專利名稱：一體式再生燃料電池及其水電解裝置的流場板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及燃料電池及其水電解裝置，尤其涉及一體式質(zhì)子交換膜可 再生燃料電池及其質(zhì)子交換膜水電解裝置的流場板。
背景技術(shù)：
再生燃料電池(Regenerative Fuel Cell,簡稱RFC),是在氫氧燃料電池 基礎(chǔ)上發(fā)展的，是一種將氫氧燃料電池技術(shù)與水電解技術(shù)相結(jié)合的一種新型氫 能源動力裝置。水電解器通過電解純水制取氫氣和氧氣為燃料電池提供反應(yīng)氣 體，具有電解耗電少，所制取的氫氣和氧氣純度高，無需繁瑣的后續(xù)凈化處理 技術(shù)便可直接應(yīng)用的特點。
如果燃料電池或水電解器的電極具有雙效性，即燃料電池和水電解器都可 以電池/電解功能合一 ，相當(dāng)于一個燃料電池和一個水電解器用一個雙效電池代 替，就構(gòu)成了一體式再生燃料電池(Unitized Regenerative Fuel Cell, URFC)， 其整個體系無需要外部燃料和氧化劑的供應(yīng)，只需在水充分供應(yīng)的情況下，就 能夠長時間、持續(xù)高效、無污染地提供電能，從而可以有效簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和降 低系統(tǒng)重量，提高系統(tǒng)比能量和比功率特性。
但是，水電解制取的氫氣和氧氣需要進(jìn)行高壓氣態(tài)存儲后，再供燃料電池 發(fā)電使用。為了提高氫氣和氧氣的儲存密度，需提高氫、氧氣的存儲壓力，必 須使用氣體專用增壓設(shè)備，這種設(shè)備體積大，能耗高，從能量利用的角度效率 低，不經(jīng)濟(jì)。目前，認(rèn)為直接增加水電解產(chǎn)氣壓力是方便氫氣和氧氣存儲最有 效的技術(shù)途徑。但是這也不但給水電解器及一體式再生燃料電池帶來了耐壓式 結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)難題，而且也給再生燃料電池系統(tǒng)設(shè)計帶來了困難，例如隨著 水電解過程產(chǎn)氣壓力的增加，反應(yīng)水的注入變的愈發(fā)困難，如果采用高壓水泵， 系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜化，重量和能耗將會顯著增加，可靠性相應(yīng)降低。
在傳統(tǒng)的燃料電池結(jié)構(gòu)中，流場板置于膜電極組(Membrane ElectrodeAssembly)的兩端，其所使用的材質(zhì)應(yīng)具備髙導(dǎo)電性、高強(qiáng)度、易加工、重量 輕和低成本等特性。目前制作流場板的材料有石墨、鋁和不銹鋼，通常采用石 墨制成。流場板上加工有流場溝槽，作為供應(yīng)燃料的通道，使反應(yīng)物能經(jīng)由流 道到達(dá)擴(kuò)散層，而進(jìn)入觸媒層參與反應(yīng)。另外，流場板也可具有傳導(dǎo)電流的功 能，使反應(yīng)所產(chǎn)生的電流得以傳導(dǎo)應(yīng)用，因此又可作為電流收集板(current collection plate)。然而，傳統(tǒng)的流場板，如石墨板，不但體積龐大，而且重 量仍不夠輕。最主要的是，隨著水電解過程產(chǎn)氣壓力的增加，反應(yīng)水的注入愈 發(fā)困難，這就使得傳統(tǒng)的流場板無法在一體式再生燃料電池及其水電解器裝置 中應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)一體式再生燃料電池及水電解器隨著水電解過程產(chǎn)氣壓 力的增加，反應(yīng)水的注入愈發(fā)困難而引起的各種問題，本實用新型的目的在于 提供一種一體式再生燃料電池及其水電解裝置的流場板。利用本實用新型，不 但減輕了流場板的重量，而且解決了流場板在一體式再生燃料電池及其水電解 裝置中的雙效性問題。
