一种质子交换膜燃料电池用流场板制造技术

本发明专利技术属于燃料电池技术领域，涉及一种质子交换膜燃料电池用流场板的结构；其中，流场板本体是由经处理的天然石墨和高分子材料复合并经高温一次模压而成的材料构成的；流场板上包括氢气进气口、氢气出气口、空气进气口、空气出气口、水的流通槽及进出水口和连通气体进出气口的导流槽等；所述的流场板上有空气进出气口和氢气进出气口各一对，呈细长的矩形，连通一对进出气口的导流凹槽采用了流线型平行式流场分布结构，导流凹槽的宽度为１．０～３．５ｍｍ，深度为０．３～０．６ｍｍ，梗条的宽度为１．０～５．０ｍｍ。该发明专利技术结构设计的特点是气流分布均匀、导气通畅、截面空间利用率高且能防止导流凹槽的堵塞、反应气体能源的利用率高、燃料电池运行稳定。

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜燃料电池用流场板的结构
本专利技术涉及燃料电池技术，特别是涉及了一种质子交换膜燃料电池用流场板的结构。
技术介绍
在人类社会飞速发展的今天，象诸如煤、石油、天然气等传统能源等已越来越无法满足已经迈入二十一世纪的工业社会的需求。人类目前所赖以生存的能源资源正步入消耗怠尽的最后几十年，且这些传统能源所造成的严重环境污染，已经成为人类社会生存和发展的障碍。有鉴于此，世界各国无不卯足全力寻求未来的替代能源，使之得以全面取代目前的传统能源；截至目前，科学界一致认为氢能是二十一世纪替代汽油、柴油等动力能源的有效清洁能源之一；而质子交换膜燃料电池(FUEL CELL)则是一种将氢及氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置；因这种电池无燃烧反应，故广为被科学界推崇及向市场化推进。目前所发展出来的燃料电池约有五种，即碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池及质子交换膜燃料电池，而质子交换膜燃料电池是最具市场竞争力的能源项目之一。质子交换膜燃料电池的主要工作原理如下：质子交换膜燃料电池主要是利用氢气和氧气通过电化学反应生成水，并释放电能，它可视为水电解的逆装置，其主要由阳极、阴极、电解质及外部电路四大导电结构所组成。(1)将氢气导入阳极；(2)在阳极催化剂作用下，进行阳极氧化反应，电极反应方程式为：   ；(3)在电池另一端，将氧气(或空气)导入阴极；(4)阳极的氢离子穿过电解质到达阴极，而阳极的电子亦通过外电路到达阴极；(5)氢离子与氧气在阴极催化剂作用下进行阴极还原反应而生成水，电极反应式为：   。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是以全氟磺酸型质子交换膜为电解质，Pt/C、Pt-Ru/C或纳米二氧化钼为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通-->道的高纯石墨板、高分子复合材料石墨板或表面改性的耐腐蚀金属板为双极板。PEMFC中的电极反应类同于其它酸性电解质燃料电池。阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反应产生的电子经外电路到达阴极，氢离子经质子交换膜到达阴极。氧气与氢离子及电子在阴极催化剂作用下发生反应生成水，生成的水并不稀释电解质，而是通过电极随反应尾气排出。质子交换膜燃料电池(PEMFC)被认为是未来电动汽车、潜艇的最佳候选电源，并且在移动式电源、家用电站、水下机器人、航空航天器等方面具有广泛的应用前景。目前PEMFC技术越来越趋于成熟，而双极板(bipolar plates)是影响其成本的主要因素之一。双极板有其独特的作用：一是分隔氧化剂与还原剂；二是完成收集电流的作用；三是双极板两侧应置有使反应气体均匀分布的流场；四是确保电池堆的温度均匀分布和达到好的散热效果。在目前PEMFC的成本中甚至占到60-70％。因此，近年来，世界各国都在对不同类型的双极板进行研究和开发，其中的模压高分子复合材料双极板是研发的热点。目前该技术尚有许多技术难点需进行深入研究，其中包括电池堆中双极板的流场结构、不同高分子材料配方、加工工艺及产品成本等。本专利即是为解决上述问题中双极板的流场结构而设计的一项专利技术。目前美国、加拿大、德国、日本及我国在双极板材料及流场设计上都进行了大量的研发工作，在市场化推进方面取得了较大的进步。如：台湾地区的亚太燃料电池科技股份有限公司在我国申请的(专利号：01124227.0及01124228.0)燃料电池的双极板专利；美国的联合讯号公司在我国申请的(专利号：00814108.8)燃料电池及用于燃料电池的双极板专利等。但这些专利或多或少存在不足之处：例如双极板的气流分布不够均匀；反应生成的水易积聚不易排出，流场结构设计易造成反应死区，电压不稳等影响电池正常运行的性能。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服现有技术中存在的缺陷而设计的一种质子交换膜燃料电池用流场板结构，该技术流场板结构具有导气通畅、气流分布均匀、空间利用率高，进而提高反应气体能源利用率等特点；它也是一种防止导流凹槽在反应过程中发生堵塞，从而提高燃料电池运行稳定性的流场板结构。本专利技术可以通过以下技术方案实施：一种质子交换膜燃料电池的流场板的结构，其中，流场板本体是由经处理的天然高纯石墨和高分子材料复合并经高温一次模压而成的材料构成的；流场板上包括氢气进气口、氢气出气口、空气进气口、空气出气口、水的流通槽及进出水口和连通气体进出气口的导流槽等；以上所述的流场板上有空气进出气口和氢气进出气口各一对，呈细长的矩形，连通一对进出气口的导流凹槽采用了流线型平行式流场分布结构。所述的流场板本体为导氢气流场板或是导空气流场板或是一面用于导氢气另一面用于导-->空气的流场板；所述的用于导氢气的流场板上有一对位于流场板同侧(即位于流场板的同一条边上)的氢气进气口和氢气出气口，如图二的3、4所示，所述的用于导空气的流场板上有一对位于流场板同侧(即位于流场板的同一条边上)的空气进气口和空气出气口，如图二的5、6所示；连通一对进出气口的导流凹槽采用了流线型平行式且直角转折点经曲面式处理的流场板分布结构。所述的导氢气的流场板的氢气进气口和氢气出气口大小及形状都相等，呈细长的矩形，宽度为2～5mm；所述的导空气的流场板的空气进气口和空气出气口大小及形状都相等，呈细长的矩形，宽度为4～10mm；所述的导空气的流场板的空气进气口的长度与氢气进气口的长度基本相等，所述的空气出气口的长度与氢气出气口的长度基本相等，长度为30～38mm；所述的流场板的空气进气口的实际使用宽度是氢气进气口的实际使用宽度的两倍；所述的流场板的空气出气口的实际使用宽度是氢气出气口的实际使用宽度的两倍。所述的导氢气的流场板设有一对氢气进出气口，其中氢气的进气口分出多条导氢气流凹槽，该多条导氢气流凹槽采用了流线型平行式且有多个直角转折点并经曲面式处理的流场板分布结构，最后汇集于氢气的出气口，该多条导氢气流凹槽各自从氢气的进气口到氢气的出气口的总长度基本相等；所述的导空气的流场板设有一对空气进出气口，其中空气的进气口分出多条导空气流凹槽，该多条导空气流凹槽采用了流线型平行式且有多个直角转折点并经曲面式处理的流场板分布结构，最后汇集于空气的出气口，该多条导空气流凹槽各自从空气的进气口到空气的出气口的总长度基本相等。所述的导氢气的流场板的氢气的进气口除了分出权利要求4中所述的多条导氢气流凹槽外，还分出两条总长度是权利要求4中所述的导氢气流凹槽的总长度的五分之四、直角转折的个数比权利要求4中所述的导氢气流凹槽的直角转折个数少的导氢气流凹槽，这两条导氢气流凹槽分别位于氢气进气口的两侧，最后接于氢气的出气口；所述的导空气的流场板的空气的进气口除了分出权利要求4中所述的多条导空气流凹槽外，还分出两条总长度是权利要求4中所述的导空气流凹槽的总长度的五分之四、直角转折的个数比权利要求4中所述的导空气流凹槽的直角转折个数少的导空气流凹槽，这两条导空气流凹槽分别位于空气进气口的两侧，最后接于空气的出气口，其目的是为防止在反应过程中发生长程凹槽堵塞时不致于使电池产生“死机”现象。所述的导空气的流场板的连通空气的进出气口的导空气流凹槽的宽度比所述的导氢气的流场板的连通氢气的进出气口的导氢气流凹槽的宽度大。所述的凹槽的宽度为1.0～3.5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种质子交换膜燃料电池用流场板的结构，流场板上包括氢气进气口、氢气出气口、空气进气口、空气出气口、水的流通槽及进出水口和连通气体进出气口的导流槽等；其特征在于，所述的流场板上有空气和氢气的进出气口各一对，呈细长的矩形，连通一对进出气口的导流凹槽采用了流线型平行式流场分布结构。

