專利名稱：一種質子交換膜燃料電池用流場板的結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃料電池技術，特別是涉及了一種質子交換膜燃料電池用流場板的結構。
背景技術：
在人類社會飛速發(fā)展的今天，象諸如煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源等已越來越無法滿足已經邁入二十一世紀的工業(yè)社會的需求。人類目前所賴以生存的能源資源正步入消耗怠盡的最后幾十年，且這些傳統(tǒng)能源所造成的嚴重環(huán)境污染，已經成為人類社會生存和發(fā)展的障礙。有鑒于此，世界各國無不卯足全力尋求未來的替代能源，使之得以全面取代目前的傳統(tǒng)能源；截至目前，科學界一致認為氫能是二十一世紀替代汽油、柴油等動力能源的有效清潔能源之一；而質子交換膜燃料電池(FUEL CELL)則是一種將氫及氧的化學能通過電極反應直接轉換成電能的裝置；因這種電池無燃燒反應，故廣為被科學界推崇及向市場化推進。
目前所發(fā)展出來的燃料電池約有五種，即堿性燃料電池、磷酸型燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池及質子交換膜燃料電池，而質子交換膜燃料電池是最具市場競爭力的能源項目之一。質子交換膜燃料電池的主要工作原理如下質子交換膜燃料電池主要是利用氫氣和氧氣通過電化學反應生成水，并釋放電能，它可視為水電解的逆裝置，其主要由陽極、陰極、電解質及外部電路四大導電結構所組成。
(1)將氫氣導入陽極；(2)在陽極催化劑作用下，進行陽極氧化反應，電極反應方程式為；(3)在電池另一端，將氧氣(或空氣)導入陰極；(4)陽極的氫離子穿過電解質到達陰極，而陽極的電子亦通過外電路到達陰極；(5)氫離子與氧氣在陰極催化劑作用下進行陰極還原反應而生成水，電極反應式為。
質子交換膜燃料電池(PEMFC)是以全氟磺酸型質子交換膜為電解質，Pt/C、Pt-Ru/C或納米二氧化鉬為電催化劑，氫或凈化重整氣為燃料，空氣或純氧為氧化劑，帶有氣體流動通道的高純石墨板、高分子復合材料石墨板或表面改性的耐腐蝕金屬板為雙極板。PEMFC中的電極反應類同于其它酸性電解質燃料電池。陽極催化層中的氫氣在催化劑作用下發(fā)生電極反應產生的電子經外電路到達陰極，氫離子經質子交換膜到達陰極。氧氣與氫離子及電子在陰極催化劑作用下發(fā)生反應生成水，生成的水并不稀釋電解質，而是通過電極隨反應尾氣排出。
質子交換膜燃料電池(PEMFC)被認為是未來電動汽車、潛艇的最佳候選電源，并且在移動式電源、家用電站、水下機器人、航空航天器等方面具有廣泛的應用前景。目前PEMFC技術越來越趨于成熟，而雙極板(bipolar plates)是影響其成本的主要因素之一。雙極板有其獨特的作用一是分隔氧化劑與還原劑；二是完成收集電流的作用；三是雙極板兩側應置有使反應氣體均勻分布的流場；四是確保電池堆的溫度均勻分布和達到好的散熱效果。在目前PEMFC的成本中甚至占到60-70％。因此，近年來，世界各國都在對不同類型的雙極板進行研究和開發(fā)，其中的模壓高分子復合材料雙極板是研發(fā)的熱點。目前該技術尚有許多技術難點需進行深入研究，其中包括電池堆中雙極板的流場結構、不同高分子材料配方、加工工藝及產品成本等。本專利即是為解決上述問題中雙極板的流場結構而設計的一項發(fā)明。