為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本實用新型為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案 是提供一種一體式再生燃料電池及其水電解裝置的流場板，該裝置包括-
其中間部分設(shè)置有流場溝槽；邊緣設(shè)置有六個通孔；這些通孔同電池堆其 它相鄰部件上對應(yīng)的通孔密封連接后構(gòu)成氫氣、氧氣和水進(jìn)出通道的分配歧管； 其最外周及六個通孔四周設(shè)置有密封槽，用于放置密封圈；邊緣設(shè)置有若干突 起的極耳。
上述流場板正面的通孔Pl、 P4四周的密封槽的內(nèi)側(cè)各設(shè)置有導(dǎo)流缺口，直 接將通孔P1、 P4與中間流場溝槽連通，用于第一種流體的流動與麵遞。上述流 場板背面的通孔P2、 P5四周的密封槽的內(nèi)側(cè)各設(shè)置有導(dǎo)流缺口,直接將通孔P2、 P5與中間流場溝槽連通，用于另一種流體的流動與傳遞。
為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本實用新型的另一方面，還提供一種一體式再生
燃料電池及其水電解裝置的流場板，該裝置包括-
板框，其中間設(shè)置有一個多孔導(dǎo)電部件；上述板框具有六個通孔，這些通孔同其它電池堆部件上對應(yīng)的通孔密封堆壘后構(gòu)成氫氣、氧氣和水進(jìn)出通道的
分配歧管板框最外周及六個通孔四周設(shè)置有用于放置密封圈的密封槽；邊緣 設(shè)置有極耳；上述流場板背面的通孔P3、 P6四周的密封槽的內(nèi)側(cè)各設(shè)覽有導(dǎo)流 缺口，直接將通孔P3、 P6與中間流場溝槽連通。
為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本實用新型的又一方面，還提供一種一體式再生 燃料電池及其水電解裝置的流場板，該裝置包括-
其邊緣設(shè)置有6個通孔；這些通孔周電池堆其它相鄰部件上對應(yīng)的通孔密 封連接后構(gòu)成氫氣、氣氣和水進(jìn)出通道的分配歧管上述流場板的正面的中間 部分設(shè)置有流場溝槽，邊緣的通孔P2、 P5四周的密封槽的內(nèi)側(cè)各設(shè)置有導(dǎo)流缺 口 ，直接將通孔P2、 P5與中間流場溝槽連通。
本實用新型--體式再生燃料電池及其水電解裝置的流場板，既可以用于可 再生燃料電池又可以用于水電解器。在燃料電池發(fā)電時，氣體(氧氣或氫氣)經(jīng) 流場板上設(shè)定的通孔導(dǎo)流缺口進(jìn)入流場溝槽，剩余尾氣再通過流場板上設(shè)定的 通孔導(dǎo)流缺口導(dǎo)出水電解時，電解生成氣體也可經(jīng)由流場板上的相應(yīng)通孔導(dǎo) 流缺口導(dǎo)出。因此，本實用新型取得了結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)約能耗、應(yīng)用靈活等有益 效果。

圖1為本實用新型一體式再生燃料電池及其水電解裝置的流場板A的結(jié)構(gòu) 示意圖，其中圖1 (a)為立體圖1 (b)為正面視圖； 圖l (C)為背面視圖。 圖2為本實用新型流場板B的結(jié)構(gòu)示意圖。
,3為本實用新ii流場板C的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實癱方式
以下結(jié)合附圖說明本實用新型的優(yōu)選實施例。
