[实用新型]一种分形微通道双极板

说明书

技术领域

本实用新型涉及燃料电池双极板，特别涉及一种质子交换膜燃料电池用分形微通道双极板。

背景技术

燃料电池是一种可以高效地将燃料和氧化剂通过电极反应直接转化为电能的发电装置。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是以全氟磺酸型质子交换膜为电解质，氢气或甲醇为燃料，空气或氧气为氧化剂的燃料电池。PEMFC的核心是膜MEA和双极板，膜MEA是电化学反应的场所，双极板实现气体均匀分配和收集电流，为了完成气体分配和收集电流这两项任务，双极板通常需具有良好的导电性能、良好的导热性能、抗燃料和氧化剂的穿透性和在电化学环境中的抗腐蚀性能等。流场板多种多样，常见的有多孔体流场和由各种金属网构造的网状流场板，点状、部分蛇型流场板、交指状流场等。

目前在质子交换膜燃料电池PEMFC中广泛应用的双极板主要有石墨(包括纯石墨板和石墨与聚合物复合板)双极板、金属双极板、金属与石墨复合双极板和聚合树脂与石墨掺杂注塑成型的双极板等。传统的流场结构一般为：点状、网状、平行沟槽、蛇形、交指状和肺形分支状等。

流场的功能是引导反应燃料的流动，确保燃料流体能够均匀分配到电极扩散层，使其能够与催化层充分反应。流场的设计首先应当满足流动顺畅，压力降较小和保证气体通过扩散层向催化剂表面的传递均匀，在PEMFC燃料电池中，电极各处均能获得充足的反应剂是保证PEMFC燃料电池正常运行的关键，如果在燃料电池实验中反应组分的分布不均匀，就会造成电极各处反应的不均匀，将会产生一定程度的浓差极化，从而引起电流密度分布不均匀，导致电池局部过热，影响电池的寿命与降低了电池性能。

其次，及时把电池电化学反应生成水排出是非常重要的。如果不能及时把生成水排出，随着反应生成水的逐渐积累，将会导致：(1)催化剂周围的水使得反应剂与催化剂不能进行充分接触，即出现所谓的“电极水淹”现象；(2)水的累计有时也会使得膜局部产生溶涨现象，使膜产生收缩或是弯曲变形，影响电池的输出性能；(3)增大了反应剂通过扩散层到达催化层的传质阻力，降低电池的输出功率。

蛇形流场是目前最广泛应用的一种流场，蛇形流道的优点是从入口到出口是一个连续的通道，与平行沟槽相比其通道相对很长，而且有多次方向变化。反应剂在流场中交错流动，能提高各个单电池之间电堆压力负荷的均匀分布以及反应剂在电极表面上的分配，蛇形流场的缺点除比平行流场压力降大外，由于流道过长和气体沿流动方向的逐渐消耗，反应气的浓度会大幅度减小，靠近出口端的反应由于浓度的减少而反应不充分，造成浓差极化增大和催化剂不能得到充分的应用。为使质子膜燃料电池处于高性能的工作状态，保持膜电极与双极板的接触各点的均匀分布显然是十分重要的，蛇形流场中的气体分布不一致性导致了膜电极的各个反应区域的实际性能不均衡。

实用新型内容

为了解决上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种分形微通道双极板，充分利用分形微通道结构流场的较小压力降和较好的传热传质效果，使反应气均匀分配到电极的各处，液态水顺利排出电池。

本实用新型的目的通过如下技术方案实现：

一种分形微通道双极板流场，包括阴极流场板、阳极流场板、质子交换膜、阴极扩散层、阳极扩散层；所述阴极流场板和阳极流场板结构相同，由上流场板、下流场板、上流场板和下流场板之间的带有分形结构末端通孔的分隔膜组成；上流场板和下流场板分别设有气体进口和气体出口；所述上流场板与下流场板设有分形微通道，所述分形微通道是每一段通道在下一层次都有两个分支；第K+1层次段的长度L_K+1与第K层次段的长度L_K的比值为γ＝2^-1/D，D为长度分形维数；第K+1层次段的水力直径d_K+1与第K层次段的水力直径d_K的比值为δ＝2^-1/Δ，Δ为直径分形维数；双极板为矩形，分形微通道流场结构单个分支形状分叉角度φ＝π，K为分形的层次，K＝1、2、3…20；L₁＝40mm～60mm，d₁＝200um～300um；气体进口和气体出口分别与第一级分形微通道连通；所述的分隔膜上设有通孔，所述通孔与上流场板与下流场板上分形微通道末端连接，气体从上流场板经过通孔后进入下流场板。

所述上流场板的分形微通道深度不超过流场板厚度，所述下流场板的分形微通道为通槽。

所述的分隔膜厚度为0.2～0.5mm，由无机绝缘材料或有机绝缘材料制成。

所述的上流场板与下流场板由具有良好的导电性、导热性和抗腐蚀性能的表面改性金属材料制成。