目前美國、加拿大、德國、日本及我國在雙極板材料及流場設計上都進行了大量的研發(fā)工作，在市場化推進方面取得了較大的進步。如臺灣地區(qū)的亞太燃料電池科技股份有限公司在我國申請的(專利號01124227.0及01124228.0)燃料電池的雙極板專利；美國的聯(lián)合訊號公司在我國申請的(專利號00814108.8)燃料電池及用于燃料電池的雙極板專利等。但這些專利或多或少存在不足之處例如雙極板的氣流分布不夠均勻；反應生成的水易積聚不易排出，流場結構設計易造成反應死區(qū)，電壓不穩(wěn)等影響電池正常運行的性能。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有技術中存在的缺陷而設計的一種質子交換膜燃料電池用流場板結構，該實用新型流場板結構具有導氣通暢、氣流分布均勻、空間利用率高，進而提高反應氣體能源利用率等特點；它也是一種防止導流凹槽在反應過程中發(fā)生堵塞，從而提高燃料電池運行穩(wěn)定性的流場板結構。
本發(fā)明可以通過以下技術方案實施一種質子交換膜燃料電池的流場板的結構，其中，流場板本體是由經處理的天然高純石墨和高分子材料復合并經高溫一次模壓而成的材料構成的；流場板上包括氫氣進氣口、氫氣出氣口、空氣進氣口、空氣出氣口、水的流通槽及進出水口和連通氣體進出氣口的導流槽等；以上所述的流場板上有空氣進出氣口和氫氣進出氣口各一對，呈細長的矩形，連通一對進出氣口的導流凹槽采用了流線型平行式流場分布結構。
所述的流場板本體為導氫氣流場板或是導空氣流場板或是一面用于導氫氣另一面用于導空氣的流場板；所述的用于導氫氣的流場板上有一對位于流場板同側(即位于流場板的同一條邊上)的氫氣進氣口和氫氣出氣口，如圖二的3、4所示，所述的用于導空氣的流場板上有一對位于流場板同側(即位于流場板的同一條邊上)的空氣進氣口和空氣出氣口，如圖二的5、6所示；連通一對進出氣口的導流凹槽采用了流線型平行式且直角轉折點經曲面式處理的流場板分布結構。
所述的導氫氣的流場板的氫氣進氣口和氫氣出氣口大小及形狀都相等，呈細長的矩形，寬度為2～5mm；所述的導空氣的流場板的空氣進氣口和空氣出氣口大小及形狀都相等，呈細長的矩形，寬度為4～10mm；所述的導空氣的流場板的空氣進氣口的長度與氫氣進氣口的長度基本相等，所述的空氣出氣口的長度與氫氣出氣口的長度基本相等，長度為30～38mm；所述的流場板的空氣進氣口的實際使用寬度是氫氣進氣口的實際使用寬度的兩倍；所述的流場板的空氣出氣口的實際使用寬度是氫氣出氣口的實際使用寬度的兩倍。
所述的導氫氣的流場板設有一對氫氣進出氣口，其中氫氣的進氣口分出多條導氫氣流凹槽，該多條導氫氣流凹槽采用了流線型平行式且有多個直角轉折點并經曲面式處理的流場板分布結構，最后匯集于氫氣的出氣口，該多條導氫氣流凹槽各自從氫氣的進氣口到氫氣的出氣口的總長度基本相等；所述的導空氣的流場板設有一對空氣進出氣口，其中空氣的進氣口分出多條導空氣流凹槽，該多條導空氣流凹槽采用了流線型平行式且有多個直角轉折點并經曲面式處理的流場板分布結構，最后匯集于空氣的出氣口，該多條導空氣流凹槽各自從空氣的進氣口到空氣的出氣口的總長度基本相等。
