專利名稱：自排水型燃料電池導(dǎo)流極板的制作方法
專利說明
一、技術(shù)領(lǐng)域本實(shí)用新型涉及一種燃料電池，具體的說是一種燃料電池中使用的燃料電池導(dǎo)流極板。
二背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池堆是一種通過燃料和氧化劑的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的裝置。該裝置的核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，由兩張多孔性的氣體擴(kuò)散層和夾在中間的一片質(zhì)子交換膜組成。在質(zhì)子交換膜與氣體擴(kuò)散層(如碳紙)的界面上附著有電化學(xué)催化劑。
質(zhì)子交換膜燃料電池堆的另一重要部件是導(dǎo)流極板。兩面均與膜電極相連的導(dǎo)流極板，陽極和陰極反應(yīng)分別在兩側(cè)同時(shí)發(fā)生，稱為雙極板。一面緊靠電流集電器的導(dǎo)流極板，只有另一面與膜電極相連，反應(yīng)只在一側(cè)發(fā)生，稱為單極板。雙極板或單極板上含有可供氣體(如氫氣或空氣)流通的通道和冷卻劑(如空氣或水)流通的流體流道。
在氫燃料電池中，當(dāng)氫氣由燃料電池堆的氫氣入口進(jìn)入雙極板或單極板的氫氣流體流道后，透過多孔性的氣體擴(kuò)散層(如碳紙)到達(dá)催化劑的表面。在催化劑的作用下，氫氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，氫原子失去電子成為正離子(質(zhì)子)。電子通過多孔性的氣體擴(kuò)散層(如碳紙)和雙極板或單極板到達(dá)用電器，再通過雙極板或單極板及多孔性的氣體擴(kuò)散層(如碳紙)到達(dá)膜電極另一側(cè)的催化劑表面。在催化劑的作用下，電子與透過多孔性的氣體擴(kuò)散層(如碳紙)到達(dá)催化劑表面的氧化劑(如氧氣)和通過質(zhì)子交換膜到達(dá)催化劑表面的質(zhì)子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物(如水)。在氫燃料電池中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)可用以下的反應(yīng)方程式來表示陽極反應(yīng)陰極反應(yīng)由兩塊導(dǎo)流極板中間夾持一片膜電極構(gòu)成燃料電池的一個(gè)單電池。單電池在反應(yīng)中可提供的電壓低于1.0V。為了提高燃料電池堆的輸出功率，多于一片的單電池以串聯(lián)的方式被組裝在一個(gè)電堆中，燃料電池堆的輸出電壓是燃料電池堆中所有單電池電壓的總和。
燃料電池理想的工作條件是，提供給每個(gè)膜電極恰當(dāng)?shù)牟⑶疫B續(xù)不斷的燃料或氧化劑。在工作過程中，質(zhì)子交換膜必須用水飽和，以滿足它充分的產(chǎn)電性能，并使其電阻率降到最低。燃料電池的反應(yīng)產(chǎn)物是水，由于正常的擴(kuò)散，質(zhì)子交換膜中的離子攜帶的水分子的運(yùn)動(dòng)占據(jù)主流，水趨于向膜電極的陰極一側(cè)聚集。隨著電流密度的增加，在一定膜電極面積上產(chǎn)生的水的量也增加。不論是為了滿足反應(yīng)氣體的流通還是為了質(zhì)子交換膜中水份的飽和，都需要對(duì)水進(jìn)行恰當(dāng)?shù)墓芾?，也就是說當(dāng)水含量較多，并開始阻止反應(yīng)氣體穩(wěn)定的穿過氣體擴(kuò)散層時(shí)，要將過多的水份去除，而當(dāng)質(zhì)子交換膜中的水份不飽和時(shí)，又要能提供足夠的水份。
