[发明专利]一种用于PEMFC的阴极流场板、双极板及PEMFC

说明书

本发明公开了一种用于PEMFC的阴极流场板、双极板及PEMFC，包括阴极流场板本体；若干气体流道间隔平行设置在阴极流场板本体的其中一个表面，若干冷却水流道间隔平行设置在阴极流场板本体的另一个表面；气体流道与冷却水流道一一对应设置；每个气体流道的截面积沿气体流动方向呈周期性变化；气体流道的每个截面积变化周期内，包括依次连通的突缩段、突扩段及气体直流段；相邻突缩段与突扩段的连接处形成气体流道咽喉，相邻气体流道上的气体流道咽喉交错设置；本发明通过周期性的气体流道咽喉，有效强化了对流传质性能；将相邻气体流道上的气体流道咽喉交错设置，有利于脊下多孔介质内积水的排出，有效提高了电池的输出性能。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种用于PEMFC的阴极流场板、双极板及PEMFC。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)作为一种直接将化学能转化为电能的高效能量转换设备，被广泛应用于便携式设备、交通及固定发电等领域。PEMFC单电池包括流场板、气体扩散层(Gas Diffusion Layer，GDL)和膜电极(Membrane Electrode Assembly，MEA)；其中，流场板(又称双极板)约占电池总成本的1/3，主要作用为隔离阴阳极反应物、提供膜电极支撑、收集反应电流、分配反应气体和导出反应热量和生成的水；根据流场板的制作材料划分，可以分为纯石墨双极板、金属双极板和复合双极板三大类。

当前，商业化的燃料电池堆中，纯石墨双极板由于加工效率低、功率密度低等缺点，已逐渐被市场所淘汰；而金属双极板和复合双极板成为两种主要的技术手段，常见的水冷燃料电池流场板中包含了阳极燃料流道、阴极空气流道和冷却水流道；这种“一板三流场”的构造，由阴极板和阳极板组装得到；其中，阴极板两侧都有流道沟槽，分别是阴极气体流道和冷却水流道，而阳极板仅有一侧存在流道沟槽。

相对于阳极氢气发生的氧化反应，阴极一端的反应动力学极为缓慢，阴极氧气的扩散系数较阳极氢气也低约一个数量级，且化学反应产生的水主要从阴极侧排出，因此，改善阴极侧流场的传质排水成为流场板设计的关键内容；流场板上流道结构的设计对其传质和排水的影响显著，较好的流场板结构一方面能够促进反应气体进入气体扩散层，从而较快到达催化层中的反应位点；另一方面，可以快速排出从多孔介质中溢出的液态水，防止堵塞反应气体向多孔电极中的传输；一个良好的流场板设计是实现质子交换膜燃料电池高性能输出的关键；除气体外，冷却水是带走电池产热主要媒质，一个合理的冷却水流道设计能够提高换热能力，在相同流量下，带走更多电池产热，更好的控制电池温度。

目前，商用流场板中，对气体流道设计多为二维平面内的设计，如常见的平行流道、蛇形流道或交指形流道等；在此类型的流场板中，气体主要依靠浓度差导致的扩散作用由流道中进入多孔电极，传质性能较差；尤其是在高电流密度下，反应物往往不能及时输送至多孔电极反应位置，造成电池性能急剧衰减；另外，目前常见的流道多为矩形直通道结构，沿流动方向流道横截面积不发生变化，由气体扩散层中排到流道中的水滴往往在气体扩散层表面以恒定状态运动，直至吹扫出流道；停留在气体扩散层表面的液滴会减小反应气体向多孔电极中扩散的有效面积，从而进一步恶化了传质过程。

关于冷却水流场板的设计，目前冷却水流道也多为矩形直通道，冷却水在其中流动时，换热能力有限；在设计气体流道和冷却水流道时，需综合考虑二者在同一块板上加工所带来的结构强度问题；考虑到流场板的厚度，当前的设计对冷却水流场改进空间很小。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种用于PEMFC的阴极流场板、双极板及PEMFC，以解决现有的平行直流道流场板中，气体流道的传质性能较差，易造成电池性能急剧衰减的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：