所述的導氫氣的流場板的氫氣的進氣口除了分出權利要求4中所述的多條導氫氣流凹槽外，還分出兩條總長度是權利要求4中所述的導氫氣流凹槽的總長度的五分之四、直角轉折的個數(shù)比權利要求4中所述的導氫氣流凹槽的直角轉折個數(shù)少的導氫氣流凹槽，這兩條導氫氣流凹槽分別位于氫氣進氣口的兩側，最后接于氫氣的出氣口；所述的導空氣的流場板的空氣的進氣口除了分出權利要求4中所述的多條導空氣流凹槽外，還分出兩條總長度是權利要求4中所述的導空氣流凹槽的總長度的五分之四、直角轉折的個數(shù)比權利要求4中所述的導空氣流凹槽的直角轉折個數(shù)少的導空氣流凹槽，這兩條導空氣流凹槽分別位于空氣進氣口的兩側，最后接于空氣的出氣口，其目的是為防止在反應過程中發(fā)生長程凹槽堵塞時不致于使電池產生“死機”現(xiàn)象。
所述的導空氣的流場板的連通空氣的進出氣口的導空氣流凹槽的寬度比所述的導氫氣的流場板的連通氫氣的進出氣口的導氫氣流凹槽的寬度大。
所述的凹槽的寬度為1.0～3.5mm，深度為0.3～0.6mm，梗條的寬度為1.0～5.0mm。
所述的導氫氣流的凹槽的寬度1比所述的導氫氣流的流場板上梗條2的寬度??；所述的導空氣流的凹槽的寬度1比所述的導空氣流的流場板上梗條的寬度2小。
所述的導氫氣流凹槽條數(shù)為5～10條；導空氣流凹槽的條數(shù)為5～10條。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的特點是流場板上氣體的進出口是細長的矩形形狀，而不是一般的半圓形或四分之一圓形；空氣的進出氣口長度與氫氣進出氣口長度相同，空氣進出氣口的寬度要大于氫氣進出氣口的寬度。即氫氣進出氣口總面積是空氣的進出氣口總面積的二分之一。如圖二、三所示，圖二的3、4分別是氫氣的進氣口和出氣口，圖二的5、6分別是空氣的進氣口和出氣口。流場板上流體的進出口位于流場板的同側，這樣就使連接流體進出口的凹槽的總體分布與現(xiàn)有常規(guī)分布不同，本發(fā)明的設計更充分地利用了空間，使凹槽長度較普通設計大為增加，此外，多條并列平行的導流凹槽的長度基本相等，凹槽的總體分布如圖二、三所示。導空氣的流場板的連通空氣的進出氣口的導空氣流凹槽的寬度比所述的導氫氣的流場板的連通氫氣的進出氣口的導氫氣流凹槽的寬度大。流場板的導氫氣流和導空氣流的進口除了多條導流凹槽外，還分別分出兩條邊緣導流凹槽7、8，最后接于流場的出口。7、8兩條導流凹槽的長度是導流本體凹槽9的總長度的五分之四、直角轉折的個數(shù)比導流凹槽本體的直角轉折個數(shù)少。
這種質子交換膜燃料電池的流場板的進出氣口和導流凹槽設計的優(yōu)點如下同一流場板的導流口由一個細長的矩形組成，它避免采用一個很大面積的導流口，從而促使流場板本體的有效利用面積增加；空氣的進氣口面積比氫氣的進氣口面積要大，同時，空氣的導流凹槽比氫氣的導流凹槽要寬，這樣的設計結構可以使在反應中空氣的通氣量大于氫氣的通氣量，這增加了廉價反應物(空氣)的濃度，能加快體系的反應速率；進出口同側及連接進出口的凹槽的分布特點使得氣體的反應路徑較普通板的長，從而提高了能源氣體的利用率。此外，該實用新型通過對流場板表面的疏水性處理，能有效地防止反應生成的水堵塞導流凹槽造成整個反應中斷的情況發(fā)生。


