一種燃料電池流體微分流場極板的製作方法

2023-07-23 06:58:36 3

本發明屬於燃料電池領域，特別涉及一種流體微分流場極板。

背景技術：

燃料電池是一種直接將燃料中的化學能轉化為電能的裝置，能夠實現對燃料的高效清潔利用，因而是緩解日益突出的能源、環境問題的有效途徑之一。電池極板是燃料電池的重要部件，主要起到分配流體、導電和支撐電池結構的作用。

流場中的流體主要包括反應氣體氫氣、氧氣(或空氣)以及反應產物水(氣態或液態)，對燃料電池的性能有著重要的影響。反應氣體不足會降低電池效率，反應氣體分布不均會導致局部電化學反應速率減緩甚至無法進行，不僅會造成電池性能下降，甚至還會由於電流密度分布不均而造成電極局部過熱，降低電池壽命；反應產物水在流場中的堆積會影響催化反應界面的電化學反應，降低燃料電池效率。

基本流場形式有蛇形流道、平行流道、平行蛇形流道、交指流道、螺旋流道和網格流道等。蛇形流道在流場板上從入口到出口只有一條流道，能夠迅速排出燃料電池生成的液體水，但對於面積較大的流場板，會因流道過長造成反應氣壓降過大、在流道後段反應氣供應不足等問題；平行流道具有數目較多的平行並聯形式的流道，流道阻力小，但由於氣體流速慢，水不易排出，容易造成電極水淹；平行蛇形流道設計涵蓋了蛇形流道和平行流道的設計，具有較大的靈活性，流道長度和數目及流道的尺寸都可以調整；交指流道是不連續的，流體被強制通過擴散層，提高電極利用率，但是擴散層阻力較大，流體壓力降較大，且催化劑層有可能被破壞；螺旋流道與蛇形流道相似，排水能力較好，但壓降較大，流動易發生短路；網格流場是放棄流道的一種做法，通常是將阻擋物規則地排列在流體進出口之間，使流體在阻擋物間的孔隙中繞流，這種流道中的流體流速較低，排水能力較差，流體流動均勻性較差，易在角落處出現水淹。

目前的極板流場皆採用了相近的方式，整個流道皆平行於極板平面，反應氣體從入口出發，在極板面內沿流道流動至出口，流體流經路徑較長。這種流道形式存在明顯的弊端，流體在流動過程中不斷被消耗，造成接近出口處反應氣體比入口處反應氣體稀薄，平面內電化學反應速率形成差異，電流密度分布不均，影響電池性能；此外，對於有反應產物水生成的一側極板，水分子會進入極板流道，越靠近出口處，水分子含量越高，水分子在流場中的堆積會影響催化反應界面的電化學反應，進一步增大平面內電化學反應速率差異，影響電流密度分布均勻性，降低燃料電池效率。

