專利名稱：一種適合常壓或低壓運(yùn)行的燃料電池氫氣導(dǎo)流極板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及燃料電池，尤其涉及一種適合常壓或低壓運(yùn)行的燃料電池氫氣導(dǎo)流極板。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)淙剂霞把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡(jiǎn)稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導(dǎo)電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細(xì)小分散的引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中生成的電子，通過(guò)外電路引出，構(gòu)成電流回路。
在膜電極的陽(yáng)極端，燃料可以通過(guò)滲透穿過(guò)多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過(guò)遷移穿過(guò)質(zhì)子交換膜，到達(dá)膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過(guò)滲透穿過(guò)多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負(fù)離子。在陰極端形成的陰離子與陽(yáng)極端遷移過(guò)來(lái)的正離子發(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽(yáng)極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽(yáng)極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質(zhì)子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開(kāi)來(lái)，使它們不會(huì)相互混合而產(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負(fù)離子，并與陽(yáng)極區(qū)遷移過(guò)來(lái)的氫正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽(yáng)極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達(dá)
陽(yáng)極反應(yīng)陰極反應(yīng)在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導(dǎo)電的極板中間，每塊導(dǎo)流電極板與膜電極接觸的表面通過(guò)壓鑄、沖壓或機(jī)械銑刻，形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)流電極板可以是金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導(dǎo)流電極板上的導(dǎo)流孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽(yáng)極區(qū)與陰極區(qū)。在一個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個(gè)膜電極，膜電極兩邊分別是陽(yáng)極燃料的導(dǎo)流極板與陰極氧化劑的導(dǎo)流極板。這些導(dǎo)流極板既作為電流集流母板，也作為膜電極兩邊的機(jī)械支撐，導(dǎo)流極板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進(jìn)入陽(yáng)極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運(yùn)行過(guò)程中生成的水的通道。