附圖1為本發(fā)明復合雙極板剖面的結構示意圖附圖2為燃料電池導氫氣流場板的結構示意圖附圖3為燃料電池導空氣或氧氣流場板的結構示意圖其中附圖中編號1為流場板凹槽剖面，編號2為流場板梗條剖面，編號3為導氫氣流場板進氣口，編號4為導氫氣流場板出氣口，編號5為導空氣或氧氣流場板進氣口，編號6為導空氣或氧氣流場板出氣口，編號7、8為兩條邊緣導流凹槽，編號9為本體導流凹槽。
具體實施例方式下面將結合附圖、通過具體實施例，詳述本發(fā)明。
實施例將天然高純石墨粉和高分子材料、助劑等按一定比例混合后入模具，模具入平板硫化機中，在10～100MPa和100～300℃下，一次模壓成型成為含流場的復合雙極板產品。
一種質子交換膜燃料電池用的流場板結構，包括流場板本體。該流場板本體為導流雙極板，其一面為導氫氣流場板，另一面是導空氣的流場板；圖二為所述的導氫氣流場板。它設有一對進出氫氣的導流口3、4，且分布在流場板同側。氫氣進氣口和氫氣出氣口大小及形狀都相等，呈細長的矩形，寬度為3mm，長度為33mm；有8條導流凹槽，其寬度為1.5mm，深度為0.5mm，兩條邊緣導流凹槽7、8較本體導流凹槽9短，7、8兩條導流凹槽的長度是導流本體凹槽的總長度的五分之四、直角轉折的個數(shù)比導流凹槽本體的直角轉折個數(shù)少。梗條寬度均為3mm。
圖三為所述的導空氣或氧氣流場板。它設有一對進出空氣或氧氣的導流口5、6，且分布在流場板同側?？諝膺M氣口和空氣出氣口大小及形狀都相等，呈細長的矩形，寬度為6mm，長度為32mm；有7條導流凹槽，其寬度為2.0mm，深度為0.5mm，兩條邊緣導流凹槽7、8較本體導流凹槽9短，7、8兩條導流凹槽的長度是導流本體凹槽的總長度的五分之四、直角轉折的個數(shù)比導流凹槽本體的直角轉折個數(shù)少。主梗條寬度為3mm，其余6條梗條寬度為4mm。
權利要求
1.一種質子交換膜燃料電池用流場板的結構，流場板上包括氫氣進氣口、氫氣出氣口、空氣進氣口、空氣出氣口、水的流通槽及進出水口和連通氣體進出氣口的導流槽等；其特征在于，所述的流場板上有空氣和氫氣的進出氣口各一對，呈細長的矩形，連通一對進出氣口的導流凹槽采用了流線型平行式流場分布結構。
2.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池的流場板的結構，其特征在于，所述的流場板本體為導氫氣流場板或是導空氣流場板或是一面用于導氫氣另一面用于導空氣的流場板；所述的用于導氫氣的流場板上有一對位于流場板同側的氫氣進氣口和氫氣出氣口，所述的用于導空氣的流場板上有一對位于流場板同側的空氣進氣口和空氣出氣口；連通一對進出氣口的導流凹槽采用了流線型平行式且直角轉折點經曲面式處理的流場板分布結構。
3.根據(jù)權利要求2所述的燃料電池的流場板的結構，其特征在于，所述的導氫氣的流場板的氫氣進氣口和氫氣出氣口大小及形狀都相等，呈細長的矩形，寬度為2～5mm；所述的導空氣的流場板的空氣進氣口和空氣出氣口大小及形狀都相等，呈細長的矩形，寬度為4～10mm；所述的導空氣的流場板的空氣進氣口的長度與氫氣進氣口的長度基本相等，所述的空氣出氣口的長度與氫氣出氣口的長度基本相等，長度為30～38mm；所述的流場板的空氣進氣口的實際使用寬度是氫氣進氣口的實際使用寬度的兩倍；所述的流場板的空氣出氣口的實際使用寬度是氫氣出氣口的實際使用寬度的兩倍。