技術實現要素：

本發明的目的在於解決現有燃料電池極板流道流體分布均勻性差的弊端，提供一種使極板平面內各部位流體分布均勻且排水性能好的流體微分流場極板。

本發明一種燃料電池流體微分流場極板，由流道板和蓋板組成，流道板上設置有氣體流場與冷卻水流場；所述氣體流場包括氣體入口、氣體出口、進氣主流道、排氣主流道、進氣分流道、排氣分流道、進氣段、擴散段和排氣段，其中進氣段、擴散段和排氣段組成了擴散單元；氣體入口與氣體出口為圓柱形孔，均垂直於流道板平面且呈對角線布置；流道板的正面和背面設置有平行的進氣主流道和排氣主流道，進氣主流道和排氣主流道形成兩條凹槽，且分別與氣體入口和氣體出口連通；流道板的背面設置有相互平行、間隔分布的相同數量的多條進氣分流道和排氣分流道，形成多條凹槽，進氣分流道和排氣分流道與進氣主流道和排氣主流道垂直布置，且進氣分流道與進氣主流道連通，排氣分流道與排氣主流道連通；流道板正面進氣主流道和排氣主流道之間的位置設置有平行於進氣主流道和排氣主流道的多排多列擴散段，擴散段的列數等於進氣分流道和排氣分流道的個數，每列擴散段形成的多條凹槽位於對應的進氣分流道和排氣分流道在極板正面的投影之間，且其長度等於對應的進氣分流道和排氣分流道之間的距離；每條擴散段的兩端分別通過垂直於流道板平面的進氣段和排氣段與進氣分流道和排氣分流道連通；所述冷卻水流場包括冷卻水入口、冷卻水出口、進水主流道、排水主流道和冷卻水工作流道；冷卻水入口和冷卻水出口為圓柱形孔，垂直於流道板平面呈對角線布置，且冷卻水入口和冷卻水出口與氣體入口和氣體出口相比更靠近流道板的邊緣；進水主流道和排水主流道設置於流道板的背面，且平行於進氣主流道和排氣主流道，並分別與冷卻水入口和冷卻水出口連通；冷卻水工作流道設置於流道板背面對應的進氣分流道和排氣分流道之間位置，與進氣分流道和排氣分流道平行且數量相同，每條冷卻水工作流道的兩端分別與進水主流道和排水主流道連通；蓋板與流道板的對應位置處設置氣體入口、氣體出口、冷卻水入口和冷卻水出口，蓋板設置於流道板的背面。

本發明一種燃料電池流體微分流場極板，所述擴散單元各段的截面積相同，且小於進氣分流道和排氣分流道的截面積，進氣分流道和排氣分流道的截面積小於進氣主流道和排氣主流道的截面積。

本發明一種燃料電池流體微分流場極板，所述擴散單元的擴散段為矩形槽，槽的寬度與深度範圍都為0.3mm到1mm，同列相鄰擴散段之間的距離小於或等於槽的寬度，相鄰兩列擴散段之間的距離小於或等於槽的寬度。

本發明一種燃料電池流體微分流場極板，所述進氣主流道與進氣分流道的連通以及排氣主流道與排氣分流道的連通為搭接方式，進氣主流道和排氣主流道與進氣分流道和排氣分流道不在同一平面內。

本發明一種燃料電池流體微分流場極板，所述擴散段的槽邊緣進行倒圓角處理。

本發明一種燃料電池流體微分流場極板，所述擴散段的槽底面可以設置為弧形面，便於加工和清理。

本發明一種燃料電池流體微分流場極板，流道板與蓋板的材料為導電材料，所述蓋板與流道板背面的實體部分通過粘接密封材料進行固定密封。

本發明一種燃料電池流體微分流場極板，工作過程中，反應氣體從氣體入口進入進氣主流道，由於進氣主流道與進氣分流道的搭接連通方式，氣體優先充滿整個進氣主流道，使得流體微分後進入各進氣分流道的氣體流量相近；進入各進氣分流道的氣體經過再次流體微分作用後進入並聯的各個擴散單元，不同擴散單元之間沒有相互影響，保證流經不同擴散單元內的反應氣體流量相近。擴散單元內的氣體經進氣段進入擴散段，部分氣體在擴散段進入燃料電池的氣體擴散層，剩餘氣體經排氣段進入排氣分流道，各排氣分流道排出的氣體在排氣主流道匯集，並從氣體出口排出。

由以上技術方案可知，本發明的有益效果是：

1.氣體經過兩次流體微分作用後，可以較為均勻地分布在整個氣體擴散層表面，各擴散段內氣體同時向氣體擴散層擴散，並且各擴散段氣體的消耗不會對其他擴散段產生影響，可以從根本上解決燃料電池電流密度分布不均的問題。

2.對於有水生成的極板，水分主要從氣體擴散層進入各擴散段，由於擴散段很短，生成的水不會發生積聚，會迅速從擴散段進入排氣段，經排氣分流道和排氣主流道最終排出到出口，對於弧形的擴散段，排水效果更好。由於生成的水分不會流經其他擴散段，也不會在擴散段內發生積聚，因此不會影響催化反應界面的電化學反應，提高電池性能。

