[发明专利]一种质子交换膜燃料电池用气体流场

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池，具体说是一种质子交换膜燃料电池用气体流场。

背景技术

燃料电池是一种按电化学方式直接将化学能转化为电能的发电装置。它不经过热机过程，因此不受卡诺循环的限制，能量转化效率高，环境友好。由于以上这些突出的优点，近些年来燃料电池技术的研究和开发倍受各国政府和大公司的重视，被认为是21世纪首选的洁净高效的发电方式。

质子交换膜型燃料电池(PEMFC)以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，铂/碳或铂-钌/碳为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板。电池运行时，阳极的氢气在催化剂的作用下发生电极反应：H₂→2H⁺+2e^-

该电极反应产生的电子经外电路到达阴极，氢离子则经质子交换膜到达阴极。氧气与氢离子及电子在阴极发生反应声成水。

1/20₂+2H⁺+2e^-→H₂O

PEMFC的关键组件包括膜电极组件和双极板等。双极板上的流场起着气体分配的作用。流场可以是与极板加工为一体的，也可以是与极板分开的。流场的功能是引导反应气流动方向，确保反应气均匀分配到电极的各处，经电极扩散层到达催化层参与电化学反应。在设计流场的时候，应当保证电极各处都能获得充足的反应剂，如果某处反应剂不足将导致该处电化学反应速度减慢甚至使反应不能进行。反应气体通过流场的压力降要适中。至今已经开发有点状，网状，多孔体，平行沟槽，蛇形和交指状流场。

网状流场的流体分布的比较均匀，而且有利于反应气传质，减少浓差极化，但是阻力降较高。

平行沟槽流场是由直通道平行排列而成。此型流场的加工容易，结构简单，阻力小，设计灵活。然而试验表明，反应气体在此型流场流道中分布的不是很均匀，流量的分布与气体出入口位置，流道的尺寸等不同而有差异。

蛇形流场的优点是气体流量分布均匀，但是气体所经过的长度较长，流阻较大，所需用于推动气体流动的耗能较大。流道太长也可能导致流道下游方向气体的浓度不够，浓差极化增大。同时蛇形流场设计时灵活度也相对较小。

至今，PEMFC广泛采用的流场以平行沟槽流场和蛇形流场为主。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单有效的方法来改造平行沟槽流场，保留其结构简单阻力小的优点，并减小其反应气体分布不均的缺点。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

以平行沟槽流道为流场主体，在气体反应剂进出口段配上一段网状流场：气体的入口处连接有一段网状流场，其后连接一段平行沟槽流道，出口处再连接一段网状流场。

一种质子交换膜燃料电池用气体流场，在气体流场的出口和入口处各设有一段网状流场，中间为平行沟槽流场，网状流场与中间平行沟槽流场相连。

所述入口和出口处网状流场的面积总和为气体流场总面积的5％-15％；入口和出口处网状流场的面积最好相等。

本发明设置网状流场的优点在于：当反应气流过此型流场时，易形成局部湍流有利于扩散层的传质，气体能够在整个电极表面分布均匀。气体出入口段加入网状流场可以减轻因气体出入口位置等因素造成的流量分布不均，具有阻力小，气体分配均匀的特点；同时气体在网状流场内部的局部湍流形成剪切力，提高了夹带液态水的能力，降低了电池在出口一侧的水淹问题。同时网状流场和平行沟槽流场也都有结构简单，易于加工的优点。

附图说明

图1为本发明的流场结构示意图。

图2为采用本发明所述流场电池组和采用普通平行沟槽流场电池组在500mA/cm²下运行10分钟的性能比较。

图3为采用本发明流场的质子交换膜燃料电池与采用普通平行沟槽流场的电池性能示意图。

具体实施方式

为更好的理解本发明的技术方案，以下结合附图进一步描述。

如图1所示的流场，其中1，3部分为入口处网状流场、出口处网状流场，网状流场的材料可以是金属网或其他多孔材料，2为平行沟槽流场，可以采用石墨或其他金属材料加工而成。网状流场和平行沟槽流场的高度一致。入口和出口处的网状流场的面积根据与普通平行沟槽流场的阻力降比较而确定，一般不超过普通平行沟槽流场阻力降的25％，入口和出口处网状流场的面积总和大概约为流场总面积的5％-15％，中间为作为流场主体的平行沟槽流场。

利用实验测试了流场对电池性能的影响。实验中，一例为采用本发明所述流场的电池，另一例为采用普通平行沟槽石墨流场的电池。采用本发明所述流场的电池在500mA/cm²下运行，电池单节最高电压达到0.714V，采用普通平行沟槽石墨流场的电池在500mA/cm²下运行，单节最高电压为0.686V，两例电池在500mA/cm²条件下运行10分钟的性能如图二所示。两例电池在相同操作条件下的伏安曲线如图三所示。从图三可以看出，采用本发明所述流场的电池性能与普通平行沟槽石墨流场电池相比，性能上有了一定的改善，尤其是在高电流密度条件下，性能提高得更为明显。