一種質子交換膜燃料電池用氣體流場的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及燃料電池技術領域，尤其涉及一種質子交換膜燃料電池用氣體流場。
【背景技術】
[0002]燃料電池是一種通過化學反應將燃料和氧化劑的化學能直接轉化為電能的裝置，具有室溫下啟動快、能量轉換效率高、對環境污染小、噪音低等突出優點，在交通、發電、軍事、航空航天等領域有著廣闊的應用前景。
[0003]質子交換膜燃料電池(ProtonExchange Membrane Fuel Cell，簡稱 PEMFC)以全氟磺酸型固體聚合物為電解質，鉑/碳或鉑-釕/碳為電催化劑，氫或凈化重整氣為燃料，空氣或純氧為氧化劑，帶有氣體流動通道的石墨板或表面改性的金屬板為雙極板。
[0004]流場是在雙極板上加工的各種形狀的溝槽，為反應劑及生成產物提供進出通道，是燃料電池設計的關鍵因素。因此，設計合理的流場既可以均勻分配電池所需燃料和氧化劑，保證電流密度均勻分配，還可以將電池生成的水及尾氣順利排出，同時還可以降低雙極板質量、厚度及數量，提高PEMFC電堆的質量比功率和重量比功率，提高PEMFC電池堆性能。
[0005]現有技術中的流場形狀主要有平行溝槽、網狀、蛇形等。網狀流場結構簡單，氣體分布均勻，但阻力降較大，同時若采用金屬材質則存在較大的腐蝕問題；平行溝槽流場是目前使用最多的氣體流場，結構簡單，容易加工，且阻力降小，但氣體分配存在問題，特別是在高電流密度下，氣體分配嚴重不均，影響電池反應過程中的氣體傳質和生成水的排除；蛇形流場由于流場較長，存在反應氣阻力較大的問題。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種質子交換膜燃料電池用氣體流場，其結構簡單，且氣體分配均勻，排水能力較好，氣體壓力損失小。
[0007]為達此目的，本發明采用以下技術方案:
[0008]一種質子交換膜燃料電池用氣體流場，包括反應氣入口、平行溝槽流場段和反應氣出口，反應氣入口和平行溝槽流場段之間設置有第一分配流場段，反應氣出口與平行溝槽流場段之間設置有第二分配流場段，第一分配流場段、第二分配流場段均由平行的流線型溝槽組成，第一分配流場段、第二分配流場段與平行溝槽流場段之間的拐角均為流線型。
[0009]其中，流線型溝槽的寬度為0.7?1.5mm。
[0010]其中，第一分配流場段、第二分配流場段關于平行溝槽流場段呈中心對稱。
[0011]其中，第一分配流場段、第二分配流場段的面積總和為氣體流場總面積的5%?12%。
[0012]其中，平行溝槽流場段由平行的直型溝槽組成，直型溝槽的寬度為0.7?1.5_。
[0013]其中，氣體流場的材料為純石墨材料、膨脹石墨材料或導電金屬材料。
[0014]其中，氣體流場的加工方式為雕刻加工、沖壓或模壓加工。
[0015]本發明的有益效果:一種質子交換膜燃料電池用氣體流場，包括反應氣入口、平行溝槽流場段和反應氣出口，反應氣入口和平行溝槽流場段之間設置有第一分配流場段，反應氣出口與平行溝槽流場段之間設置有第二分配流場段，第一分配流場段、第二分配流場段均由平行的流線型溝槽組成，第一分配流場段、第二分配流場段與平行溝槽流場段之間的拐角均為流線型。第一分配流場段、第二分配流場段均由平行的流線型溝槽組成，第一分配流場段、第二分配流場段與平行溝槽流場段之間的拐角均為流線型，使得氣體分配均勻，不易形成湍流，壓力損失較小，有利于水和尾氣的排出，本發明的質子交換膜燃料電池用氣體流場不僅結構簡單，而且氣體分配均勻，排水能力較好，氣體壓力損失小。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明的質子交換膜燃料電池用氣體流場的結構示意圖。
