[发明专利]一种支持高电流密度放电的燃料电池电堆流场板

说明书

本发明涉及一种支持高电流密度放电的燃料电池电堆流场板，包括背面相对连接的阴极流场板和阳极流场板，阴极流场板和阳极流场板的正面分别加工有呈水波纹式的空气流场通道和氢气流场通道，在阴极流场板和阳极流场板的背面之间加工有冷却水流场通道，阴极流场板和阳极流场板上均具有连通的一对共用空气通道、一对共用氢气通道和一对共用水通道，并分别形成连接空气流场通道、氢气流场通道、冷却水流场通道的进出口端的空气进/出口、氢气进/出口和冷却水进/出口。与现有技术相比，本发明的流场板采用更优化的流道设计、更佳的材料配方、更优的装配方式，达到大电流放电、温度均匀化、支持低温快速启动和加载、对负载的变化快速响应的目的。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种支持高电流密度放电的燃料电池电堆流场板。

背景技术

在我国大气污染严重、石油价格高企的背景之下，发展新能源汽车以被从中央到地方各级政府提上重要的议事日程。与目前已开启商业化进程的利用锂离子电池的纯电动汽车不同的是，燃料电池汽车具有燃料补充快、能量密度高、续航时间长的突出争优点。车用燃料电池一般采用质子交换膜燃料电池(PEMFC)为主，其以空气或纯氧作为氧化剂，以纯氢气或甲烷等烃类燃料电池的富氢重整气作为燃料。由于氢的来源广泛，在燃料电池这一电化学转换装置中的能量转换效率高，产物仅为水，清洁无污染等特点，日益受到政府和整车厂的青睐。

燃料电池工作时，需要利用流场板来导入并平均分配气态的反应物质，即燃料和氧化剂；为了排出废热，还需要导入冷却介质将交之平均分配至极板的背面。总的说来，作为燃料电池的重要组成部件，流场板的功能主要包括：

(一)收集反应产生的电流并将其沿电堆的串联方向进行传递；

(二)分隔燃料和氧化剂，并使其分别在每个单电池的负极和正极催化剂表面均匀分配；

(三)排出生成产物水，否则反应界面一旦被淹，则电池的性能和寿命都会受到极大的影响；

(四)引入冷却介质，确保电堆的温度稳定，并分布均匀；

(五)分隔燃料电池中的各节单电池，并支撑组相对柔软的电解质膜和由负载在微米级载体上的纳米活性催化剂。

在车用环境下，尤其是在乘用车上，考虑到空间的局限性，正常工作时能否以较大功率密度(如1W/cm²以上)发电是考察电堆性能优劣的首要指标。此外，作为车载动力源，车用环境下的快速启动、快速加载和动态变化的工况以及低温启动等特性对燃料电池电堆提出了严峻的要求。为此，在流场板的优化设计和加工上，需要攻克以下几个方面的问题：

(1)提高单电池的有效使用面积，提升单位面积的放电功率密度；

(2)满足大功率密度下工作的燃料与氧化剂供应，使电堆能在长期稳定地工作；

(3)满足大功率密度下电堆散热的需求，改善电堆单节电池间和单节电池局部区域间温度分布的不一致性，使其在车载变工况下长期稳定地工作；

(4)提升流场板加工的一致性和电堆组装时流场板定位的精确性，使电堆中各节单电池电压能在在大电流密度下仍然保持一致、均匀；

(5)低温冷启动时，通过高效、一致的流场板的稳定工作，利用大电流密度(如2-3A/cm²)、低电压(如0.1V)下放电时的大量废热使无外辅助加热条件下的低温冷启动成为可能；

(6)通过对流场板表面改性和结构优化，使大电流密度工作条件下产生的水能快速地被排除到堆外。比如，亲水的表面处理，可大大地提高液态水从催化剂和气体扩散层向金属板的迁移速度和效率。

此外，流场板占据了其超过60％的重量，以及整个电堆30％以上的成本。因此，通过良好的设计和低廉的加工工艺，达到降低流场板成本的目的，对于燃料电池汽车的商业化推广和应用也具有深远的意义。