4.根據(jù)權利要求3所述的燃料電池的流場板的結構，其特征在于，所述的導氫氣的流場板設有一對氫氣進出氣口，其中氫氣的進氣口分出多條導氫氣流凹槽，該多條導氫氣流凹槽采用了流線型平行式且有多個直角轉折點并經曲面式處理的流場板分布結構，最后匯集于氫氣的出氣口，該多條導氫氣流凹槽各自從氫氣的進氣口到氫氣的出氣口的總長度基本相等；所述的導空氣的流場板設有一對空氣進出氣口，其中空氣的進氣口分出多條導空氣流凹槽，該多條導空氣流凹槽采用了流線型平行式且有多個直角轉折點并經曲面式處理的流場板分布結構，最后匯集于空氣的出氣口，該多條導空氣流凹槽各自從空氣的進氣口到空氣的出氣口的總長度基本相等。
5.根據(jù)權利要求3所述的燃料電池的流場板的結構，其特征在于，所述的導氫氣的流場板的氫氣的進氣口除了分出權利要求4中所述的多條導氫氣流凹槽外，還分出兩條總長度是權利要求4中所述的導氫氣流凹槽的總長度的五分之四、直角轉折的個數(shù)比權利要求4中所述的導氫氣流凹槽的直角轉折個數(shù)少的導氫氣流凹槽，這兩條導氫氣流凹槽分別位于氫氣進氣口的兩側，最后接于氫氣的出氣口；所述的導空氣的流場板的空氣的進氣口除了分出權利要求4中所述的多條導空氣流凹槽外，還分出兩條總長度是權利要求4中所述的導空氣流凹槽的總長度的五分之四、直角轉折的個數(shù)比權利要求4中所述的導空氣流凹槽的直角轉折個數(shù)少的導空氣流凹槽，這兩條導空氣流凹槽分別位于空氣進氣口的兩側，最后接于空氣的出氣口。
6.根據(jù)權利要求4、5所述的燃料電池的流場板的結構，其特征在于，所述的導空氣的流場板的連通空氣的進出氣口的導空氣流凹槽的寬度比所述的導氫氣的流場板的連通氫氣的進出氣口的導氫氣流凹槽的寬度大。
7.根據(jù)權利要求4、5、6所述的燃料電池的流場板結構，其特征在于，所述的凹槽的寬度為1.0～3.5mm，深度為0.3～0.6mm，梗條的寬度為1.0～5.0mm。
8.根據(jù)權利要求4、5、6、7所述的燃料電池的流場板結構，其特征在于，所述的導氫氣流的凹槽的寬度比所述的導氫氣流的流場板上梗條的寬度??；所述的導空氣流的凹槽的寬度比所述的導空氣流的流場板上梗條的寬度小。
9.根據(jù)權利要求6、7、8所述的燃料電池的流場板結構，其特征在于，所述的導氫氣流凹槽條數(shù)為5～10條；導空氣流凹槽的條數(shù)為5～10條。
全文摘要
本發(fā)明屬于燃料電池技術領域，涉及一種質子交換膜燃料電池用流場板的結構；其中，流場板本體是由經處理的天然石墨和高分子材料復合并經高溫一次模壓而成的材料構成的；流場板上包括氫氣進氣口、氫氣出氣口、空氣進氣口、空氣出氣口、水的流通槽及進出水口和連通氣體進出氣口的導流槽等；所述的流場板上有空氣進出氣口和氫氣進出氣口各一對，呈細長的矩形，連通一對進出氣口的導流凹槽采用了流線型平行式流場分布結構，導流凹槽的寬度為1.0～3.5mm，深度為0.3～0.6mm，梗條的寬度為1.0～5.0mm。該發(fā)明結構設計的特點是氣流分布均勻、導氣通暢、截面空間利用率高且能防止導流凹槽的堵塞、反應氣體能源的利用率高、燃料電池運行穩(wěn)定。
文檔編號H01M8/02GK1601796SQ200410067470
公開日2005年3月30日 申請日期2004年10月22日 優(yōu)先權日2004年10月22日
發(fā)明者方衛(wèi)民, 劉晨 申請人:浙江大學