一種適合常壓或低壓運行的燃料電池氫氣導流極板的製作方法
2023-04-25 00:49:11 1
專利名稱：一種適合常壓或低壓運行的燃料電池氫氣導流極板的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池，尤其涉及一種適合常壓或低壓運行的燃料電池氫氣導流極板。
背景技術：
電化學燃料電池是一種能夠將氫燃料及氧化劑轉化成電能及反應產物的裝置。該裝置的內部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細小分散的引發電化學反應的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導電物體將發生電化學反應過程中生成的電子，通過外電路引出，構成電流迴路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，並在催化劑表面上發生電化學反應，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質子交換膜，到達膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，並在催化劑表面上發生電化學反應得到電子，形成負離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發生反應，形成反應產物。
在採用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區的催化電化學反應就產生了氫正離子(或叫質子)。質子交換膜幫助氫正離子從陽極區遷移到陰極區。除此之外，質子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產生爆發式反應。
在陰極區，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負離子，並與陽極區遷移過來的氫正離子反應，生成反應產物水。在採用氫氣、空氣(氧氣)的質子交換膜燃料電池中，陽極反應與陰極反應可以用以下方程式表達
陽極反應陰極反應在典型的質子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導電的極板中間，每塊導流電極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、衝壓或機械銑刻，形成至少一條以上的導流槽。這些導流電極板可以是金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導流電極板上的導流孔道與導流槽分別將燃料和氧化劑導入膜電極兩邊的陽極區與陰極區。在一個質子交換膜燃料電池單電池的構造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導流極板與陰極氧化劑的導流極板。這些導流極板既作為電流集流母板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導流極板上的導流槽又作為燃料與氧化劑進入陽極、陰極表面的通道，並作為帶走燃料電池運行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通常可通過直疊的方式串聯成電池組或通過平鋪的方式聯成電池組。在直疊、串聯式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過前端板、後端板及拉杆緊固在一起成為一體。
一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導流進口和導流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經重整後得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內冷卻通道中，將燃料電池內氫、氧電化學放熱反應生成的熱吸收並帶出電池組後進行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應的導流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
