[发明专利]一种基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池双极板

说明书

本发明公开了一种基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，包括呈矩形状的气体流场(1)，该气体流场(1)的反应气进口(11)和反应气出口(12)位于气体流场(1)的其中一条对角线的两端呈对角分布，在气体流场(1)内分布有多个高度相同的脊(13)和多块挡板(15)，气体流场(1)内由脊(13)分隔为多条宽度相同的流道(14)，沿气体流场(1)的另一条对角线设置的全部挡板(15)和位于该条对角线上的脊(13)构成沿该对角线设置的流道坝。本发明的迷宫挡板结构流场增加了反应气体的强制对流和排水能力，使气体分布均匀，提高了电池的电化学反应效率，使电流密度更加均匀，提升了整体燃料电池的电化学性能。

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池双极板结构领域，具体地说是一种基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池双极板。

背景技术

能源危机和环境污染问题不断的当今时代，燃料电池作为一种能效高、零污染的洁净能源备受青睐并得到了广泛研究。其中，质子交换膜燃料电池是在一定条件下氢气和空气中的氧气发生化学反应，从而将化学能直接转变为电能的装置。质子交换膜燃料电池由于无污染、能量转化率高、启动快等优点，具有非常好的应用前景。质子交换膜燃料电池中最重要的构件之一是双极板，起着均匀分配反应气体、传导电子、导热并将反应所产生的水及时排出的作用。

双极板又称集流板，是燃料电池的重要部件之一，需满足如下有求：(1)分隔氢气和空气中的氧气并均匀分配这些反应气体；(2)导电；(3)排除电池内化学反应产生的热和水。

流场是在双极板上加工的各种形状的流道，为反应物和生成物提供进出通道，反应物与生成物在流场内的流动状态由双极板的流道结构所决定。只有保证电极各处均能获得充足的反应物，并及时将生成的水排出电池外，才能保证质子交换膜燃料电池的正常工作，因此双极板流场结构对质子交换膜燃料电池性能有重要影响。

常见的质子交换膜燃料电池双极板的流场有点状流场、平行流场、蛇型流场和交指型流场等。点状流场一定程度上是放弃了流场，流体包括反应物和生成物倾向于朝流动阻力最小的方向流动，无法保证流体流动的均匀性，因此点状流场角落位置很可能会滞流堵塞从而影响电池的反应效率。平行流场的反应气体由于进出口间的总压降低，各流道中的流体分布会不均匀，引起部分区域的水淹，导致传输耗损的增加，从而降低了电流密度。尽管蛇形流场的流动路径能推动液态水的排出，排水性能好，但蛇形流场的缺点在于大面积的流场中，压降很大，且气体浓度分布不均匀。交指流场能够大大增强反应气体的强制对流和排水能力，但对进气的压力要求较高，局部压力突降。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中常规流场存在的不足，结合点状结构，蛇形结构和交指结构的特点提供一种基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，该双极板中迷宫挡板结构流场的在结合点状流场与蛇形流场的优点的基础上，又继承了交指结构的优点，迷宫挡板结构流场作为一种新型的流场结构，在传质运输方面有很多优异的特性，它一方面增加了反应气体的强制对流和排水能力，能够更均匀地分配反应气体到各分支流道；另一方面更有利于电池的热管理，又提高了电池的电化学反应效率，电化学反应产生的热量由中间向四周扩散，使电流密度更加均匀，从而使得整体燃料电池的电化学性能得以提升；挡板的增加有利于反应气的强制对流并提高了排水性能，单位时间内扩散到膜电极的反应气体的量增加。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

一种基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，包括气体流场，其特征在于：所述的气体流场呈矩形状，该气体流场的反应气进口和反应气出口位于气体流场的其中一条对角线的两端呈对角分布，在气体流场内分布有多个高度相同的脊和多块挡板，气体流场内由脊分隔为多条宽度相同的流道，挡板分别嵌置在位于气体流场的另一条对角线上的相应流道内且沿该对角线设置的全部挡板和位于该条对角线上的脊构成沿该对角线设置的流道坝，位于流道坝两端的两块挡板的高度与脊的高度相同且其它挡板的高度低于脊的高度；上述脊和挡板的设置构成了迷宫挡板结构的气体流场。