[0017]圖2是圖1中A處的局部放大圖。
[0018]圖3是本發明的質子交換膜燃料電池用氣體流場組裝的電池與普通的平行溝槽氣體流場組裝的電池的極化曲線對比圖。
[0019]附圖標記如下:
[0020]1-反應氣入口 ；2_平行溝槽流場段；3_反應氣出口 ；4_第一分配流場段；5-第二分配流場段
【具體實施方式】
[0021]下面結合圖1至圖3并通過具體實施例來進一步說明本發明的技術方案。
[0022]一種質子交換膜燃料電池用氣體流場，包括反應氣入口 1、平行溝槽流場段2和反應氣出口 3，反應氣入口 I和平行溝槽流場段2之間設置有第一分配流場段4，反應氣出口3與平行溝槽流場段2之間設置有第二分配流場段5，第一分配流場段4、第二分配流場段5均由平行的流線型溝槽組成，第一分配流場段4、第二分配流場段5與平行溝槽流場段2之間的拐角均為流線型，如圖1和圖2所示。第一分配流場段4、第二分配流場段5均由平行的流線型溝槽組成，第一分配流場段4、第二分配流場段5與平行溝槽流場段2之間的拐角均為流線型，使得氣體分配均勻，不易形成湍流，壓力損失較小，有利于水和尾氣的排出，本發明的質子交換膜燃料電池用氣體流場不僅結構簡單，而且氣體分配均勻，排水能力較好，氣體壓力損失小。
[0023]本發明中，第一分配流場段4、第二分配流場段5關于平行溝槽流場段2呈中心對稱，且第一分配流場段4、第二分配流場段5的面積總和為氣體流場總面積的5%?12%，流線型溝槽的寬度為0.7?1.5_，平行溝槽流場段2由平行的直型溝槽組成，直型溝槽的寬度為0.7?1.5mm。
[0024]本實施例中，第一分配流場段4、第二分配流場段5的面積總和占氣體流場總面積的百分比:氫側為11%，空側為6%;流線型溝槽的寬度:氫側為0.8_，空側為1.0mm ;直型溝槽的寬度:氫側為0.8_，空側為1.0mm,即流線型溝槽的寬度與直型溝槽的寬度相等。在其他實施例中，第一分配流場段4、第二分配流場段5的面積總和占氣體流場總面積的百分比可以選擇5%至12%中的任一數值；流線型溝槽的寬度可以選擇0.7mm至1.5mm中的任一數值；直型溝槽的寬度可以選擇0.7mm至1.5mm中的任一數值。
[0025]本實施例中，從第一分配流場段4、第二分配流場段5到平行溝槽流場段2的過渡:氫側采用“一分四”結構，空側采用“一分三”結構，在其他實施例中，也可根據需要選擇其他結構。
[0026]本實施例中，氣體流場的材料為純石墨材料，氣體流場的加工方式為雕刻加工，在其他實施例中，氣體流場的材料也可以根據需要選擇膨脹石墨材料或導電金屬材料，氣體流場的加工方式也可以根據需要選擇沖壓或模壓加工。
[0027]采用本發明的質子交換膜燃料電池用氣體流場組裝一臺20節燃料電池堆，經測試，電堆性能良好，當電流密度大于900mA/cm2時，性能明顯高于普通的平行溝槽氣體流場電堆的性能，如圖2所示。這說明采用本發明的質子交換膜燃料電池用氣體流場的電堆性能明顯好于普通的平行溝槽氣體流場電堆，尤其是在高電密條件下，電堆性能提升尤為明顯O
[0028]與現有技術相比，本發明的優點在于:
[0029]a.流線型溝槽的寬度與直型溝槽的寬度且阻力相當，反應氣體流進反應氣入口 I后可以均勻地分布到電極表面，即使是在高電密下，氣體的分布也較為均勻；
[0030]b.反應氣體經過第一分配流場段4時，反應氣體在第一分配流場段4不易形成湍流，壓力損失較小；