質子交換膜燃料電池可用作一切車、船等運載工具的動力系統，又可作手提式、移動式、固定式的發電裝置。質子交換膜燃料電池發電系統必須包括燃料電池堆、燃料氫氣供應、空氣供應、冷卻散熱、自動控制及電能輸出等各個部分。質子交換膜燃料電池運行的穩定與可靠性對作為車、船動力系統或可移式發電裝置的應用是非常重要的。其中提高燃料電池堆的運行穩定與可靠性是關鍵。
目前，在質子交換膜燃料電池堆氫氣導流極板的設計中，為了減小氫氣阻力，一般氫氣主流槽的單根橫截面尺寸都較大，而且氫氣主流槽的根數較少；此外，為了增加燃料氫氣向電極反應區快速擴散，導氫氣流板上的氫氣主流槽往往設計成蛇形或彎彎曲曲形狀，使流體通過形成紊流，有利於向電極內部反應區擴散。
上述燃料電池堆中氫氣導流極板的設計存在以下技術缺陷由於氫氣主流槽的根數較少且彎曲性很大，而氫氣主流槽長度又較長，因此燃料電池生成的產物水也很容易通過反滲透在電極陽極側出現，將氫氣主流槽堵塞。特別是燃料電池作為車、船動力系統或可移式發電裝置應用時，由於動力系統的工況變化很大，燃料電池的輸出功率也變化很大，這樣燃料電池生成的水更容易將氫氣主流槽堵塞。
另外，為了防止燃料電池生成的水堵塞導流槽，往往採用提高燃料電池運行的空氣與氫氣計量比，也就是加大空氣、氫氣流量，用過量的空氣、氫氣將產物水帶出燃料電池，這種運行方法實際上是提高了燃料電池的運行壓力，增加了運行成本，降低了安全性，而且有悖於將燃料電池設計成適合常壓或低壓運行(尤其是作為車、船發動機時)的發展趨勢，同時也大大降低了燃料電池系統效率，因為過量的空氣被浪費或過量的氫氣被循環輸送，必然造成輸送空氣或循環氫氣的機械功耗增加，從而降低了燃料電池系統效率。
再次，當運行中燃料電池導流極板空氣流槽或氫氣主流槽堵塞時，會表現出某個別堵塞電池電壓很低甚至出現負值，導致燃料電池運行不穩定，嚴重時會將電極擊穿，並使整個電池堆毀壞。
發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種導流槽不易堵塞、運行穩定的適合常壓或低壓運行的燃料電池氫氣導流極板。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現一種適合常壓或低壓運行的燃料電池氫氣導流極板，該氫氣導流極板為方形板，它包括空氣進氣主流孔、空氣出氣主流孔、氫氣進氣主流孔、氫氣出氣主流孔，冷卻水進口主流孔、冷卻水出口主流孔，各流體進、出主流孔對角設置，其特徵在於，所述的氫氣進、出氣主流孔之間設有多根氫氣主流槽及多根支氫氣流槽，該多根支氫氣流槽由多根氫氣主流槽分支出來，所述的多根氫氣主流槽及多根支氫氣流槽構成的導流場總體呈S形走向分布。
所述的從氫氣進氣主流孔分出的多根氫氣主流槽經過一段流場後又各分出多根波浪狀的支氫氣流槽，該支氫氣流槽經過整個流場後又合併為多根氫氣主流槽，該多根氫氣主流槽經過一段流場後於氫氣出氣主流孔匯集。
所述的各流體主流孔之間、各流體主流孔與氫氣主流槽或支氫氣流槽之間、氫氣導流極板的外圍設有密封槽。
所述的氫氣主流槽與氫氣進、出氣主流孔的連接部設有鈦片橋封，氫氣從鈦片橋封下流過。
所述的氫氣導流極板的對角處各設一定位孔。
所述的氫氣主流槽的槽深×槽寬＝0.1～0.8×0.2～2.0mm，槽的根數為4～20根，所述的支氫氣流槽的槽深×槽寬＝0.1～0.8×0.2～2.0mm，槽的根數為4～20根。
所述的支氫氣流槽呈波浪形，利於氫氣向電極擴散。
與現有技術相比，本發明具有以下優點採用多根氫氣主流槽將氫氣導流極板上的氫氣進氣主流孔與氫氣出氣主流孔連接起來，而每根氫氣主流槽經過一段流場後又各分出多根波浪狀的支氫氣流槽，該支氫氣流槽經過整個流場後又合併為多根氫氣主流槽。氫氣從進口到出口的整個流場上總體流向呈S型，而不是象現有技術中反覆來回彎曲，不但其流動的線路長，而且流動阻力大；每根主流槽又各分出多根支流槽，大大降低了流動阻力；氫氣運行壓力可以大大降低；而氫氣可以由多根主流槽進入氫氣導流場，也可以由多根主流槽出氫氣導流場，不易堵水。
圖1為本發明的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步說明。
