[发明专利]燃料电池用流场板

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池的流场板，具体是涉及一种用于质子交换膜燃料电池及电堆的流场结构。

背景技术

燃料电池主要由阳极流场板、阴极流场板以及夹在它们之间的膜电极组成。膜电极主要由阳极扩散层、阴极扩散层以及夹在它们之间的质子交换膜组成，并且阳极扩散层、阴极扩散层与质子交换膜之间分别有阳极催化剂层和阴极催化剂层。反应物流经流场板，再通过扩散层扩散进入催化剂层，在此发生电化学反应产生电流。多片燃料电池装配在一起，可以组成燃料电池组或电堆，产生更大的电功率，为负载提供更多的电能。

燃料电池的流场板中包含多条流道，组成流场(阳极流场或阴极流场)，为反应物向催化剂层扩散提供支持。

通常，燃料电池的流场板包括一个反应物进口、一个反应物出口，反应物通过外部通道由反应物进口进入流场，流经整个流场后从反应物出口流出。

流场设计是燃料电池设计中非常关键的一步，直接影响到反应物的扩散分布情况以及废料的排出问题，并极大的影响电池效率。通常在流场设计中，需满足以下几项条件：均匀的流体速度分布、均匀的浓度分布、适宜的流体线速度大小、适宜的压降、较小的流体扰动、易于排出废水及废气等，并且需要保证一定的与膜电极的接触面积，以保持足够的支撑作用以及减小电池的接触电阻。先前技术中，常用的流场设计有平行流场、蛇形流场、交指流场等。

平行流场是一组均匀的直形通道。其流场压降较低，但一般很难实现流体的均匀分布，且由于流体线速度较低，在通道中形成的任何水滴都将阻塞通道，无法将水及时排出，造成燃料电池电压较低且不稳定。

蛇形流场包括蛇形单通道流场、蛇形多通道流场、混合蛇形多通道流场等。其优点在于流体线速度较高，有利于推动通道中的凝结水的排出。对于蛇形单通道流场来说，总压降较大，不适用于流场面积较大的情况，而蛇形多通道流场，由于流程较长，相邻两个通道间的压差可能造成通道明显旁路，且反应物由于发生电化学反应，其浓度会沿通道降低，造成电池不同位置发电效率的不稳定。而混合蛇形流道，虽然可以允许反应物在每个转向处混合，但由于转向处流体阻力较小，通道较窄，流速较快，很难进行充分混合，也很难保证流体混合并转向后均匀流入下一流段。

交指形流场的通道都是不连续的，即没有进口流道与出口流道相连接，反应物被迫从扩散层由进口流道扩散到出口流道。此流场有助于扩散层排水，提高电池效率，但其压降会更大。

美国专利US9184452公开了一种基于混合蛇形流道流场的设计，其在混合转向区设置一印花特征部分或者放置一种多孔材料以供液体充分混合，减小了相邻两个通道间的压差造成通道明显旁路的可能，提高了流体分布的均匀性。但此印花部分由于分布无规律且较紧密，使此部分压降过大，而且加工比较复杂，成本较高。另外，其在转向区前后部分均设置印花，导致流体转向后分流到几条流道中时，流体未经充分发展，湍流程度较大，会在一定程度上影响后面流道的流量分布。流体转向后，由于电化学反应流体流量和反应物浓度会有一定的下降，对冷凝水的排出和电池效率有一定的影响。

通过以上分析可知，几种现有技术分别有一定的优势和劣势，但通常是在牺牲了一种或几种技术要求的前提下，满足另一种技术设计要求的，这样就限制了其只能在特定条件或环境下进行应用。因此，有必要开发设计一种既能保证流体流速和浓度均匀分布，流场压降不至于过大，又能保证较高的流体线速度将废水废气带出且流体本身不会过度湍流的新的流场结构。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种既能保证流体流速和浓度均匀分布，流场压降不至于过大，又能保证较高的流体线速度将废水废气带出且流体本身不会过度湍流的燃料电池用流场板，提高了电池的效率及其稳定性。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种燃料电池用流场板，包括反应流场、反应物进口和反应物出口，所述反应流场设于所述流场板的正面中部，所述反应流场包括排布成蛇形的多组反应流道，每组反应流道包括多条平行排布的反应流道，相邻两条反应流道之间通过板脊隔开，相邻两组反应流道的转向处形成流体转向区；在所述流体转向区内，前组反应流道的各板脊被纵向切割，形成了由若干块状凸起及其周边相互连通的反应流道组成的反应流道混合区；后组反应流道未被切割，且后组反应流道的各反应流道末端被打通，形成一贯通其内各反应流道的汇合流道；所述反应物进口与第一组反应流道连通，所述反应物出口与最后一组反应流道连通，且第一组反应流道的条数≥2，最后一组反应流道的条数≥1。