為了增大整個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個(gè)或兩個(gè)以上的單電池通常可通過(guò)直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過(guò)平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個(gè)膜電極的陽(yáng)極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個(gè)相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過(guò)一定方式連在一起而組成一個(gè)電池組。電池組通常通過(guò)前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個(gè)典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個(gè)陽(yáng)極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進(jìn)出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個(gè)電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池組后進(jìn)行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時(shí)，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進(jìn)出口都開(kāi)在燃料電池組的一個(gè)端板上或兩個(gè)端板上。
質(zhì)子交換膜燃料電池可用作一切車、船等運(yùn)載工具的動(dòng)力系統(tǒng)，又可作手提式、移動(dòng)式、固定式的發(fā)電裝置。質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)必須包括燃料電池堆、燃料氫氣供應(yīng)、空氣供應(yīng)、冷卻散熱、自動(dòng)控制及電能輸出等各個(gè)部分。質(zhì)子交換膜燃料電池運(yùn)行的穩(wěn)定與可靠性對(duì)作為車、船動(dòng)力系統(tǒng)或可移式發(fā)電裝置的應(yīng)用是非常重要的。其中提高燃料電池堆的運(yùn)行穩(wěn)定與可靠性是關(guān)鍵。
目前，在質(zhì)子交換膜燃料電池堆氫氣導(dǎo)流極板的設(shè)計(jì)中，為了減小氫氣阻力，一般氫氣主流槽的單根橫截面尺寸都較大，而且氫氣主流槽的根數(shù)較少；此外，為了增加燃料氫氣向電極反應(yīng)區(qū)快速擴(kuò)散，導(dǎo)氫氣流板上的氫氣主流槽往往設(shè)計(jì)成蛇形或彎彎曲曲形狀，使流體通過(guò)形成紊流，有利于向電極內(nèi)部反應(yīng)區(qū)擴(kuò)散。
上述燃料電池堆中氫氣導(dǎo)流極板的設(shè)計(jì)存在以下技術(shù)缺陷由于氫氣主流槽的根數(shù)較少且彎曲性很大，而氫氣主流槽長(zhǎng)度又較長(zhǎng)，因此燃料電池生成的產(chǎn)物水也很容易通過(guò)反滲透在電極陽(yáng)極側(cè)出現(xiàn)，將氫氣主流槽堵塞。特別是燃料電池作為車、船動(dòng)力系統(tǒng)或可移式發(fā)電裝置應(yīng)用時(shí)，由于動(dòng)力系統(tǒng)的工況變化很大，燃料電池的輸出功率也變化很大，這樣燃料電池生成的水更容易將氫氣主流槽堵塞。
另外，為了防止燃料電池生成的水堵塞導(dǎo)流槽，往往采用提高燃料電池運(yùn)行的空氣與氫氣計(jì)量比，也就是加大空氣、氫氣流量，用過(guò)量的空氣、氫氣將產(chǎn)物水帶出燃料電池，這種運(yùn)行方法實(shí)際上是提高了燃料電池的運(yùn)行壓力，增加了運(yùn)行成本，降低了安全性，而且有悖于將燃料電池設(shè)計(jì)成適合常壓或低壓運(yùn)行(尤其是作為車、船發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí))的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)也大大降低了燃料電池系統(tǒng)效率，因?yàn)檫^(guò)量的空氣被浪費(fèi)或過(guò)量的氫氣被循環(huán)輸送，必然造成輸送空氣或循環(huán)氫氣的機(jī)械功耗增加，從而降低了燃料電池系統(tǒng)效率。
再次，當(dāng)運(yùn)行中燃料電池導(dǎo)流極板空氣流槽或氫氣主流槽堵塞時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出某個(gè)別堵塞電池電壓很低甚至出現(xiàn)負(fù)值，導(dǎo)致燃料電池運(yùn)行不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)會(huì)將電極擊穿，并使整個(gè)電池堆毀壞。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種導(dǎo)流槽不易堵塞、運(yùn)行穩(wěn)定的適合常壓或低壓運(yùn)行的燃料電池氫氣導(dǎo)流極板。
