一種基於板內逆流流場的燃料電池的製作方法

2023-05-08 18:09:31

專利名稱：一種基於板內逆流流場的燃料電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於板內逆流流場的燃料電池，屬於燃料電池技術領域。
背景技術：
在已知的燃料電池雙極板堆設計中的流道配置方案中，比較典型的有蛇形配置、平行
配置、交叉梳狀配置、點狀配置和多孔體配置等。在蛇形配置方案中，如美國專利us
4631239 (1986)的報導，流體從入口經並排的多個曲折迂迴的流道到達出口；在平行配 置方案中，如US Patent No. 4631239 (1986)的報導，流體從入口經並排的多個直形的 流道到達出口；在交叉梳狀配置方案中，如T.V. Nguyen, J. Electrochem. Soc. 143, L103 (1996)的報導，流體從入口先經過並排的多個流道，後經過脊下多孔的擴散層和反應物層， 然後再經過並排的多個流道，最後到達出口 ；在點狀配置方案中，如US Patent No. 4769297 (1988)，流體從入口經過由點狀孤島群形成的網狀通道到達出口；在多孔體配置方案中， 如US Patent No. 5252410 (1993)，流體從入口通過多孔導電材料之間的孔隙到達出口 。 目前所有的流體配置方案(包括上述幾種)有一個共同的優點，即流道配置簡單，流體在 流道內並行且單向地從入口流動到出口，但它們也有一個共同的缺點，參與反應的流體的 單向流動將導致流體各組分的濃度從入口到出口單調地下降(對反應物而言)或單調地增 加(對產物而言)，從而導致流體各組分的濃度在電池活性區的各微區中的濃度不相同， 最終成為電流密度在整個活性區分布不均勻的一個重要原因。

發明內容
本發明的目的是提出一種基於板內逆流流場的燃料電池，通過控制流體在與活性區對 應的任兩個緊鄰的流道內雙向流動(即逆流)，以實現流體中各組分的濃度在整個活性區 的任何宏觀微區之間基本保持相同。
本發明提出的基於板內逆流流場的燃料電池，包括夾板和多個電池單元，多個電池單 元相互串連後，夾在兩個夾板之間，其特徵在於其中所述的電池單元包括空氣流場板、燃 料流場板和膜電極，空氣流場板和燃料流場板分別置於膜電極的兩側；
所述的空氣流場板的上端自左至右依次開有第一燃料入口、第二空氣出口、第一空氣 入口和第二燃料出口，下側開有穿過空氣流場板的第二組空氣過孔；空氣流場板的下端自 左至右依次設有第二燃料進口、第一空氣出口、第二空氣入口和第一燃料出口，上側開有 穿過空氣流場板的第一組空氣過孔；空氣流場板的與膜電極相對的面上，中部設有第一組空氣流道和第二組空氣流道，第一組空氣流道和第二組空氣流道相互間隔排列；所述的第 一組空氣流道的進口端通過第一進口分配槽和第一組進口槽與第一空氣入口相連通，第一 組空氣流道的出口端依次通過第一組空氣過 L、空氣流場板的與膜電極相背對面上的第一 組出口匯集槽和第一組出口槽與第一空氣出口相連通；所述的第二組空氣流道的進口端通 過第二組進口分配槽和第二組進口槽與第二空氣入口相連通，第二組空氣流道的出口端依 次通過第二組空氣過孔、空氣流場板的與膜電極相背對面上的第二組出口匯集槽和第二組 出口槽與第二空氣出口相連通；
所述的燃料流場板的上端自右至左依次開有第一燃料入口、第二空氣出口、第一空氣 入口和第二燃料出口，下側開有穿過燃料流場板的第二組燃料過孔；燃料流場板的下端自 右至左依次設有第二燃料進口、第一空氣出口、第二空氣入口和第一燃料出口，上側開有 穿過燃料流場板的第一組燃料過孔；燃料流場板的與膜電極相對的面上，中部設有第一組 燃料流道和第二組燃料流道，第一組燃料流道和第二組燃料流道相互間隔排列；所述的第 一組燃料流道的進口端通過第一組進口分配槽和第一組進口槽與第一燃料入口相連通，第 一組燃料流道的出口端依次通過第一組燃料過 L、燃料流場板的與膜電極相背對面上的第 一組出口匯集槽和第一組出口槽與第一燃料出口相連通；所述的第二組燃料流道的進口端 通過第二組進口分配槽和第二組進口槽與第二燃料入口相連通，第二組燃料流道的出口端 依次通過第二組燃料過 L、燃料流場板的與膜電極相背對面上的第二組出口匯集槽和第二 組出口槽與第二燃料出口相連通。