圖1為本實用新型優(yōu)選實施例， 一種一體式再生燃料電池及其水電解裝置 的流場板A的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，圖l (a)為立體圖圖i (b)為正面視圖， 圖l (c)為背面視圖。
如圖l的實施例所示，流場板A的中間部分是流場溝槽；邊緣設(shè)置有6個通孔P1、 P2、 P3、 P4、 P5和P6;這些通孔同電池堆其它相鄰部件上對應(yīng)的通孔 密封連接后構(gòu)成氫氣、氧氣和水進(jìn)出通道的分配歧管。流場板A的最外周及六 個通孔四周設(shè)置有密封槽，用于放置密封圈；邊緣兩個突起部分為極耳，用于 輸出電力的導(dǎo)線連接和工作時的散熱，極耳數(shù)量可根椐需要制作。
上述流場板A是一種雙面流場板，具有前后兩種流場設(shè)計，分別用于兩種 流體的流動與傳遞。其正面通過密封圈與其它燃料電池部件，例如膜電極組件 堆壘；如圖l(a)中Bl和圖l (b)所示，通孔P1、 P4四周的密封槽的內(nèi)側(cè)各設(shè) 置有導(dǎo)流缺口，直接將通孔Pl、 P4與中間流場溝槽連通，用于第一種流體的流 動與傳遞。流場板A的背面通過密封圈與其它燃料電池部件，例如前緩沖絕緣 板堆壘，同樣地，如圖l(a)中Bl和圖l (c)所示，在流場板A的背面，通孔 P2、 P5四周的密封槽的內(nèi)側(cè)各設(shè)置有導(dǎo)流缺口，直接將通孔P2、 P5與中間流場 溝槽連通，用于另一種流體的流動與傳遞。
上述流場板A可用金屬，或者經(jīng)過導(dǎo)電化處理的陶瓷、高分子材料等經(jīng)機(jī) 床、化學(xué)腐蝕、線切割、激光雕刻、鑄模等各種方法加工而成。流場溝槽可以 設(shè)計為條形，也可以是蛇形、點狀等多種形式。本實用新型實施例使用鈦合金 板經(jīng)化學(xué)腐蝕加工，流場溝槽為條形。
流場板A的工作原理如下
(1) .燃料電池發(fā)電時，氣體(氫氣或氧氣)經(jīng)通孔Pl流入后，通過導(dǎo)流缺 口B1流入到中間流場溝槽部分，再經(jīng)流場溝槽分散到其它燃料電池部件，例如 膜電極組件進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，剩余尾氣通過通孔P4的導(dǎo)流缺口流出；
(2) .水電解時，電解生成氣體經(jīng)流場溝槽會合后，由通孔Pl、 P4的導(dǎo)流 缺口分別導(dǎo)出。
圖2為本實用新型的另一實施例， 一種流場板B的結(jié)構(gòu)圖；其中，圖2(a) 為立體圖；圖2 (b)為拆分圖；圖2 (C)為背面視圖；圖2 (d)為正面視圖。
如圖2 (b)所示，與流場板A的不同之處在于，流場板B是一個由板框B2 及其中間部分的多孔導(dǎo)電部件B3構(gòu)成的組合部件，板框B2相當(dāng)于中間鏤空的 流場板A。
如圖2 (a)、 (b)所示，流場板B的板框B2具有六個通孔P1、 P2、 P3、 P4、 P5、 P6，這些通孔同其它部件上對應(yīng)的通孔密封堆壘后構(gòu)成氫氣、氧氣和水進(jìn)出通道的分配歧管。同樣地，板框B2最外周及六個通孔四周的槽為密封槽，用
于放置密封圈；邊緣兩個突起部分為極耳，用于輸電導(dǎo)線的連接，同時起到散 熱功能。如圖2 (c)所示，流場板B的背面通過密封圈與其它燃料電池部件， 例如半透膜堆壘；在通孔P3、 P6四周的密封槽的內(nèi)側(cè)各設(shè)置有導(dǎo)流缺口，直接 將通孔P3、 P6與中間流場溝槽連通。如圖2 (d)所示，流場板B的正面通過密 封圈與其它燃料電池部件，例如膜電極組件堆壘。