實施例1如圖1所示，一種1～100KW燃料電池堆中所採用的適合常壓或低壓氫氣運行的燃料電池氫氣導流極板，尺寸為200×200×1.5mm，該氫氣導流極板為方形板，它包括空氣進氣主流孔1、空氣出氣主流孔2、氫氣進氣主流孔3、氫氣出氣主流孔4，冷卻水進口主流孔5、冷卻水出口主流孔6，各流體進、出主流孔對角設置，所述的氫氣進、出氣主流孔3、4之間設有多根氫氣主流槽7及多根支氫氣流槽8，該多根支氫氣流槽8由多根氫氣主流槽7分支出來，所述的多根氫氣主流槽7及多根支氫氣流槽8總體呈S形走向分布。
所述的從氫氣進氣主流孔3分出的多根氫氣主流槽7經過一段流場後又各分出多根波浪狀的支氫氣流槽8，該支氫氣流槽8經過整個流場後又合併為多根氫氣主流槽7，該多根氫氣主流槽7經過一段流場後於氫氣出氣主流孔4匯集。
所述的各流體主流孔之間、各流體主流孔與氫氣主流槽之間、氫氣導流極板的外圍設有密封槽9。
所述的氫氣主流槽7與氫氣進、出氣主流孔3、4的連接部設有鈦片橋封10，氫氣從鈦片橋封下流過。
所述的氫氣導流極板的對角處各設一定位孔11。
所述的氫氣主流槽的槽深×槽寬＝0.5×1.0mm，槽的根數為5根，所述的每個區域支氫氣流槽的槽深×槽寬＝0.5×1.0mm，槽的根數為13根。
實施例2實施例1中的燃料電池堆中所採用的是一種適合常壓氫氣運行的燃料電池氫氣導流極板，尺寸為200×200×1.5mm，本實施例2是一種適合低壓氫氣運行的燃料電池氫氣導流極板，尺寸為200×200×1.5mm，其他設計均與實施例1中相同，所不同的是氫氣流槽的槽深×槽寬＝0.3×0.8mm，主流槽的根數為4根，支流槽的根數為20根；氫氣從該導流極板進口進入所遇到的流動阻力比實施例1中大，所以氫氣運行壓力大約是0.5個大氣壓(相對壓力)。
實施例3同實施例2的要求，是一種適合中低壓氫氣運行的燃料電池中所採用的氫氣導流極板，槽的深度繼續放淺，為0.2mm，槽的寬度與根數與實施例2一樣，氫氣運行壓力提高到1個大氣壓(相對壓力)。
權利要求
1.一種適合常壓或低壓運行的燃料電池氫氣導流極板，該氫氣導流極板為方形板，它包括空氣進氣主流孔、空氣出氣主流孔、氫氣進氣主流孔、氫氣出氣主流孔，冷卻水進口主流孔、冷卻水出口主流孔，各流體進、出主流孔對角設置，其特徵在於，所述的氫氣進、出氣主流孔之間設有多根氫氣主流槽及多根支氫氣流槽，該多根支氫氣流槽由多根氫氣主流槽分支出來，所述的多根氫氣主流槽及多根支氫氣流槽構成的導流場總體呈S形走向分布。
2.根據權利要求1所述的一種適合常壓或低壓運行的燃料電池氫氣導流極板，其特徵在於，所述的從氫氣進氣主流孔分出的多根氫氣主流槽經過一段流場後又各分出多根波浪狀的支氫氣流槽，該支氫氣流槽經過整個流場後又合併為多根氫氣主流槽，該多根氫氣主流槽經過一段流場後於氫氣出氣主流孔匯集。
3.根據權利要求1所述的一種適合常壓或低壓運行的燃料電池氫氣導流極板，其特徵在於，所述的各流體主流孔之間、各流體主流孔與氫氣主流槽或支氫氣流槽之間、氫氣導流極板的外圍設有密封槽。
4.根據權利要求1所述的一種適合常壓或低壓運行的燃料電池氫氣導流極板，其特徵在於，所述的氫氣主流槽與氫氣進、出氣主流孔的連接部設有鈦片橋封，氫氣從鈦片橋封下流過。
5.根據權利要求1所述的一種適合常壓或低壓運行的燃料電池氫氣導流極板，其特徵在於，所述的氫氣導流極板的對角處各設一定位孔。
6.根據權利要求1所述的一種適合常壓或低壓運行的燃料電池空氣導流極板，其特徵在於，所述的氫氣主流槽的槽深×槽寬＝0.1～0.8×0.2～2.0mm，槽的根數為4～20根，所述的支氫氣流槽的槽深×槽寬＝0.1～0.8×0.2～2.0mm，槽的根數為4～20根。
7.根據權利要求1所述的一種適合常壓或低壓運行的燃料電池空氣導流極板，其特徵在於，所述的支氫氣流槽呈波浪形，利於氫氣向電極擴散。
全文摘要
本發明涉及一種適合常壓或低壓運行的燃料電池氫氣導流極板，該氫氣導流極板為方形板，它包括空氣進氣主流孔、空氣出氣主流孔、氫氣進氣主流孔、氫氣出氣主流孔，冷卻水進口主流孔、冷卻水出口主流孔，各流體進、出主流孔對角設置，所述的氫氣進、出氣主流孔之間設有多根氫氣主流槽及多根支氫氣流槽，該多根支氫氣流槽由多根氫氣主流槽分支出來，所述的多根氫氣主流槽及多根支氫氣流槽構成的導流場總體呈S形走向分布。與現有技術相比，本發明具有導流槽不易堵塞、運行穩定等優點。
文檔編號H01M8/02GK1866590SQ20051002600
公開日2006年11月22日 申請日期2005年5月20日 優先權日2005年5月20日
發明者夏建偉, 胡裡清, 李拯 申請人:上海神力科技有限公司