
圖4為本發明流場板溝槽橫截面為長圓開口結構示意圖。
圖5為本發明流場板溝槽橫截面為燕尾槽結構示意圖。
圖6為本發明流場板溝槽橫截面為雙燕尾槽結構示意圖。
(該圖的製作工藝一般應用於噴砂式加工。)圖7為本發明流場板多通道漸變式圓蛇形溝槽逆對稱結構示意圖。
圖8為本發明流場板多通道漸變式圓蛇形溝槽單流向結構示意圖。
具體實施例方式
實施例1該流場涉及兩對燃料入口與出口。將基板尺寸為90mm×90mm×3mm(長×寬×厚)的不鏽鋼板進行機械加工。如圖1所示，以左半側為例，燃料由入口1進入，進口通孔的直徑為4mm，經過外密封溝槽下面的導流溝槽2流入分配溝槽3，導流溝槽2橫截面呈長方形開口，橫截面(寬×高)為2mm×1mm，分配溝槽3將反應的燃料均勻分配給第2層級的並行4條通道，分配槽3的橫截面呈長方形開口，其(長×寬×深)16mm×2mm×1mm。分配溝槽要比流場溝槽深0.5mm，將導流溝槽2的燃料充分引流。
溝槽A、B區域分別為反應的左、右半側圓形逐變流場，所有圓弧行溝槽通道為同一幾何中心。橫截面呈長方形開口，寬度均為1mm，深度均為0.5mm，實例一為4通道漸變結構。燃料流體從分配槽引入後在第2層級的並行4通道內流動。在通道第3層級和第2層級交界處遞減變換為2通道，然後經流道流動最後變化為1通道，經過內密封溝槽下面的導流溝槽4，從出口5處流出。
如圖所示，板的內部銑刻有圓形內密封溝槽11和外密封溝槽12，密封溝槽的寬度為0.6m，密封溝槽的深度為0.5mm，與所有的圓弧形溝槽同心，其心同時為中央燃料出口的均勻分配點。
實施例2多通道漸變流場的形狀與結構與實施例1基本相同，混合流場反應區域A和B溝槽的寬度與脊的寬度為0.5mm，溝槽深度為0.4mm，密封溝槽11和12的寬度為0.2mm，密封溝槽的深度為0.1mm，所不同的是燃料入口6、導流溝槽7、分配槽8、導流溝槽9、燃料出口10以及流場區域B與1、2、3、4、5以及流場區域A呈關於中心點點對稱。即與實施例的右側部分以水平方向反對稱。如圖7所示。
實施例3多通道漸變流場的溝槽橫截面尺寸與實施例1相同，混合流場反應區域A和B溝槽的寬度與脊的寬度為1.5mm，溝槽深度為1.0mm.所不同的是流場整體只涉及一對燃料入口與出口，如圖8所示。
該發明改進了多通道蛇形流場反應燃料末端分配不均勻性，避免了傳統結構出口處溫度降低的現象，降低了電池邊緣的熱量損失，避免了出口處水淹的現象。
權利要求
1.一種質子交換膜燃料電池混合型逐變流場，流場板和雙極板合為一體，其特徵在於，主體結構包括混合流場反應區域溝槽(A)和(B)、入口(1)和(6)和出口(5)和(10)處的導流溝槽(2)、(7)、(4)和(9)、內密封溝槽(11)和外密封溝槽(12)組成的密封溝槽，連通導流溝槽和混合流場反應區域溝槽的分配槽(3)和(8)；混合流場反應區域溝槽(A)和(B)為串連的多層級溝槽和每一層級並行的多條溝槽，其串連層級從燃料入口處到出口處逐級減少，串連的層級數為n，n的值依次取0、1、2、3……，其第n層級的並行溝槽數為2n個；混合流場反應區域中所有的溝槽均為圓弧形狀，圓心為同一中心點，內密封溝槽和外密封溝槽的圓心均與混合流場反應區域溝槽的圓心為同一中心點，出口處設在混合流場的中心部分。
2.如權利要求1所述的質子交換膜燃料電池混合型逐變流場，其特徵在於，在同一個層級中，並行的每一個單通道溝槽的寬度都相同並與脊寬度相同，同時並行的每一溝槽的深度相同。
3.如權利要求1所述的質子交換膜燃料電池混合型逐變流場，其特徵在於，連通導流溝槽和混合流場反應區域溝槽的分配槽(3)、(8)的入口形狀為長圓形開口或楔型開口，混合流場反應區域溝槽橫截面呈矩形開口、半圓形開口、燕尾式開口或雙類燕尾式開口形狀。
4.如權利要求1所述的質子交換膜燃料電池混合型逐變流場，其特徵在於，在同一流場板結構中，內密封溝槽和外密封溝槽寬度相同，溝槽的寬度為0.2～0.6mm，內密封溝槽和外密封溝槽深度相同，溝槽的深度為0.1～0.5mm。
5.如權利要求1所述的質子交換膜燃料電池混合型逐變流場，其特徵在於，質子交換膜燃料電池流場結構採用的金屬板是不鏽鋼板、鈦板、銀板、鈮板或者上述材料表面鍍上一層金或者其他鍍層。
全文摘要
一種質子交換膜燃料電池混合型逐變流場，屬於燃料電池流場技術領域，涉及一種質子交換膜燃料電池用多通道溝槽逐級遞減蛇行流場和多通道圓蛇形流場混合構成的流場結構，包括混合流場反應區域溝槽、入口和出口處的導流溝槽、密封溝槽，連通導流溝槽和混合流場反應區域溝槽的分配槽，混合流場反應區域溝槽為串連的多層級溝槽和每一層級並行的多條溝槽，其串連層級從燃料入口處到出口處逐級減少，混合流場反應區域中的溝槽均為圓弧形狀，圓心為同一中心點，內密封溝槽和外密封溝槽的圓心均與混合流場反應區域溝槽的圓心為同一中心點，出口處設在混合流場的中心部分。本發明提高了燃料利用率，對溫度的保持有效提高了電池的排水速度和避免了積水現象。
文檔編號H01M4/86GK101047252SQ20071006436
公開日2007年10月3日 申請日期2007年3月13日 優先權日2007年3月13日
發明者王新東, 馬利軍, 林才順 申請人:北京科技大學