現(xiàn)有的燃料電池，導(dǎo)流極板上流體流道的結(jié)構(gòu)分為單反應(yīng)氣體流體流道彎曲流場、多反應(yīng)氣體流體流道彎曲流場、多反應(yīng)氣體流體流道平行流場。工作中，反應(yīng)氣體和反應(yīng)產(chǎn)物—水沿著極板上的流體流道流動(dòng)，極板流體流道的設(shè)計(jì)會(huì)影響反應(yīng)氣體的分布，以及極板和膜電極之間的電接觸和氧氣的消耗。反應(yīng)氣體進(jìn)入燃料電池堆前要將其潤濕，如果不將反應(yīng)氣體潤濕，一旦它被加熱到操作溫度時(shí)，它的相對(duì)濕度會(huì)較低，但當(dāng)反應(yīng)氣體沿著流體流道向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，其相對(duì)濕度可能會(huì)升高到飽和點(diǎn)，過剩的水一般會(huì)聚集或凝結(jié)在極板的導(dǎo)流槽和氣體擴(kuò)散層的微孔內(nèi)，這樣的情況被稱作滿溢，滿溢阻止反應(yīng)氣體通過氣體擴(kuò)散層，降低燃料電池的性能。當(dāng)流體流道被水完全阻塞，燃料電池受到影響的局部活性面積上的電化學(xué)反應(yīng)將嚴(yán)重減弱或停止，而轉(zhuǎn)向的反應(yīng)氣體也會(huì)讓其他流體流道的流動(dòng)條件變壞，更多的流體流道會(huì)被一個(gè)接一個(gè)的阻塞。當(dāng)水繼續(xù)在流體流道中積累時(shí)，燃料電池總體的性能就會(huì)隨其有效的活性面積的減少而顯著的降低，以上三種流體流道的結(jié)構(gòu)都沒有很好的解決這一問題。
三
發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本實(shí)用新型的目的是提供一種自排水型燃料電池導(dǎo)流極板，其使得從流場的流體流道中去除過剩的水這一問題變得簡便。
2、技術(shù)方案本實(shí)用新型一種自排水型燃料電池導(dǎo)流極板，它包括極板本體，在極板本體上設(shè)有第一流體流道和第二流體流道，所述第一流體流道和第二流體流道分別具有進(jìn)口和出口，其特征是第一流體流道和第二流體流道之間通過導(dǎo)流槽相互連通。
當(dāng)水在某一流體流道區(qū)域內(nèi)聚集從而部分或全部阻塞(下稱該現(xiàn)象為流體流道阻塞區(qū))了流體流道后，和沒有被阻塞的或只有被部分阻塞的流體流道區(qū)域(下稱該現(xiàn)象為流體流道未阻塞區(qū))相比，反應(yīng)氣體在流體流道中的流動(dòng)速度會(huì)降低。當(dāng)用導(dǎo)流槽連接流體流道阻塞區(qū)和流體流道未阻塞區(qū)時(shí)，流體流道阻塞區(qū)導(dǎo)流槽末端開口處的附近，和流體流道未阻塞區(qū)導(dǎo)流槽末端開口處的附近氣體的流速不同，導(dǎo)致兩個(gè)導(dǎo)流槽末端開口處附近的壓力不同。流速相對(duì)低的區(qū)域處(流體流道阻塞區(qū))的導(dǎo)流槽末端附近的壓力要高于流速相對(duì)高的區(qū)域處(流體流道未阻塞區(qū))的導(dǎo)流槽末端附近的壓力。一般來說，相對(duì)流速高的導(dǎo)流槽末端開口附近的壓力要小于阻塞部分的壓力。當(dāng)用導(dǎo)流槽連接流體流道阻塞區(qū)和流體流道未阻塞區(qū)時(shí)，阻塞區(qū)流體流道中氣體的壓力高于未阻塞區(qū)流體流道中氣體的壓力，在壓力差的作用下，阻塞區(qū)流體流道中聚集的水分從導(dǎo)流槽中流到非阻塞區(qū)的流體流道中，被反應(yīng)氣體排出燃料電池堆。根據(jù)導(dǎo)流槽末端開口處的位置和一般的流場形式，導(dǎo)流槽可以將水傳輸?shù)侥る姌O組件過于干燥的流體流道區(qū)域內(nèi)。
想要有效的去除水，所需要的流場中導(dǎo)流槽的位置和數(shù)目取決于很多不同的因素。例如，在空冷型燃料電池中，靠近流體流道入口處的流體流道區(qū)域完全可能將由反應(yīng)物產(chǎn)生的水冷卻凝聚，特別是，如果潤濕的反應(yīng)物氣體，可以在流體流道區(qū)域的上升流中產(chǎn)生意象不到的水的聚集。所以在氣體冷卻燃料電池中，就可能需要在流體流道入口附近安置一個(gè)導(dǎo)流槽。然而，一般情況下，滿溢通常發(fā)生在流體流道下降流的部分，所以一般建議將導(dǎo)流槽安置在靠近流體流道出口的地方而不是入口，而且一般位于流體流道下降流的三分之一處。