CN109509897A - 一种用于静态排水燃料电池导水双极板的水流场 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种静态排水燃料电池导水双极板的水流场，水流场置于双极板水腔内，该水流场具有凹陷结构，在凹陷处放置有导水组件，导水组件可以是具有连续的、高亲水性的线、绳或多孔金属纤维等，这样可以增大导水板的实际导水面积，进一步提高燃料电池的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池(PEMFC)技术领域，主要是关于燃料电池双极板的冷却水腔流场结构。
背景技术
双极板是质子交换膜燃料电池电池组的关键部件，在燃料电池电堆中主要起导电、集流、分隔氧化剂和还原剂、引导氧化剂和还原剂在电池内的流动以及引导冷却水在电池内的流动等作用。不同类型质子交换膜燃料电池堆所采用排水方式不同，其使用的双极板及其结构也有重大差异，比如有动态排水方式和静态排水方式等。
当燃料电池堆采用静态排水方式时，其双极板是一种新型的燃料电池结构，它将传统致密型双极板由多孔结构的双极板代替。导水双极板具有微孔结构，水可以充满于孔隙之中进行迁移，同时在气体泡点压力以下起到液封气体的作用。
由于双极板工作时，水腔的冷却液流场不仅起到导流的作用，还要起到导电的作用。这就要求冷却液流场必须与氢极板和氧极板紧密接触，以增加导电性。但是，由于燃料电池导水双极板具有微孔结构，当冷却液流场与氢极板和氧极板紧密接触时，很容易减小微孔板的导水面积，引起接触部分排水不畅，导致对应的电极部分排水阻力相对较大，使得对应部分的电极水淹。所以，为了增大微孔板的实际导水面积，进一步提高燃料电池的稳定性，需要改进传统的水流场结构。
专利CN200710025555.1介绍了一种用于燃料电池双极板，其水流场采用柔性石墨，该篇专利的只提出了石墨水流场比限位框高出50-100微米。但是，其双极板水流场是传统双极板的结构，具有脊和沟槽。由于具有静态排水功能的燃料电池导水双极板研究报导极少，其水流场结构的研究也未见报导。
发明内容
本发明涉及一种用于静态排水燃料电池导水双极板的水流场，具体为：导水双极板包括氧极板和氢极板，其具有微孔结构，水流场设有脊和沟槽，在所述脊的至少一侧表面设有凹陷结构。所述当水流场为独立结构时，氧极板和氢极板中其一为微孔板，所述凹陷结构面向所述微孔板；当氧极板和氢极板都为微孔板时，脊的两侧都设有凹陷结构。在凹陷内放置有导水组件，能够使水充分的沿着导水组件接触到导水板的更多面积，使电池运行时内部的水从导水板中以尽量大的面积排出。所以流场脊的凹陷结构主要针对具有静态排水功能燃料电池设计。本发明的双极板具有较好的导水能力，适用于高电流密度工作的质子交换膜燃料电池。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：在燃料电池导水双极板冷却腔的水流场脊上设置凹陷结构，在凹陷结构内放置有导水组件，导水组件是高亲水性的线、绳或多孔纤维等。这种结构可以将增加极板微孔板的实际导水面积，通过导水组件，进一步提高电极生成水排出速率，确保电池运行稳定。
作为优选的技术方案，所述导水双极板包括氧极板和氢极板，氧极板和氢极板相互叠合形成双极板。所述当水流场为独立结构时，氧极板和氢极板中其一为微孔板，所述凹陷结构面向所述微孔板；当氧极板和氢极板都为微孔板时，脊的两侧都设有凹陷结构。当水流场与氧极板为一体结构或水流场与氢极板为一体结构时，所述脊的开放表面设有凹陷结构，即凹陷结构位于脊的远离一体结构的一侧表面。
作为优选的技术方案，所述的水流场为金属、石墨或碳的一种。
作为优选的技术方案，所述的微孔板为多孔金属板、多孔石墨板、多孔碳板或多孔高分子膜的一种。
作为优选的技术方案，所述的水流场凹陷结构放置有导水组件。导水组件贴紧微孔板，导水组件是具有较好亲水性的线、绳或多孔金属纤维，利用线、绳、多孔板或多孔纤维，将水流场贴紧导水板位置的水导出，保证在电池运行时内部的水能从导水板中各个位置排出。
作为优选的技术方案，所述的水流场上的凹陷结构呈相互平行、或垂直、或交叉结构、或梳子状。凹陷结构有利于水腔的水充分进入导水板，电池内部的生成水充分排到水腔，又不至于增加水流场与氧极板和氢极板的接触电阻。
作为优选的技术方案，所述的水流场凹陷结构放置的导水组件最好为连续的、亲水的多孔板或金属纤维毡。连续的导水组件能够不间断的把水导出。
作为优选的技术方案，所述的水流场导水组件在全部或部分凹陷结构内，也可以在凹陷结构外，置于微孔板和水流场之间。且导水组件至少有一端比水流场长出0～50mm，排出水能够充分的沿着导水组件排至水腔，使电池运行时内部的水从导水板中以尽量大的面积排出。
