[发明专利]质子交换膜燃料电池的导流板结构改进

说明书

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，尤其涉及对燃料电池导流板的改进。

众所周知，燃料电池将是21世纪理想的能源转换装置，它是一种将燃料的化学能直接转换成电能的电化学发电装置，燃料电池除了在发电时无污染、无噪音、无腐蚀、制作容易外，尤其具有发电效率高，使用寿命长等突出优点，因此在航天、交通工具、移动电源等各领域具有广泛的应用前景，质子交换膜燃料电池包括由质子交换膜(8)，催化层(7，7a)，扩散层(6，6a)组成的膜电极(9)，膜电极(9)两侧的导流板(10，10a)导流板(10，10a)在燃料电池中主要起导气，导电和导水的作用，现有导流板(10，10a)的结构见图1，在导流板上有气体入口(1)，气体出口(2)和导流槽(5)，导流槽(5)是由导流槽底(3)及其两侧的导流槽壁(4)所组成，气体在平面流场内处于层流状态，见图(2)，气体的主流沿着平底导流槽在X轴和Y轴的平面中曲折流动，基本上是属于XY二维空间层流状态稳定流动，除了在X-Y轴之间变化中有一定的紊流，涡流区，从图3中能看出，气流的流速V是由导流槽的中心向边缘逐渐减小，由于和槽壁的摩擦力逐渐增大，在槽壁上不可避免地形成一层附着在壁面上的附面层，附面层的厚度随着气体流速的增加而相应增加，由于附面层的屏敝作用，导流槽内气体不能直接与扩散层(6)，催化层(7)接触，气体只能透过附面层扩散到扩散层和催化层反应区，这样就降低了反应速度，同时反应区生成的水也不能及时的扩散和排放出来，尤其是使用空气的氧气作为氧化剂时，由附面层至扩散层，催化层区域就形成一个逐渐明显的“贫氧区”，产生一种“氮气屏障”效应，会明显地影响质子交换膜燃料电池的单位面积发电功率和发电效率。

本发明的目的是为提高质子交换膜燃料电池的单位面积发电功率和发电效率，而对导流板结构进行改进。

本发明的内容见图4，质子交换膜燃料电池的导流板(10)由气体入口(1)，气体出口(2)，导流槽(5)所组成，导流槽(5)由导流槽底(3)和导流槽壁(4)所组成，其特征在于导流槽底(3)和导流槽壁(4)形状多种变化而导致导流槽(5)的截面形成扩散和收敛的通道；导流槽底(3)和导流槽壁(4)的多种形状包括沙丘形状，波纹形状，锯齿形状引起导流槽(5)截面变化的多种结构；制作导流板(10)的材料是导电性金属和非金属材料；金属材料包括：镍板，钛板，不锈钢板；非金属材料包括：碳板，导电性的高分子材料；根据气体流量，流速和压力的要求来确定扩散区和收敛区的形状和长度，导流槽(5)呈由槽底起伏形状的导流槽底(3)及其两侧的槽壁(4)所组成，槽壁的形状既可以是平直的也可以是波形的，制作导流槽底(3)呈起伏形状时以导流槽的深度为H，起伏形状是由槽深度和每个扩散区(E)收敛区(F)的长度所决定的，每个扩散区(E)，收敛区(F)的长度(L)在4H～20H之间，从图4可以到，气体在槽底为起伏形状中流动时气流在Z轴上是在一个一个个不断扩散→收敛的变截面通道中通过，气流速度随着截面的变化而形成增速到减速，减速到增速的周期变化过程，因而形成了一个相应的周期性压力变化。由增压至减压的流场，而气流也由XY二维空间层流状态变为X-Y-Z三维空间紊流状态，局部区域还能出现较强的涡流。由于紊流流场的出现，破坏了附面层形成的条件，消除了附面层，也就消除了在导流槽内形成的隔离状态。由于导气通道的压力变化，在扩散层(6)碳纸表面上即形成了X轴方向高压→低压周期变化的相连接的区域，在高压区气体不断地流入，而在低压区则又被流动的低压气体吸出，并同时可带出扩散层(6)碳纸上附着的反应区内的水份，这对调节燃料电池的工作条件是极为有利的。在设计导流板上导流槽时槽底面积中收敛部分的面积一般情况不小于原底面积的60％∽70％，余下扩散部分的面积不大于原底面积的40％-30％；以导流槽的深度为H，一般情况下每个扩散、收敛区的长度(L)不小于4倍的H，不大于20倍的H；扩散→收敛波的宽度与槽宽一致，。由于三维空间紊流状态使导流槽阻力增加，因此要减少导流槽的总长度，增加导流槽的数量，例如使气体在2槽至4槽中并行，使导流板中气流的总压力，总流量基本维持不变，由于对导流槽底的改进使原来的平面槽底变成了起伏沙丘形状，使气体在导流槽中由原来的X-Y二维空间层流状态变为X-Y-Z三维空间紊流状态，使原来平均压力场变为脉动式压力场，消除了附面层使气流直接进入扩散层，也能及时将低压区的水和气吸附出来。

本发明所达到的效果是使质子交换膜燃料电池提高单位面积发电功率15％和提高发电功效率10％。