導(dǎo)流槽連接流體流道的方法可以有很多種，例如，沿著兩個(gè)相鄰的流體流道，較多的導(dǎo)流槽可以被隔開，或者導(dǎo)流槽還可以被用來連接很多其他區(qū)域的流體流道。沿流體流道所需的導(dǎo)流槽數(shù)目以及合適的導(dǎo)流槽位置很大程度上取決于燃料電池的操作電流密度(決定生成產(chǎn)水的量)，燃料和氧化劑的流速，壓力及濕度，流體流道的橫截面積，流體流道的數(shù)目，流體流道壁表面的光滑度。導(dǎo)流槽的數(shù)目和位置可以通過壓力降的計(jì)算或CFD模擬(一定的大小的流體流道和導(dǎo)流槽以及燃料電池測試)來決定。
一個(gè)或多個(gè)連接流體流道的導(dǎo)流槽可以有效的減少該區(qū)域內(nèi)的滿溢，并且提高燃料電池的性能。一般對(duì)多流體流道流場而言，當(dāng)一個(gè)流體流道被阻塞，從而阻礙反應(yīng)氣體的流動(dòng)時(shí)，反應(yīng)氣體會(huì)轉(zhuǎn)而流向另一個(gè)或多個(gè)未阻塞的流體流道，從而增加了未阻塞流體流道內(nèi)的氣體流量。由于流量的變化能引起壓力差的變化，所以未阻塞流體流道內(nèi)流量的增加，會(huì)使阻塞流體流道導(dǎo)流槽末端開口處附近和未阻塞流體流道導(dǎo)流槽末端開口處附近之間的壓力差增加，所以，由于被阻塞流體流道中氣體流動(dòng)的受阻，動(dòng)態(tài)地增加了連接兩流體流道的導(dǎo)流槽的水驅(qū)動(dòng)效應(yīng)。這樣，流場中連接兩流體流道區(qū)域的導(dǎo)流槽能自動(dòng)的去除累積的水從而減少本區(qū)域內(nèi)的滿溢。
流場中連接流體流道的導(dǎo)流槽也可能減緩流體流道中水堵塞的形成，因?yàn)楫?dāng)有導(dǎo)流槽連接的流體流道區(qū)域內(nèi)的流速不完全相同時(shí)，導(dǎo)流槽可以使得該區(qū)域的反應(yīng)物氣體的壓力達(dá)到平衡。根據(jù)導(dǎo)流槽的數(shù)目以及導(dǎo)流槽末端開口處的位置，這樣的壓力平衡能保證流場內(nèi)流體流道在流場的關(guān)鍵位置有足夠的壓力，以及沿著整個(gè)流體流道的長度有足夠多的壓力降。因此，由導(dǎo)流槽產(chǎn)生的壓力平衡有助于沿每一流體流道維持反應(yīng)物氣體所需的流量，而且如果氧化劑是含氧氣的空氣的話，它還能防止本區(qū)域內(nèi)氧氣的損耗。
為了獲得所需的水驅(qū)動(dòng)效果以及避免不期望的反應(yīng)物氣體通過捷徑流體流道的分流，導(dǎo)流槽最小處的橫截面積最好小于靠導(dǎo)流槽末端開口處流體流道的橫截面積。而且每一導(dǎo)流槽在導(dǎo)流槽末端開口處的橫截面積最好小于其流體流道的橫截面積。合適的流體流道和導(dǎo)流槽的相對(duì)橫截面積，取決于很多因素，其中包括流場的形式，導(dǎo)流槽的長度，以及操作的流速。
增加導(dǎo)流槽末端開口處附近反應(yīng)物氣體流速(即降低壓力的)的方法與導(dǎo)流槽末端的開口有關(guān)。更好的方法是，將流體流道變?yōu)槲那鹄锕芑蝈F形的形狀，將導(dǎo)流槽末端開口處置于文丘里管最窄的部位(其咽喉處)或附近。當(dāng)用導(dǎo)流槽連接的兩個(gè)流體流道區(qū)域內(nèi)的流量不完全相同時(shí)，導(dǎo)流槽末端開口處的文丘里管會(huì)使每一個(gè)文丘里管內(nèi)流速增加，從而通過略微的流量平衡在每一個(gè)導(dǎo)流槽末端減少壓力，這樣不會(huì)通過導(dǎo)流槽在流體流道之間產(chǎn)生任何的流動(dòng)。當(dāng)一個(gè)流體流道區(qū)域內(nèi)的流速，由于其中一個(gè)流體流道水的阻塞比其他流體流道區(qū)域低時(shí)，在高流速流體流道區(qū)域內(nèi)由于文丘里管引起的流速的增加以及壓力降，增加了從流速低的流體流道區(qū)域驅(qū)動(dòng)水的能力。文丘里管引起的通過導(dǎo)流槽的水傳輸?shù)脑黾樱诘土魉倭黧w流道區(qū)流速接近零時(shí)的效果非常顯著。然而文丘里管引起的流速的增加(壓力降低)與文丘里管內(nèi)上升流的流速成正比。所以每一個(gè)導(dǎo)流槽末端開口處的文丘里管，能放大用導(dǎo)流槽連接的兩流體流道之間的流速差(或壓力差)。而且導(dǎo)流槽/文丘里管這樣的組合，對(duì)阻塞導(dǎo)致的流速減小要比只有導(dǎo)流槽時(shí)敏感。文丘里管的引入會(huì)增加流場板生產(chǎn)成本，所以必須在增加成本和通過引入文丘里管從而提高燃料電池的性能兩者之間權(quán)衡，這主要取決于燃料電池的流場形式。