流場板B的板框B2可用金屬或者導(dǎo)電化處理的陶瓷、高分子等多種材料， 經(jīng)機(jī)床、化學(xué)腐蝕、線切割、激光雕刻、鑄模等各種方法加工而成。多孔導(dǎo)電 部件B3的主要功能是分散氣體、收集電流、支撐膜電極組件和半透膜組件，可 以使用多孔金屬板、金屬網(wǎng)或者導(dǎo)電化處理多孔陶瓷材料、高分子材料等制作。 板框B2和多孔導(dǎo)電部件B3通過物理方法(如焊接、粘結(jié)等)連接到在一起。 本實用新型實施例中，板框B2使用鈦合金板經(jīng)化學(xué)腐蝕加工；多孔導(dǎo)電部件B3 為多孔鈦合金板。
流場板B的工作原理如下
(1) .燃料電池發(fā)電時，氣體(氧氣或氫氣)經(jīng)通孔P3上的導(dǎo)流缺口流入后， 經(jīng)多孔導(dǎo)電部件B3分散到其它燃料電池部件，例如膜電極組件后進(jìn)行電化學(xué)反 應(yīng)，剩余尾氣再通過通孔P6的導(dǎo)流缺口導(dǎo)出；同時，其它燃料電池部件，例如 半透膜組件透過來的水蒸汽可以通過多孔導(dǎo)電部件B3與反應(yīng)氣體混合，起到對 反應(yīng)氣體增濕的作用。
(2) .水電解時，其它燃料電池部件，例如半透膜組件透過來的水蒸汽通過 多孔導(dǎo)電部件B3到達(dá)膜電極組件表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，分解氣體(陽極生成氧 氣；陰極生成氫氣)電解生成氣體經(jīng)多孔導(dǎo)電部件B3匯合，由通孔P3、 P6的 導(dǎo)流缺口導(dǎo)出。
圖3為本實用新型的又一實施例， 一種流場板C的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖 3(a)為正面視圖；圖3 (b)為背面視圖。
流場板C邊緣設(shè)置有6個通孔P1、 P2、 P3、 P4、 P5和P6;這些通孔同電池 堆其它相鄰部件上對應(yīng)的通孔密封連接后構(gòu)成氫氣、氧氣和水進(jìn)出通道的分配 歧管。如圖3(a)所示，流場板C的正面通過密封圈與其它燃料電池部件，例如 半透膜組件堆壘，其中間部分設(shè)置有流場溝槽，在通孔P2、 P5四周的密封槽的內(nèi)側(cè)各設(shè)置有導(dǎo)流缺口，直接將通孔P2、 P5與中間流場溝槽連通。如圖3 (b) 所示，流場板C的背面通過密封圈與其它燃料電池部件，例如后絕緣緩沖板堆
壘。流場板C的結(jié)構(gòu)既可以與流場板A相同，也可以與流場板B相同，由于無 需導(dǎo)電，所以沒有極耳。因此，流場板C的材料和加工方法同流場板A、流場板 B相同，且無需導(dǎo)電要求。本實用新型實施例中，使用鈦合金板經(jīng)化學(xué)腐蝕加工， 流場溝槽可以設(shè)計為條形。
流場板C的工作原理如下
注入水經(jīng)通孔P2和P5的導(dǎo)流缺口流入到流場板C的流場溝槽內(nèi)，到達(dá)其 它燃料電池部件，例如半透膜組件表面，在半透膜組件兩側(cè)水壓及濃度梯度的 作用下，部分水透過半透膜組件以氣態(tài)形式到達(dá)上述流場板B內(nèi)，進(jìn)而到達(dá)其 它燃料電池部件，例如膜電極組件表面。當(dāng)進(jìn)行燃料電池發(fā)電時，對上述流場 板B內(nèi)的反應(yīng)氣體增濕；水電解時，其它燃料電池部件，例如半透膜組件透過 來的水蒸汽通過上述流場板B的多孔部件B3到達(dá)其它燃料電池部件，例如膜電 極組件表面發(fā)生電化學(xué)分解反應(yīng)。
綜上所述，本實用新型的流場板具有凸出于邊緣的極耳，極耳的數(shù)量可靈 活設(shè)置；流場板的極耳可以采用串聯(lián)或并聯(lián)方式連接，用于調(diào)整電池堆的輸出 功率；并在電池堆工作時，起到散熱片作用。要求電池堆增加功率時，只需增 加流場板、其它燃料電池部件，例如膜電極組件、半透膜組件或者密封圈等部 分，采用串聯(lián)或并聯(lián)方式適當(dāng)連接各種流場板的極耳即可。