附圖說明

圖1為本發明一種燃料電池流體微分流場極板結構示意圖；

圖2為圖1的斷面示意圖；

圖3為本發明一種燃料電池流體微分流場極板的流道板正面結構示意圖；

圖4為本發明一種燃料電池流體微分流場極板的流道板背面結構示意圖；

圖5為本發明一種燃料電池流體微分流場極板的流場結構示意圖；

圖6為本發明一種燃料電池流體微分流場極板的流場投影視圖；

圖7為本發明一種燃料電池流體微分流場極板的冷卻水流場結構示意圖；

圖8為本發明一種燃料電池流體微分流場極板的蓋板結構示意圖；

圖9為本發明一種燃料電池流體微分流場極板的弧形面擴散段的極板斷面示意圖。

圖中：1.極板，2.氣體入口，3.氣體出口，4.進氣主流道，5.排氣主流道，6.進氣分流道，7.排氣分流道，8.擴散單元，9.冷卻水入口，10.冷卻水出口，11.進水主流道，12.排水主流道，13.冷卻水工作流道，81.進氣段，82.擴散段，83.排氣段，84.弧形面，101.流道板，102.蓋板。

具體實施方式：

本發明一種燃料電池流體微分流場極板，由流道板101和蓋板102組成，如圖1和圖2所示，流道板101上設置有氣體流場與冷卻水流場；所述氣體流場包括氣體入口2、氣體出口3、進氣主流道4、排氣主流道5、進氣分流道6、排氣分流道7、進氣段81、擴散段82和排氣段83，其中進氣段81、擴散段82和排氣段83組成了擴散單元8；氣體入口2與氣體出口3為圓形孔，均垂直於流道板101平面且呈對角線布置，如圖3所示；流道板101的正面兩側設置有平行的進氣主流道4和排氣主流道5，進氣主流道4和排氣主流道5形成兩條凹槽，且分別與氣體入口2和氣體出口3連通；流道板101的背面設置有相互平行、間隔分布的相同數量的多條進氣分流道6和排氣分流道7，形成多條凹槽，進氣分流道6和排氣分流道7與進氣主流道4和排氣主流道5垂直布置，且進氣分流道6與進氣主流道4連通，排氣分流道7與排氣主流道5連通；如圖4-圖6所示。流道板101正面進氣主流道4和排氣主流道5之間的位置設置有平行於進氣主流道4和排氣主流道5的多排多列擴散段82，擴散段82的列數等於進氣分流道6和排氣分流道7的個數，每列擴散段82形成的多條凹槽位於對應的進氣分流道6和排氣分流道7在極板1正面的投影之間，且其長度等於對應的進氣分流道6和排氣分流道7之間的距離；每條擴散段82的兩端分別通過垂直於流道板101平面的進氣段81和排氣段83與進氣分流道6和排氣分流道7連通，；所述冷卻水流場包括冷卻水入口9、冷卻水出口10、進水主流道11、排水主流道12和冷卻水工作流道13；冷卻水入口9和冷卻水出口10為圓形孔，垂直於流道板101平面呈對角線布置，且冷卻水入口9和冷卻水出口10與氣體入口2和氣體出口3相比更靠近流道板101的邊緣；進水主流道11和排水主流道12設置於流道板101的背面，且平行於進氣主流道4和排氣主流道5，並分別與冷卻水入口9和冷卻水出口10連通；冷卻水工作流道13設置於流道板101背面對應的進氣分流道6和排氣分流道7之間位置，與進氣分流道6和排氣分流道7平行且數量相同，每條冷卻水工作流道13的兩端分別與進水主流道11和排水主流道12連通，如圖7所示；蓋板102與流道板101的對應位置處設置氣體入口2、氣體出口3、冷卻水入口9和冷卻水出口10，如圖8所示，蓋板102設置於流道板101的背面。

本發明一種燃料電池流體微分流場極板，所述擴散單元8各段的截面積相同，且小於進氣分流道6和排氣分流道7的截面積，進氣分流道6和排氣分流道7的截面積小於進氣主流道4和排氣主流道5的截面積。