導(dǎo)流槽中的液體進(jìn)出導(dǎo)流槽的流動(dòng)；流體流道壁的阻斷處也就是導(dǎo)流槽的末端開口處；文丘里管能提高反應(yīng)物氣體的流動(dòng)機(jī)制，特別是氧化性氣體～這些結(jié)構(gòu)和操作特點(diǎn)都是為了破壞空氣的層流，從而產(chǎn)生混和氣流，有助于防止空氣/膜電極組件界面處氧氣的損耗。
3、有益效果通過在流場內(nèi)流體流道之間引入一個(gè)(一般為多個(gè))導(dǎo)流槽的提高了燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)性能。導(dǎo)流槽/文丘里管組合的使用不僅僅局限于質(zhì)子交換膜燃料電池，而且反應(yīng)物也不局限于氣體，被任何阻塞物質(zhì)阻塞的流體流道都可以通過導(dǎo)流槽/文丘里管組合來阻止或去除。
四

圖1表示的是該實(shí)用新型一個(gè)示意圖，它是一個(gè)帶有導(dǎo)流槽/文丘里管組合的兩流場流體流道的局部區(qū)域；圖2表示的是圖一中排除流體流道中水的示意圖；圖3表示的是一個(gè)多平行流體流道流場，并且每一對(duì)流體流道出口處都有圖1中的導(dǎo)流槽/文丘里管組合。
圖4表示的是一個(gè)在流體流道出口處帶有導(dǎo)流槽/文丘里管組合的雙流體流道彎曲流場；圖5表示的是在流體流道出口處、以及流體流道進(jìn)口和出口之間都帶有導(dǎo)流槽/文丘里管組合的雙流體流道彎曲流場。
五具體實(shí)施方式
如圖1所示的是一個(gè)帶有導(dǎo)流槽/文丘里管組合12的兩流場流體流道區(qū)域的部分。第一流體流道10是流場板表面上一個(gè)縱向延伸的凹面，它和地帶14相連。導(dǎo)流槽16將流體流道10和第二流體流道11相連。導(dǎo)流槽16是一個(gè)在每一個(gè)末端都帶有導(dǎo)流槽末端開口的凹面。每一個(gè)流體流道帶有一個(gè)文丘里管20，成為流體流道10的錐形構(gòu)建部分。每一個(gè)導(dǎo)流槽末端開口18位于相應(yīng)的文丘里管的咽喉處22或最窄的部分。
使用時(shí)，地帶14和電極板鄰接以將流體流道逐一密封起來，當(dāng)然除了導(dǎo)流槽16提供的流體流動(dòng)的地方。由導(dǎo)流槽16和膜電極表面形成的流體通道的橫截面積小于由每一個(gè)流體流道和膜電極表面形成的橫截面積，不管是在流體流道尺寸最寬的地方還是文丘里管最窄處22。流體流道、導(dǎo)流槽16以及文丘里管20合適的相對(duì)橫截面積取決于很多因素，包括流場的形式、導(dǎo)流槽16的長度、操作流速等。
如圖1所示，使用時(shí)，當(dāng)?shù)谝涣黧w流道10和第二流體流道11沒有被阻塞，反應(yīng)物氣體通過兩個(gè)流體流道的流速基本相同，如圖1中粗箭頭所示，所以只有很少或沒有壓力差存在于導(dǎo)流槽末端開口處18，這樣也就很少或沒有流體通過導(dǎo)流槽16在兩流體流道之間流動(dòng)。
如圖2所示，當(dāng)?shù)谝涣黧w流道10的由于水26的集聚而被阻塞，被阻塞的第一流體流道10的導(dǎo)流槽16末端開口處18附近反應(yīng)氣體的流速將小于未被阻塞的第二流體流道11的導(dǎo)流槽末端開口處18附近的流速。兩個(gè)導(dǎo)流槽末端開口處18的流速差將會(huì)被文丘里管20放大。根據(jù)流體流道入口和反應(yīng)物氣體供氣的配置的不同，流速差也可能會(huì)在流體流道入口處(圖1和2中沒有表示出來)，由被阻塞第一流體流道10處向未被阻塞第二流體流道11處的氣體的轉(zhuǎn)移而放大。
