[发明专利]流道深度逐级递减的燃料电池流场结构

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体地说是一种流道深度逐级递减的燃料电池流场结构。

背景技术

燃料电池是一种可以将储存在燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的电化学装置。它不经过热机过程，不受卡诺循环的限制，能量转化效率高（40～60％）；对环境友好，几乎不排放氮化物和硫化物；二氧化碳的排放量低，比发电厂减少40％以上。除此之外，其还具有噪声低，启动快，无腐蚀，制备容易和使用寿命长的优点。由于具有这些突出的优点，世界各国政府和大型企业投入了大量的人力和物力来研究和开发燃料电池技术。

质子交换膜燃料电池是属于低温燃料电池，工作温度一般在40～80℃，工作原理是：氢气和氧气通过双极板上的导气通道分别到达电池的阳极和阴极，反应气体通过电极上的扩散层到达质子交换膜，在膜的阳极一侧，氢气在阳极催化剂的作用下解离为氢离子（质子）和带负电的电子，氢离子以水合质子H⁺（xH₂O）的形式，在质子交换膜中转移，最后到达阴极，实现质子导电。质子的这种转移导致阳极出现带负电的电子积累，从而变成一个带负电的端子（负极）。与此同时，阴极的氧分子与催化剂激发产生的电子发生反应，变成氧离子，使得阴极变成带正电的端子（正极），其结果就是在阳极的带负电终端和阴极的带正电终端之间产生了一个电压。如果此时通过外部电路将两极相连，电子就会通过回路从阳极流向阴极，从而产生电能。同时，氢离子和阳离子发生反应生成水。电极反应为：

阳极（负极）：H₂→2H⁺+2e^-

阴极（正极）：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O

电池反应：   H₂+1/2O₂→H₂O

燃料电池由多个质子交换膜燃料电池电池单体所组成，而质子交换膜燃料电池的核心是膜电极和双极板。双极板提供气体分配和收集电流的凹凸部分，凹下部分即为流场，流场为双极板的主要组成部分。流场主要分为以下几种类型：点状、网状、多孔体、平行、蛇形、交指型和新型流场。点状流场结构简单，特别适用于纯氢、纯氧，汽态排水的燃料电池。对主要以液态水排出的质子交换膜燃料电池，由于反应气流经这种流场难以达到很高线速度，不利于排出液态水。网状流场是一种放弃流道的做法，由于这种流道中的流体流速比较低，所以排水能力较差，但是保湿能力相对较强，流体流动均匀性一般不够理想，在进出口连线区域的流动快，而在角落上可能有滞留，出现浓差极化或水淹等问题。多孔体流道的突出优点是它对电极扩散层强度要求低，而且当反应气通过这种流场时，易形成局部湍流而有利于扩散层的传质，减小浓差极化。平行流场具有流动阻力小的优点，这在一定程度上能够降低压力损失，提高电池的整体效率，然而各流道中气体的流动和反应情况的微小差别会对电池的整体性能造成扰动，容易出现性能不稳定的情况。蛇形流场是较早提出的一种流道形式，它的突出优点是能迅速排除生成的液态水，不易出现阻塞流道的情况，然而对于面积比较大的流场板，蛇形流道会因流道过长造成反应气压降较大而造成排水不畅和电流密度分布不均匀。交指型流场的设计能使反应物比较充分地通过流道，并且具有良好的排水能力，但是，同时由于扩散层的阻力较大，会使流场的压力降增大，而且容易发生短路或者沟流的情况。中国专利公开号CN1622377A公开了一种名称为“一种质子交换膜燃料电池流场结构”的发明专利，它就是一种网状流场结构的交换膜燃料电池，中国专利公开号CN2893939Y公开了一种名称为“一种质子交换膜燃料电池流场结构”的实用新型专利，其实质是一种蛇形流场。

发明内容

为了解决上述中蛇形流场的缺点，即容易由于气压降较大而造成排水不畅发生水淹现象。提供流道深度逐级递减的燃料电池流场结构。

本发明汲取了蛇形流场的优点，消除其缺点，用不同的流道深度良好地调节了气体流动速度和压降，保证电池内部电化学反应良好的进行。在流道进气孔端，反应物充足，生成水较少，气体流速较快，此处流道深度最大，沿着气体流道方向，随着反应的进行，反应物的逐渐损耗，气体压强降低，电化学反应生成水含量增大，流速降低，此时，深度递减的流场保证气体在流场的下游，尤其是末端具有一定压力和流速，从而有效地防止了水淹现象。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：