[0031]c.反應氣體由第一分配流場段4進入中間的平行溝槽流場段2時，經過流線型的拐角而非垂直的拐角，這樣使得氣體的壓力損失較小；
[0032]d.反應氣體由中間的平行溝槽流場段2進入第二分配流場段5時，經過流線型的拐角而非垂直的拐角，這樣一方面減小了氣體壓力損失，另一方面有利于水和尾氣的排出，有效地解決了電池出口被水淹的問題，提高了電池運行的穩定性；
[0033]e.提高燃料電池輸出性能，特別是高電密下電池的輸出性能，提高了電池的體積比功率和質量比功率；
[0034]f.適用范圍廣，可以同時兼顧燃料、氧化劑和冷卻液流場，并且特別適用于車用燃料電池的大面積雙極板；
[0035]g.結構簡單，降低了工藝復雜性及電池制造成本。
[0036]以上內容僅為本發明的較佳實施例，對于本領域的普通技術人員，依據本發明的思想，在【具體實施方式】及應用范圍上均會有改變之處，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
【主權項】
1.一種質子交換膜燃料電池用氣體流場，包括反應氣入口(I)、平行溝槽流場段(2)和反應氣出口(3)，其特征在于，所述反應氣入口(I)和所述平行溝槽流場段(2)之間設置有第一分配流場段(4)，所述反應氣出口(3)與所述平行溝槽流場段(2)之間設置有第二分配流場段(5)，所述第一分配流場段(4)、所述第二分配流場段(5)均由平行的流線型溝槽組成，所述第一分配流場段(4)、所述第二分配流場段(5)與所述平行溝槽流場段(2)之間的拐角均為流線型。
2.根據權利要求1所述的質子交換膜燃料電池用氣體流場，其特征在于，所述流線型溝槽的寬度為0.7?1.5_。
3.根據權利要求1所述的質子交換膜燃料電池用氣體流場，其特征在于，所述第一分配流場段(4)、所述第二分配流場段(5)關于所述平行溝槽流場段(2)呈中心對稱。
4.根據權利要求1所述的質子交換膜燃料電池用氣體流場，其特征在于，所述第一分配流場段(4)、所述第二分配流場段(5)的面積總和為氣體流場總面積的5%?12%。
5.根據權利要求1所述的質子交換膜燃料電池用氣體流場，其特征在于，所述平行溝槽流場段(2)由平行的直型溝槽組成，所述直型溝槽的寬度為0.7?1.5_。
6.根據權利要求1所述的質子交換膜燃料電池用氣體流場，其特征在于，所述氣體流場的材料為純石墨材料、膨脹石墨材料或導電金屬材料。
7.根據權利要求1所述的質子交換膜燃料電池用氣體流場，其特征在于，所述氣體流場的加工方式為雕刻加工、沖壓或模壓加工。
【專利摘要】本發明公開了一種質子交換膜燃料電池用氣體流場；其包括反應氣入口、平行溝槽流場段和反應氣出口，反應氣入口和平行溝槽流場段之間設置有第一分配流場段，反應氣出口與平行溝槽流場段之間設置有第二分配流場段，第一分配流場段、第二分配流場段均由平行的流線型溝槽組成，第一分配流場段、第二分配流場段與平行溝槽流場段之間的拐角均為流線型；第一分配流場段、第二分配流場段均由平行的流線型溝槽組成，且與平行溝槽流場段之間的拐角均為流線型，使得氣體分配均勻，不易形成湍流，壓力損失較小，有利于水和尾氣的排出，本發明的質子交換膜燃料電池用氣體流場不僅結構簡單，而且氣體分配均勻，排水能力較好，氣體壓力損失小。
【IPC分類】H01M8-02
【公開號】CN104868142
【申請號】CN201510274914
【發明人】顧榮鑫, 楊鳳銀, 張超, 章嵩松, 陶少龍, 靳宏建
【申請人】昆山弗爾賽能源有限公司
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年5月26日