導(dǎo)流槽末端開口處18之間的流速差會(huì)引起壓力差異，這樣便會(huì)使得被阻塞的第一流體流道10中的水26，在壓力的驅(qū)動(dòng)下通過導(dǎo)流槽16流向未被阻塞的第二流體流道11。通過這樣的途徑，聚集的水26就會(huì)經(jīng)過轉(zhuǎn)移而去除，第一流體流道10中的反應(yīng)氣體流速就可以還原到原來的狀態(tài)了。
導(dǎo)流槽/文丘里管組合12可用在各種不同的流場上。例如，如圖3所示導(dǎo)流槽/文丘里管組合可以用在多平行流體流道流場30，該多平行流體流道流場30上具有具有第一流體流道10和第二流體流道11，第一流體流道10和第二流體流道11分別具有進(jìn)口34和出口32。正如圖3表示的一樣，導(dǎo)流槽/文丘里管組合可以置于流體流道出口32的附近。
圖4表示的是導(dǎo)流槽/文丘里管組合12用于雙流體流道彎曲流場36的例子。如圖5所示的那樣雙流體流道彎曲流場36中的每一對(duì)流體流道都由多于一個(gè)的導(dǎo)流槽/文丘里管組合12。
權(quán)利要求1.一種自排水型燃料電池導(dǎo)流極板，它包括極板本體(1)，在極板本體(1)上設(shè)有第一流體流道(10)和第二流體流道(11)，所述第一流體流道(10)和第二流體流道(11)分別具有進(jìn)口(34)和出口(32)，其特征是第一流體流道(10)和第二流體流道(11)之間通過導(dǎo)流槽(16)相互連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自排水型燃料電池導(dǎo)流極板，其特征是所述導(dǎo)流槽(16)設(shè)在第一流體流道(10)和第二流體流道(11)的出口(32)處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自排水型燃料電池導(dǎo)流極板，其特征是導(dǎo)流槽(16)的最小橫截面積小于靠近導(dǎo)流槽(16)處的流體流道的最小橫截面積。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自排水型燃料電池導(dǎo)流極板，其特征是在第一流體流道(10)和第二流體流道(11)中與導(dǎo)流槽(16)兩側(cè)開口相應(yīng)的位置設(shè)有文丘里管(20)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的自排水型燃料電池導(dǎo)流極板，其特征是導(dǎo)流槽(16)開口位于相應(yīng)的文丘里管(20)最窄部分的附近。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種自排水型燃料電池導(dǎo)流極板，它包括極板本體，在極板本體上設(shè)有第一流體流道和第二流體流道，所述第一流體流道和第二流體流道分別具有進(jìn)口和出口，第一流體流道和第二流體流道之間通過導(dǎo)流槽相互連通。在工作過程中，因兩個(gè)流體流道中的流速不同，通過導(dǎo)流槽將反應(yīng)生成的水從其中一個(gè)流體流道汲取到另一個(gè)流體流道，以有利于此流體流道或另一流體流道中水的移除。根據(jù)流場內(nèi)所處位置的不同，導(dǎo)流槽有利于保持理想的壓力分布以及反應(yīng)氣流在各流體流道的流動(dòng)。這些都有利于推動(dòng)流體流道內(nèi)剩余水的流動(dòng)，并且當(dāng)氧化劑為空氣中的氧氣時(shí)，還有利于防止局部氧氣損耗現(xiàn)象的發(fā)生。
文檔編號(hào)H01M8/02GK2886817SQ20062006964
公開日2007年4月4日 申請(qǐng)日期2006年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月27日
發(fā)明者喬永進(jìn), 沈建躍, 曲平, 康新 申請(qǐng)人:南京博能燃料電池有限責(zé)任公司