[发明专利]一种燃料电池极板流场结构及燃料电池极板

说明书

本发明公开了一种燃料电池极板流场结构及燃料电池极板，该流场结构包含：多条间隔分布的流道和流道脊；所述流道内间隔设置有多个用于强制反应介质扩散的凸起；所述流道脊上交替设置有多个用于保持多余水分的持水槽和多个用于持水槽排水的泄水槽；所述泄水槽分别与持水槽和流道连通。本发明所提供的燃料电池极板流场结构及燃料电池极板无需对空气侧和氢气侧加湿燃料电池，也能对膜电极进行增湿；同时可以更加有效地排除电池内部多余的水分，有效地解决燃料电池排水的目的。

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池极板流场结构及燃料电池极板。

背景技术

燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的化学能通过电催化反应直接转化成电能的清洁发电技术，具有高能量转换效率、结构简单、低排放、低噪音等优点。双极板是燃料电池的核心部件之一，占整个电池重量的70％-80％和成本的45％以上。同时，双极板在燃料电池中扮演许多角色，具有燃料分配、串联电池堆内各单体电池、收集电流和支撑膜电极等作用。双极板包括由石墨材料制成的石墨双极板、以及由金属材料诸如不锈钢制成的金属双极板。考虑到可加工性和大规模生产，用金属双极板代替石墨双极板的研究正积极地进行。

在燃料电池中，电极各处均能通过极板的流场设计获得充足的反应剂，及时将进入流场内部电池生成的水排出，保证燃料电池正常运行。如果极板流场结构不合理使得反应剂分布不均，会造成电极各处反应不均，引起电流密度分布不均，导致电池局部过热、积水，降低电池性能，并造成电极发生水淹等不良现象，影响电池寿命。因此，在流场板的设计中，流场结构直接关系到燃料电池性能、寿命及电池堆各单体性能的均一性。

燃料电池极板流场结构的研究重点在于电池内的燃料分配、水管理与热管理方面。Watkin DS等指出，只要流场分布合适，可增加百分之五十以上的输出功率密度。目前，极板流场通用的极板为平行流场、蛇形流场、交指流场以及复合型流场等结构。使用较多的直通型流场优点是流道较短，气体进口压力较小。但他的缺点是直行流道数目较多，与之对应的流道入口截面长度不够，造成燃料或氧化剂进入各平行流道时，需经过二次分配再进入流场，从而造成由于距离远近的不同使得个流道内流体流量分配不均。当燃料电池输出电流密度较高时，由于反应剧烈，导致浓度急剧下降；同时，反应产生的大量水积聚，造成更严重的水淹。蛇形和交指型流场的突出优点是能迅速排出燃料电池生成的水，强制气体介质分配，不易出现水堵塞流道和扩散层的情况。但在大面积极板流场中，该结构易造成压降偏大和电流密度分布不均匀的情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池极板流场结构及燃料电池极板，以达到无需对空气侧和氢气侧加湿燃料电池，也能对膜电极进行增湿；同时，更加有效地排除电池内部多余的水分，有效地解决燃料电池排水的目的。

为达到上述目的，本发明提供了一种燃料电池极板流场结构，其包含：多条间隔分布的流道和流道脊；所述流道内间隔设置有多个用于强制反应介质扩散的凸起；所述流道脊上交替设置有多个用于保持多余水分的持水槽和多个用于持水槽排水的泄水槽；所述泄水槽分别与持水槽和流道连通。

上述的燃料电池极板流场结构，其中，所述凸起设置于流道内靠近泄水槽一侧的位置。

上述的燃料电池极板流场结构，其中，所述凸起与流道平面的夹角θ在60°≥θ＞0°范围内。

上述的燃料电池极板流场结构，其中，所述凸起的高度h₀满足0.8H≥h₀＞0.05H，H为流道深度。

上述的燃料电池极板流场结构，其中，相邻的凸起之间的间隔距离L满足L≥20h₀，h₀为凸起的高度。

上述的燃料电池极板流场结构，其中，所述持水槽的深度h₁满足0.7H≥h₁≥0.05H，H为流道深度。