[发明专利]一种质子交换膜燃料电池双极板立体化流场

说明书

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术的应用领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池高效排水的立体化流场。立体化流场位于膜电极与隔板之间形成密封结构，其中，流道端面为一个或多个齿形，每个齿的两侧均开有流体孔。本发明立体化流场实现不借助氢气循环泵等外部设备而有效水管理的目的，从而大幅度降低脉冲排放量，相对于传统二维流场可以有效提高气体利用率。本发明适用质子交换膜燃料电池阴阳极流场，尤其适用于阳极侧流场，对于简化电池系统及提高气体利用率具有非常重要的意义。

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术的应用领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池高效排水的立体化流场。

背景技术

燃料电池是一种能将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。在诸多发展出来的燃料电池种类中，质子交换膜燃料电池是一种高效、对环境友好、无燃烧反应的装置，以氢气或富氢气体作为燃料，空气或氧气作为氧化剂，因此被认为最具应用前景的首选能源。

PEMFC主要构成核心部件除了膜电极以外，双极板同样是PEMFC重要核心部件，是构成PEMFC电池体积和重量的主要部分，它具有独特的阻气、收集电流、分配气体重要作用。因此，双极板研究开发成为产业界和研究者所关注的焦点领域之一，而流场的功能是引导反应气流方向，其结构设计决定双极板反应剂与生成物在流场内的流动状态，确保反应气体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。综上，设计一种高分配均匀的流场结构显得尤为重要，流场机构对PEMFC有很大的影响。

现已开发的PEMFC流场形式主要包括以下几种：(1)点状流场：其结构简单，适用于以储氢、纯氧，气态排水的燃料电池。对主要以液态水排出的PEMFC，由于反应气流经这种流场难以达到很高的性速度，不利于排出液态水，因此很少采用；(2)平行流场：因其较小的压降和较多分支流道会使整个流场中的反应气体流动很不均匀，引起部分区域水的堆积，影响电池的输出功率，降低电流密度；(3)蛇形流场：其突出的优点是排水功能，但对于面积较大的双极板，因压降较大，使得气体、电流密度分布不均匀，影响电池输出效果；同时对于平行流场与蛇形流场，均需要保持一定的气体过量系数，才能保证燃料电池生成水的正常排出，尤其是对于氢氧燃料电池，为了实现排水功能，通常需要在燃料电池系统上设置喷射器或回流泵等部件，但这必然增加系统的复杂性和成本，同样不利于简化系统。(4)交指形流场又称不连续流场，强迫反应气流经电极的扩散层强化扩散层的传质能力，同时将扩散层内水及时排出，在很大程度上提高了电池功率密度。经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开号为CN105244517A的发明专利，提出一种主动排水质子交换膜燃料电池双极板的流场，流场形式为矩形，第一进气流道与第二进气流道为交指型结构，分布于两侧，排水流道为蛇形结构，分布在第一进气流道与第二进气流道之间，既作为反应气体出气流道，又是主动排水流道，其流道设计能克服“水淹”的缺点。但是，由于流道不连续，扩散层阻力较大，气体压降较大，易使破坏催化层而影响电池性能(文献1：衣宝廉，燃料电池—原理·技术·应用，化学工业出版社，2003)。

因此现阶段需要开发一种结构简单，能及时、高效排水，提升电池工作性能的流场。

发明内容

本发明的目的是针对现有常规流场的不足，提供了一种具有折流分水功能的质子交换膜燃料电池双极板立体化流场。

为实现上述目的，本发明采用技术方案为：

一种质子交换膜燃料电池双极板立体化流场，立体化流场位于膜电极与隔板之间形成密封结构，其中，流道端面为一个或多个齿形，每个齿的两侧均开有流体孔。

所述齿形经弯折或压制形成，形成的端面为方形或梯形。

所述流体孔开设在齿根与齿顶之间，每相邻的两个流体孔具有等同的高度差。

所述流场中齿形为凸凹结构交替排列，形成立体化流场的脊背和流道。