【技术特征摘要】
1、一种质子交换膜燃料电池用流场板的结构，流场板上包括氢气进气口、氢气出气口、空气进气口、空气出气口、水的流通槽及进出水口和连通气体进出气口的导流槽等；其特征在于，所述的流场板上有空气和氢气的进出气口各一对，呈细长的矩形，连通一对进出气口的导流凹槽采用了流线型平行式流场分布结构。2、根据权利要求1所述的燃料电池的流场板的结构，其特征在于，所述的流场板本体为导氢气流场板或是导空气流场板或是一面用于导氢气另一面用于导空气的流场板；所述的用于导氢气的流场板上有一对位于流场板同侧的氢气进气口和氢气出气口，所述的用于导空气的流场板上有一对位于流场板同侧的空气进气口和空气出气口；连通一对进出气口的导流凹槽采用了流线型平行式且直角转折点经曲面式处理的流场板分布结构。3、根据权利要求2所述的燃料电池的流场板的结构，其特征在于，所述的导氢气的流场板的氢气进气口和氢气出气口大小及形状都相等，呈细长的矩形，宽度为2～5mm；所述的导空气的流场板的空气进气口和空气出气口大小及形状都相等，呈细长的矩形，宽度为4～10mm；所述的导空气的流场板的空气进气口的长度与氢气进气口的长度基本相等，所述的空气出气口的长度与氢气出气口的长度基本相等，长度为30～38mm；所述的流场板的空气进气口的实际使用宽度是氢气进气口的实际使用宽度的两倍；所述的流场板的空气出气口的实际使用宽度是氢气出气口的实际使用宽度的两倍。4、根据权利要求3所述的燃料电池的流场板的结构，其特征在于，所述的导氢气的流场板设有一对氢气进出气口，其中氢气的进气口分出多条导氢气流凹槽，该多条导氢气流凹槽采用了流线型平行式且有多个直角转折点并经曲面式处理的流场板分布结构，最后汇集于氢气的出气口，该多条导氢气流凹槽各自从氢气的进气口到氢气的出气口的总长度基本相等；所述的导空气的流场板设有一对空气进出气口，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：方卫民，刘晨，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]