本發明一種燃料電池流體微分流場極板，所述擴散單元8的擴散段82為矩形槽，槽的寬度與深度範圍為0.3mm到1mm，同列相鄰擴散段82之間的距離小於或等於槽的寬度，相鄰兩列擴散段82之間的距離小於或等於槽的寬度。

本發明一種燃料電池流體微分流場極板，所述進氣主流道4與進氣分流道6的連通以及排氣主流道5與排氣分流道7的連通為搭接方式，進氣主流道4和排氣主流道5與進氣分流道6和排氣分流道7不在同一平面內。

本發明一種燃料電池流體微分流場極板，所述擴散段82的槽邊緣進行倒圓角處理。

本發明一種燃料電池流體微分流場極板，所述擴散段82的槽底面可以設置為弧形面84，如圖9所示。

本發明一種燃料電池流體微分流場極板，流道板101與蓋板102的材料為導電材料，所述蓋板102與流道板101背面的實體部分通過粘接密封材料進行固定密封。

下面以本發明一種燃料電池流體微分流場極板為例，對本發明進行說明：

氣體擴散層截面尺寸為20mm×20mm的燃料電池，組成極板1的流道板101和蓋板102的截面尺寸設計為30mm×30mm，蓋板102厚度0.7mm，流道板101厚度為1.8mm。位於流道板101正面的各擴散段82的槽深0.5mm，在20mm×20mm的正方形位置均勻排列。各擴散段82寬度為0.5mm，同列內相鄰擴散段82之間的間隔為0.5mm，每列擴散段82內包含擴散段82的個數為20；擴散段82的長度為3mm，相鄰兩列擴散段82之間的距離為0.5mm，擴散段82的列的數目為6；位於所述正方形四周邊緣位置的擴散段82可以局部超出正方形邊緣。位於流道板101背面的進氣分流道6和排氣分流道7的槽寬為0.5mm，槽深為0.8mm，並通過截面尺寸為0.5mm×0.5mm的進氣段81、排氣段83與擴散段82連通；進氣分流道6沿長度方向向一側延伸至進氣主流道4，排氣分流道7沿長度方向向另一側延伸至排氣主流道5。位於流道板101正面的進氣主流道4與排氣主流道5的槽深1mm，槽寬1.2mm，分別與進氣分流道6和排氣分流道7搭接相通。氣體入口2與氣體出口3分別與進氣主流道4與排氣主流道5相通，且截面直徑為2mm。位於流道板101背面的冷卻水流場各流道槽深皆為0.5mm，其中，冷卻水工作流道13槽寬1mm，進水主流道11和排水主流道12的槽寬2mm；冷卻水入口9和冷卻水出口10的截面直徑3mm。

工作過程中，反應氣體從氣體入口2進入進氣主流道4，由於進氣主流道4與進氣分流道6的搭接連通方式，氣體優先充滿整個進氣主流道4，使得流體微分後進入各進氣分流道6的氣體流量相近；進入各進氣分流道6的氣體經過再次流體微分作用後進入並聯的各個擴散單元8，不同擴散單元8之間沒有相互影響，保證流經不同擴散單元8內的反應氣體流量相近。擴散單元8內的氣體經進氣段81進入擴散段82，部分氣體在擴散段82處進入燃料電池的氣體擴散層，剩餘氣體經排氣段83進入排氣分流道7，各排氣分流道7排出的氣體在排氣主流道5匯集，並從氣體出口3排出。可以看出，此種結構設計使得氣體經過兩次流體微分作用後，可以較為均勻的分布在整個氣體擴散層表面，各擴散段82內氣體同時向氣體擴散層擴散，並且各擴散段82氣體的消耗不會對其他擴散段82產生影響，可以從根本上解決燃料電池電流密度分布不均的問題。

此外，對於有水生成的極板1，水分主要從氣體擴散層進入各擴散單元8的擴散段82，由於擴散段82很短，生成的水不會發生積聚，會迅速從擴散段82進入排氣段83，經排氣分流道7和排氣主流道5最終排出到出口，對於弧形的擴散段82，排水效果更好。由於生成的水分不會流經其他擴散段82，也不會在擴散段82內發生積聚，因此不會影響催化反應界面的電化學反應，提高電池性能。