作为优选的技术方案，所述的双极板水流场除了走水外，也可以走其他冷却剂。
本发明具有如下优点：本专利的导水双极板在燃料电池工作时，如果膜的润湿程度不够，则冷却水腔的水穿过导水双极板微孔增湿反应气体，进而润湿膜；当扩散层或流场中液态水过多时，导水双极板可以将水传递至水腔中，保证气体的有效传输，所以导水双极板既可以增湿，又可以排水。本发明提出了一种针对具有静态排水功能的燃料电池导水双极板的水流场结构，该方法对导水双极板的水流场进行设计，可以将增加极板微孔板的实际导水面积，进一步提高电极生成水排出速率，确保电池运行稳定。本发明的导水板具有较好的导水能力，适用于高电流密度工作的质子交换膜燃料电池。
1.工艺简单。将导水组件直接放入流场的凹陷结构即可，工艺简单可行。
2.导水板利用率高。减少了水流场与极板接触的死体积，增加了流场开口面积，有效提高了导水板利用率。
总之，本发明的燃料电池双极板的水流场，能够使水充分的沿着导水组件接触到导水板的更多面积，有效提高了导水板利用率，使电池运行时内部的水从导水板中以尽量大的面积排出，提高燃料电池工作的稳定性。
附图说明
图1独立水流场的导水双极板结构图；
图2独立水流场外观图；
图3传统流场局部放大图；
图4本发明的水流场平行结构凹陷结构的局部放大图：
图5电压电流曲线。
1为微孔碳板氢极板，2为独立水流场，3为氧极板，4凹陷结构，5脊，6沟槽。
具体实施方式
实施例1
实验设计了一种独立水流场的双极板流场结构。如图1所示，本发明设计了导水双极板与独立水流场结构图。图2给出了独立水流场外观图，流场宽5mm，厚1.2mm，图3为传统流场局部放大图(没有凹陷结构)，其中，6为传统流场的沟槽，5为传统流场的脊。
极板采用微孔碳板作氢极板，在靠近氢极板的水流场一侧的脊5的表面加工出平行型凹陷结构4，如图4局部放大图所示。凹陷结构4的宽度3mm，深度为流场厚度的3/4，然后在其中放置厚度0.9mm、宽2mm的不锈钢纤维，不锈钢纤维放置于图4的凹陷结构4的位置，再将含有不锈钢纤维的水流场固定在氢极板上，不锈钢纤维比水流场长30mm，最终形成含有导水组件的导水双极板。
采用导水双极板作燃料电池做性能测试，电压电流曲线如图5所示，其中，1型代表传统水流场组装的电池性能曲线，2型代表本发明水流场组装的电池性能曲线。电池在电压0.65V时，电流密度800mAcm-2，而采用不含导水组件的导水双极板的电池电压在0.65V时，电流密度600mAcm-2。
以上说明，含有导水组件的导水双极板能够极大的提高电池输出性能，对提高电池比功率、推进其应用具有重要的意义。
Claims (10)
1.一种用于静态排水燃料电池导水双极板的水流场，所述导水双极板具有微孔结构，水流场设有脊和槽，其特征在于：在所述脊的至少一侧表面设有凹陷结构。
2.按照权利要求1所述导水双极板的水流场，其特征在于：所述导水双极板包括氧极板和氢极板：所述当水流场为独立结构时，氧极板和氢极板中其一为微孔板，所述凹陷结构面向所述微孔板；当氧极板和氢极板都为微孔板时，脊面向微孔板的两侧表面都设有凹陷结构。
3.按照权利要求1所述导水双极板的水流场，其特征在于：所述导水双极板包括氧极板和氢极板：当水流场与氧极板为一体结构或水流场与氢极板为一体结构时，所述脊的开放表面设有凹陷结构。
4.按照权利要求1所述导水双极板的水流场，其特征在于：所述凹陷结构内放置有导水组件；优选具有较好亲水性的线、绳、多孔板或纤维毡的一种或以上；优选导水组件没有断点。
5.按照权利要求1所述导水双极板的水流场，其特征在于：所述凹陷结构的深度为脊厚度的1/5-4/5。
6.按照权利要求1所述导水双极板的水流场，其特征在于：所述的微孔板为多孔金属板、多孔石墨板、多孔碳板或透水高分子膜的一种。
7.按照权利要求1所述导水双极板的水流场，其特征在于：所述的水流场的材料为金属、石墨或碳的一种。
8.按照权利要求1所述导水双极板的水流场，其特征在于：所述凹陷结构为呈相互平行的条状、或相互垂直的条状、或呈交指态的结构、或呈梳子态的结构。
9.按照权利要求1所述导水双极板的水流场，其特征在于：所述的水流场凹陷结构可以是机械加工、模压、辊压或刻蚀而成。
10.按照权利要求1所述导水双极板的水流场，其特征在于：所述的水流场导水组件全部或部分在凹陷结构内，导水组件贴紧微孔板，且导水组件至少有一端比水流场长。
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| WO2021219096A1 (zh) * | 2020-04-30 | 2021-11-04 | 上海交通大学 | 流场自适应的电池极板结构及燃料电池 |
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