本實(shí)用新型的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種適合常壓或低壓運(yùn)行的燃料電池氫氣導(dǎo)流極板，該氫氣導(dǎo)流極板為方形板，它包括空氣進(jìn)氣主流孔、空氣出氣主流孔、氫氣進(jìn)氣主流孔、氫氣出氣主流孔，冷卻水進(jìn)口主流孔、冷卻水出口主流孔，各流體進(jìn)、出主流孔對(duì)角設(shè)置，其特征在于，所述的氫氣進(jìn)、出氣主流孔之間設(shè)有多根氫氣主流槽及多根支氫氣流槽，該多根支氫氣流槽由多根氫氣主流槽分支出來(lái)，所述的多根氫氣主流槽及多根支氫氣流槽構(gòu)成的導(dǎo)流場(chǎng)總體呈S形走向分布。
所述的從氫氣進(jìn)氣主流孔分出的多根氫氣主流槽經(jīng)過(guò)一段流場(chǎng)后又各分出多根波浪狀的支氫氣流槽，該支氫氣流槽經(jīng)過(guò)整個(gè)流場(chǎng)后又合并為多根氫氣主流槽，該多根氫氣主流槽經(jīng)過(guò)一段流場(chǎng)后于氫氣出氣主流孔匯集。
所述的各流體主流孔之間、各流體主流孔與氫氣主流槽或支氫氣流槽之間、氫氣導(dǎo)流極板的外圍設(shè)有密封槽。
所述的氫氣主流槽與氫氣進(jìn)、出氣主流孔的連接部設(shè)有鈦片橋封，氫氣從鈦片橋封下流過(guò)。
所述的氫氣導(dǎo)流極板的對(duì)角處各設(shè)一定位孔。
所述的氫氣主流槽的槽深×槽寬＝0.1～0.8×0.2～2.0mm，槽的根數(shù)為4～20根，所述的支氫氣流槽的槽深×槽寬＝0.1～0.8×0.2～2.0mm，槽的根數(shù)為4～20根。
所述的支氫氣流槽呈波浪形，利于氫氣向電極擴(kuò)散。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)采用多根氫氣主流槽將氫氣導(dǎo)流極板上的氫氣進(jìn)氣主流孔與氫氣出氣主流孔連接起來(lái)，而每根氫氣主流槽經(jīng)過(guò)一段流場(chǎng)后又各分出多根波浪狀的支氫氣流槽，該支氫氣流槽經(jīng)過(guò)整個(gè)流場(chǎng)后又合并為多根氫氣主流槽。氫氣從進(jìn)口到出口的整個(gè)流場(chǎng)上總體流向呈S型，而不是象現(xiàn)有技術(shù)中反復(fù)來(lái)回彎曲，不但其流動(dòng)的線路長(zhǎng)，而且流動(dòng)阻力大；每根主流槽又各分出多根支流槽，大大降低了流動(dòng)阻力；氫氣運(yùn)行壓力可以大大降低；而氫氣可以由多根主流槽進(jìn)入氫氣導(dǎo)流場(chǎng)，也可以由多根主流槽出氫氣導(dǎo)流場(chǎng)，不易堵水。


圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施例1如圖1所示，一種1～100KW燃料電池堆中所采用的適合常壓或低壓氫氣運(yùn)行的燃料電池氫氣導(dǎo)流極板，尺寸為200×200×1.5mm，該氫氣導(dǎo)流極板為方形板，它包括空氣進(jìn)氣主流孔1、空氣出氣主流孔2、氫氣進(jìn)氣主流孔3、氫氣出氣主流孔4，冷卻水進(jìn)口主流孔5、冷卻水出口主流孔6，各流體進(jìn)、出主流孔對(duì)角設(shè)置，所述的氫氣進(jìn)、出氣主流孔3、4之間設(shè)有多根氫氣主流槽7及多根支氫氣流槽8，該多根支氫氣流槽8由多根氫氣主流槽7分支出來(lái)，所述的多根氫氣主流槽7及多根支氫氣流槽8總體呈S形走向分布。
所述的從氫氣進(jìn)氣主流孔3分出的多根氫氣主流槽7經(jīng)過(guò)一段流場(chǎng)后又各分出多根波浪狀的支氫氣流槽8，該支氫氣流槽8經(jīng)過(guò)整個(gè)流場(chǎng)后又合并為多根氫氣主流槽7，該多根氫氣主流槽7經(jīng)過(guò)一段流場(chǎng)后于氫氣出氣主流孔4匯集。
所述的各流體主流孔之間、各流體主流孔與氫氣主流槽之間、氫氣導(dǎo)流極板的外圍設(shè)有密封槽9。
所述的氫氣主流槽7與氫氣進(jìn)、出氣主流孔3、4的連接部設(shè)有鈦片橋封10，氫氣從鈦片橋封下流過(guò)。
所述的氫氣導(dǎo)流極板的對(duì)角處各設(shè)一定位孔11。
所述的氫氣主流槽的槽深×槽寬＝0.5×1.0mm，槽的根數(shù)為5根，所述的每個(gè)區(qū)域支氫氣流槽的槽深×槽寬＝0.5×1.0mm，槽的根數(shù)為13根。
實(shí)施例2實(shí)施例1中的燃料電池堆中所采用的是一種適合常壓氫氣運(yùn)行的燃料電池氫氣導(dǎo)流極板，尺寸為200×200×1.5mm，本實(shí)施例2是一種適合低壓氫氣運(yùn)行的燃料電池氫氣導(dǎo)流極板，尺寸為200×200×1.5mm，其他設(shè)計(jì)均與實(shí)施例1中相同，所不同的是氫氣流槽的槽深×槽寬＝0.3×0.8mm，主流槽的根數(shù)為4根，支流槽的根數(shù)為20根；氫氣從該導(dǎo)流極板進(jìn)口進(jìn)入所遇到的流動(dòng)阻力比實(shí)施例1中大，所以氫氣運(yùn)行壓力大約是0.5個(gè)大氣壓(相對(duì)壓力)。