權(quán)利要求1、一種一體式再生燃料電池及其水電解裝置的流場板，其特征在于，該裝置的中間設(shè)置有流場溝槽；邊緣設(shè)置有六個通孔；這些通孔同電池堆其它相鄰部件上對應(yīng)的通孔密封連接后構(gòu)成氫氣、氧氣和水進(jìn)出通道的分配歧管；所述的流場板最外周及六個通孔四周設(shè)置有用于放置密封圈的密封槽；邊緣設(shè)置有若干突起的極耳。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的流場板，其特征在于所述流場板正面的通孔 [Pl]、 [P4]四周的密封槽的內(nèi)側(cè)各設(shè)置有導(dǎo)流缺口；上述流場板的背面的通孔 [P幻、[P5]四周的密封槽的內(nèi)側(cè)各設(shè)置有導(dǎo)流缺口。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的流場板，其特征在于所述的流場板可采用金 屬，或者經(jīng)過導(dǎo)電化處理的陶瓷；所述的流場溝槽可以為條形，也可以是蛇形 或點狀。
4、 一種一體式再生燃料電池及其水電解裝置的流場板，其特征在于，該裝 置包括板框，其中間設(shè)置有一個多孔導(dǎo)電部件；所述的板框具有六個通孔， 這些通孔同電池堆其它部件上對應(yīng)的通孔密封堆壘后構(gòu)成氫氣、氧氣和水進(jìn)出 通道的分配歧管；板框最外周及六個通孔四周設(shè)置有用于放置密封圈的密封槽； 邊緣設(shè)置有極耳。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的流場板，其特征在于所述板框背面的通孔[P3]、 [P&]四周的密封槽的內(nèi)側(cè)各設(shè)置有導(dǎo)流缺口 。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的流場板，其特征在于所述流場板的板框采用 金屬或者導(dǎo)電化處理的陶瓷；所述的多孔導(dǎo)電部件采用至少一種選自下列的材 料多孔金屬板、金屬網(wǎng)，或者經(jīng)導(dǎo)電化處理的多孔陶瓷材料；所述板框和多 孔導(dǎo)電部件通過焊接或粘結(jié)連接。
7、 一種一體式再生燃料電池及其水電解裝置的流場板，其特征在于，該裝置的邊緣設(shè)置有六個通孔；這些通孔同電池堆其它相鄰部件上對應(yīng)的通孔密封 連接后構(gòu)成氫氣、氧氣和水進(jìn)出通道的分配歧管；該流場板正面的中間部分設(shè) 置有流場溝槽，邊緣通孔[P2]、 [P5]四周的密封槽的內(nèi)側(cè)各設(shè)置有導(dǎo)流缺口。
專利摘要本實用新型公開了一種一體式再生燃料電池及其水電解裝置的流場板，流場板中間部分設(shè)置有流場溝槽；邊緣設(shè)置有六個通孔；這些通孔同電池堆其它相鄰部件上對應(yīng)的通孔密封連接后構(gòu)成氫氣、氧氣和水進(jìn)出通道的分配歧管；其最外周及六個通孔四周設(shè)置有用于放置密封圈的密封槽；邊緣設(shè)置有若干突起的極耳。其某一對通孔四周的密封槽的內(nèi)側(cè)各設(shè)置有導(dǎo)流缺口，將氫氣、氧氣或水從流場板內(nèi)導(dǎo)入或排出。本實用新型取得了結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)約能耗、應(yīng)用靈活等有益效果。
文檔編號H01M8/18GK201163639SQ20072007500
公開日2008年12月10日 申請日期2007年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月25日
發(fā)明者向 劉, 偉 張, 張新榮, 樂 王, 濤 王, 郭振波 申請人:上?？臻g電源研究所