本發明提出的基於板內逆流流場的燃料電池，其優點是在一個流道內流體各組分濃 度的逐漸降低被與其緊鄰的流道內流體各組分濃度的逐漸增加所平均，而且一個流道內的 流體可通過脊下的多孔擴散層和催化層與其緊鄰的流道內的流體以擴散方式相連通，從而 實現流體中各組分的濃度在整個活性區的任何宏觀微區之間基本保持相同，進而促進電流 密度在整個活性區均勻分布。這樣就克服了傳統流場中流體中各組分的濃度隨流程的增加 而逐漸增加或增加減小的缺陷。
本發明不僅可以用於燃料電池流場，也可用於其他非燃料電池流體的流道分配。


圖1是本發明提出的電池單元的結構示意圖。 圖2為圖1中空氣流場板的右視圖(空氣流場板正面)。 圖3為圖1中空氣流場板的左視圖(空氣流場板背面)。 圖4為圖1中燃料流場板的右視圖(燃料流場板背面)。 圖5為圖1中燃料流場板的左視圖(燃料流場板正面)。
在圖1、 2、 3、 4、 5中，1為電堆夾板，2為電堆單元，3為空氣流場板(陰極流場板)，4為膜電極，5為燃料流場板(陽極流場板)，6為第一燃料入口， 7為第二空氣出口， 8為第一空氣入口， 9為第二燃料出口， IO為第一組空氣入口槽，ll為第一組空氣入口分 配槽，12為第一組空氣流道，13為第一組空氣過孔，14為第二組空氣入口分配槽，15為 第二組空氣入口槽，16為第一燃料出口， 17為第二空氣入口， 18為第一空氣出口， 19為 第二燃料入口， 20為第二組空氣流道，21為第二組空氣過孔，22為第二組空氣出口槽， 23為第二組空氣出口匯集槽，24為第一組空氣出口匯集槽，25為第一組空氣出口槽，26 為第一空氣流場板蓋板槽，27為第二空氣流場板蓋板槽，28為第二組燃料出口槽，29為 第二組燃料出口匯集槽，30為第二組燃料過孔，31為第一組燃料過孔，32為第一組燃料 出口匯集槽，33為第一組燃料出口槽，34為第一燃料流場板蓋板槽，35為第二組燃料流 場板蓋板槽，36為第一組燃料入口槽，37為第一組燃料入口分配槽，38為第一組燃料流 道，39為第二組燃料入口分配槽，40為第二燃料入口槽，41為第二組燃料流道。
具體實施方式
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本發明提出的基於板內逆流流場的燃料電池，其結構如圖1所示，包括夾板1和多個 電池單元2，多個電池單元2相互串連後，夾在兩個夾板l之間。電池單元2包括空氣流 場板3、燃料流場板5和膜電極4，空氣流場板3和燃料流場板5分別置於膜電極3的兩 側。
上述空氣流場板3的結構如圖2所示，其上端自左至右依次開有第一燃料入口6、第 二空氣出口7、第一空氣入口 8和第二燃料出口 9，下側開有穿過空氣流場板的第二組空 氣過孔21。空氣流場板的下端自左至右依次設有第二燃料進口 19、第一空氣出口18、第 二空氣入口 17和第一燃料出口 16，上側開有穿過空氣流場板的第一組空氣過孔13。空氣 流場板的與膜電極相對的面上，中部設有第一組空氣流道12和第二組空氣流道20，第一 組空氣流道12和第二組空氣流道20相互間隔排列。第一組空氣流道12的進口端通過第 一進口分配槽11和第一組進口槽10與第一空氣入口 8相連通，第一組空氣流道12的出 口端依次通過第一組空氣過孔13、空氣流場板的與膜電極相背對面上的第一組出口匯集 槽24和第一組出口槽25與第一空氣出口 18相連通。第二組空氣流道20的進口端通過第 二組進口分配槽14和第二組進口槽15與第二空氣入口 17相連通，第二組空氣流道20的 出口端依次通過第二組空氣過孔21、空氣流場板的與膜電極相背對面上的第二組出口匯 集槽23和第二組出口槽22與第二空氣出口 7相連通，如圖3所示。