實(shí)施例3同實(shí)施例2的要求，是一種適合中低壓氫氣運(yùn)行的燃料電池中所采用的氫氣導(dǎo)流極板，槽的深度繼續(xù)放淺，為0.2mm，槽的寬度與根數(shù)與實(shí)施例2一樣，氫氣運(yùn)行壓力提高到1個(gè)大氣壓(相對(duì)壓力)。
權(quán)利要求1.一種適合常壓或低壓運(yùn)行的燃料電池氫氣導(dǎo)流極板，該氫氣導(dǎo)流極板為方形板，它包括空氣進(jìn)氣主流孔、空氣出氣主流孔、氫氣進(jìn)氣主流孔、氫氣出氣主流孔，冷卻水進(jìn)口主流孔、冷卻水出口主流孔，各流體進(jìn)、出主流孔對(duì)角設(shè)置，其特征在于，所述的氫氣進(jìn)、出氣主流孔之間設(shè)有多根氫氣主流槽及多根支氫氣流槽，該多根支氫氣流槽由多根氫氣主流槽分支出來(lái)，所述的多根氫氣主流槽及多根支氫氣流槽構(gòu)成的導(dǎo)流場(chǎng)總體呈S形走向分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適合常壓或低壓運(yùn)行的燃料電池氫氣導(dǎo)流極板，其特征在于，所述的從氫氣進(jìn)氣主流孔分出的多根氫氣主流槽經(jīng)過(guò)一段流場(chǎng)后又各分出多根波浪狀的支氫氣流槽，該支氫氣流槽經(jīng)過(guò)整個(gè)流場(chǎng)后又合并為多根氫氣主流槽，該多根氫氣主流槽經(jīng)過(guò)一段流場(chǎng)后于氫氣出氣主流孔匯集。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適合常壓或低壓運(yùn)行的燃料電池氫氣導(dǎo)流極板，其特征在于，所述的各流體主流孔之間、各流體主流孔與氫氣主流槽或支氫氣流槽之間、氫氣導(dǎo)流極板的外圍設(shè)有密封槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適合常壓或低壓運(yùn)行的燃料電池氫氣導(dǎo)流極板，其特征在于，所述的氫氣主流槽與氫氣進(jìn)、出氣主流孔的連接部設(shè)有鈦片橋封，氫氣從鈦片橋封下流過(guò)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適合常壓或低壓運(yùn)行的燃料電池氫氣導(dǎo)流極板，其特征在于，所述的氫氣導(dǎo)流極板的對(duì)角處各設(shè)一定位孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適合常壓或低壓運(yùn)行的燃料電池空氣導(dǎo)流極板，其特征在于，所述的氫氣主流槽的槽深×槽寬＝0.1～0.8×0.2～2.0mm，槽的根數(shù)為4～20根，所述的支氫氣流槽的槽深×槽寬＝0.1～0.8×0.2～2.0mm，槽的根數(shù)為4～20根。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適合常壓或低壓運(yùn)行的燃料電池空氣導(dǎo)流極板，其特征在于，所述的支氫氣流槽呈波浪形，利于氫氣向電極擴(kuò)散。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種適合常壓或低壓運(yùn)行的燃料電池氫氣導(dǎo)流極板，該氫氣導(dǎo)流極板為方形板，它包括空氣進(jìn)氣主流孔、空氣出氣主流孔、氫氣進(jìn)氣主流孔、氫氣出氣主流孔，冷卻水進(jìn)口主流孔、冷卻水出口主流孔，各流體進(jìn)、出主流孔對(duì)角設(shè)置，所述的氫氣進(jìn)、出氣主流孔之間設(shè)有多根氫氣主流槽及多根支氫氣流槽，該多根支氫氣流槽由多根氫氣主流槽分支出來(lái)，所述的多根氫氣主流槽及多根支氫氣流槽構(gòu)成的導(dǎo)流場(chǎng)總體呈S形走向分布。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有導(dǎo)流槽不易堵塞、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01M8/02GK2796117SQ20052004169
公開(kāi)日2006年7月12日 申請(qǐng)日期2005年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月20日
發(fā)明者夏建偉, 胡里清, 李拯 申請(qǐng)人:上海神力科技有限公司