上述燃料流場板5的結構如圖5所示，其上端自右至左依次開有第一燃料入口 6、第 二空氣出口7、第一空氣入口 8和第二燃料出口 9，下側開有穿過空氣流場板的第二組燃 料過孔30。燃料流場板的下端自右至左依次設有第二燃料進口 19、第一空氣出口18、第 二空氣入口 17和第一燃料出口 16,上側開有穿過燃料流場板的第一組燃料過孔31。燃料流場板的與膜電極相對的面上，中部設有第一組燃料流道38和第二組燃料流道41，第一 組燃料流道38和第二組燃料流道41相互間隔排列。第一組燃料流道38的進口端通過第 一組進口分配槽37和第一組進口槽36與第一燃料入口 6相連通，第一組燃料流道38的 出口端依次通過第一組燃料過孔31、燃料流場板的與膜電極相背對面上的第一組出口匯 集槽32和第一組出口槽33與第一燃料出口 16相連通，第二組燃料流道41的進口端通過 第二組進口分配槽39和第二組進口槽40與第二燃料入口 19相連通，第二組燃料流道41 的出口端依次通過第二組燃料過孔30、燃料流場板的與膜電極相背對面上的第二組出口 匯集槽29和第二組出口槽28與第二燃料出口 9相連通，如圖4所示。 本發明提出的燃料電池，其設計原理是
在與活性區相對應的流場部分，並排設置多個平行流道，並將流道按照相同的間隔分 為兩組；在流道的一端設置一個進口和一個出口，同時在另一端也設置一個進口和一個出 口。 一組流道在一端匯集在一起，並與一個進口相連連通，同時在另一端也匯集在一起， 並與一個出口相連通，這樣就形成一組性質等同的流道；按照同樣的方式，將另一組流道 在首端和末端匯集，並分別與另一個進口和出口相連通，這樣就形成第二組性質等同的流 道。在兩組流道裡將流體按相反的方向流動，這就形成了流體的板內逆流。在流場板上兩 組流道互不相通。在進口側(或出口側)， 一組流道在雙極板正面匯集，然後與進口 (或 出口)相連通；在出口側(或進口側)，該組流道在先通過穿透雙極板的過孔，然後在流 場板背面匯集，最後再與出口 (或進口)相連通。對另一組採取完全相同的措施。這樣可 實現兩組流道在流場板上互不相通。對上述兩組流道中任一組均可增設進口或出口，對任 一組流道均可進一步分組，但應保證同一大組流道內的各個流道在相同流程處的流動方向 相同，而不同大組流道在相同流程處的流動方向相反。
圖2和圖3分別為圖1中空氣流場板3的右視圖和左視圖。如圖3，在空氣流場板的 正面，並行的流道按從右至左的奇偶次序被分為兩組第一組空氣流道12和第二組空氣
流道20;在流場板的上下兩端共有兩個空氣進口和兩個空氣出口，上端右側為第一空氣
入口8，上端左側為第二空氣出口7，下端右側為第二空氣入口 n，下端左側為第二空氣 出口18。在流場板的正面，空氣從第一空氣入口8經第一組空氣入口槽10和第一組空氣 入口分配槽11進入第一組空氣流道12，然後再經第一組空氣過孔13到達流場板的背面， 最後經流場板背面上的第一組空氣出口匯集槽24和第一組空氣出口槽25到達第一空氣出 口 18，這形成了一組從上到下的空氣流通路徑；在流場板的正面，空氣從第二空氣入口 17經第二空氣入口槽15和第二組空氣入口分配槽14進入第二組空氣流道20，然後再經 第二組空氣過孔21到達流場板的背面，最後經流場板背面上的第二組空氣出口匯集槽23 和第二組空氣出口槽22到達第二空氣出口 7，這形成了一組從下到上的空氣流通路徑； 因在兩組空氣流通路徑裡呈逆流狀態，故它們共同構成板內可逆流場。在兩組空氣流通路徑裡，空氣也可向同一個方向流動，從而形成板內並流流動。這樣， 在一個板內可逆流場中，空氣既可逆流流動，也可並流流動。
在燃料電池中， 一個單元的空氣流場背面要與另一個單元的燃料流場背面連結在一 起，為防止兩種流場貫通，應在空氣流場背面上的兩組空氣出口匯集槽和兩組空氣過孔上 添加蓋板，為此在背面要刻兩個蓋板槽，即第一空氣流場板蓋板槽26和第二空氣流場板 蓋板槽27。
在空氣流場板上，還刻有兩個燃料進口和兩個燃料入口，如圖3和圖4所示，這是為 了將空氣板內可逆流場與燃料板內可逆流場(如圖4和圖5)集成在一起。
圖4和圖5分別為圖1中燃料流場板5的右視圖和左視圖。如圖5，在燃料流場板的 一正面，並行的流道按從右至左的奇偶次序被分為兩組第一組燃料流道38和第二組燃料 流道41;在流場板的上下兩端共有兩個燃料進口和兩個燃料出口，上端右側為第一燃料 入口6，上端左側為第二燃料出口9，下端右側為第二燃料入口 19，下端左側為第一燃料 出口16。在流場板的正面，燃料從第一燃料入口 6經第一組燃料入口槽36和第一組燃料 入口分配槽37進入第一組燃料流道38，然後再經第一組燃料過孔31到達流場板的背面， 最後經流場板背面上的第一組燃料出口匯集槽32和第一組燃料出口槽33到達第一燃料出 口 16，這形成了一組從上到下的燃料流通路徑；在流場板的正面，燃料從第二燃料入口 19經第二組燃料入口槽40和第二組燃料入口分配槽39進入第二組燃料流道41，然後再 經第二組燃料過孔30到達流場板的背面，最後經流場板背面上的第二組燃料出口匯集槽 29和第二組燃料出口槽28到達第二燃料出口 9，這形成了一組從下到上的燃料流通路徑； 因在兩組燃料流通路徑裡呈逆流狀態，故它們共同構成板內可逆流場。
在兩組燃料流通路徑裡，燃料也可向同一個方向流動，從而形成板內並流流動。這樣， 在一個板內可逆流場中，燃料既可逆流流動，也可並流流動。
在電堆中， 一個單元的燃料流場背面要與另一個單元的空氣流場背面連結在一起，為 防止兩種流場貫通，應在燃料流場背面上的兩組燃料出口匯集槽和兩組燃料過孔上添加蓋 板，為此在背面要刻兩個蓋板槽，即第一燃料流場板蓋板槽34和第二燃料流場板蓋板槽 35。
在燃料流場板上，還刻有兩個空氣進口和兩個燃料入口，如圖4和圖5所示，這是為 了將燃料板內可逆流場與空氣板內可逆流場(如圖2和圖3)集成在一起。
權利要求
1、一種基於板內逆流流場的燃料電池，包括夾板和多個電池單元，多個電池單元相互串連後，夾在兩個夾板之間，其特徵在於其中所述的電池單元包括空氣流場板、燃料流場板和膜電極，空氣流場板和燃料流場板分別置於膜電極的兩側；所述的空氣流場板的上端自左至右依次開有第一燃料入口、第二空氣出口、第一空氣入口和第二燃料出口，下側開有穿過空氣流場板的第二組空氣過孔；空氣流場板的下端自左至右依次設有第二燃料進口、第一空氣出口、第二空氣入口和第一燃料出口，上側開有穿過空氣流場板的第一組空氣過孔；空氣流場板的與膜電極相對的面上，中部設有第一組空氣流道和第二組空氣流道，第一組空氣流道和第二組空氣流道相互間隔排列；所述的第一組空氣流道的進口端通過第一進口分配槽和第一組進口槽與第一空氣入口相連通，第一組空氣流道的出口端依次通過第一組空氣過孔、空氣流場板的與膜電極相背對面上的第一組出口匯集槽和第一組出口槽與第一空氣出口相連通；所述的第二組空氣流道的進口端通過第二組進口分配槽和第二組進口槽與第二空氣入口相連通，第二組空氣流道的出口端依次通過第二組空氣過孔、空氣流場板的與膜電極相背對面上的第二組出口匯集槽和第二組出口槽與第二空氣出口相連通；所述的燃料流場板的上端自右至左依次開有第一燃料入口、第二空氣出口、第一空氣入口和第二燃料出口，下側開有穿過燃料流場板的第二組燃料過孔；燃料流場板的下端自右至左依次設有第二燃料進口、第一空氣出口、第二空氣入口和第一燃料出口，上側開有穿過燃料流場板的第一組燃料過孔；燃料流場板的與膜電極相對的面上，中部設有第一組燃料流道和第二組燃料流道，第一組燃料流道和第二組燃料流道相互間隔排列；所述的第一組燃料流道的進口端通過第一組進口分配槽和第一組進口槽與第一燃料入口相連通，第一組燃料流道的出口端依次通過第一組燃料過孔、燃料流場板的與膜電極相背對面上的第一組出口匯集槽和第一組出口槽與第一燃料出口相連通；所述的第二組燃料流道的進口端通過第二組進口分配槽和第二組進口槽與第二燃料入口相連通，第二組燃料流道的出口端依次通過第二組燃料過孔、燃料流場板的與膜電極相背對面上的第二組出口匯集槽和第二組出口槽與第二燃料出口相連通。
全文摘要
本發明涉及一種基於板內逆流流場的燃料電池，屬於燃料電池技術領域。在電池單元的空氣流場板上，開有兩對空氣進出口、兩組相互間隔排列的空氣流道、兩組穿過空氣流場板的空氣過孔，從而形成空氣板內逆流流場；在燃料流場板上，開有兩對燃料進出口、兩組相互間隔排列的燃料流道、兩組穿過燃料流場板的燃料過孔，從而形成燃料板內逆流流場；在空氣流場板上還開有兩對燃料進出口，在燃料流場板上還開有兩對空氣進出口，從而實現兩種流場板的集成。在本發明的燃料電池中，一個流道內流體各組分濃度的逐漸降低將被與其緊鄰的流道內流體各組分濃度的逐漸增加所平均，從而實現流體中各組分的濃度在整個活性區的任何宏觀微區之間基本保持相同。
文檔編號H01M8/24GK101587964SQ200910083670
公開日2009年11月25日 申請日期2009年5月8日 優先權日2009年5月8日
發明者張紅飛, 星 袁, 裴普成 申請人:清華大學