专利名称：一种具有主副双流道的燃料电池和水电解池流场板的制作方法
技术领域：
本发明属于燃料电池和水电解池的流场领域，特别涉及一种可用于质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池和质子交换膜水电解池的流场板结构。
背景技术：
在质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池和质子交换膜水电解池工作时，会生 成第二相，首先附着在扩散层与流道的交界面上，随着反应的进行，第二相逐渐长大。若不 能及时排出就会隔绝反应物与催化层，使反应终止。合理的流场板设计则能够降低第二相 分布不均勻和排出不畅的问题，所以流场板的设计就显得格外重要。传统的流场形式主要有点状流场、平行流场、蛇形流场和交指形流场等，这些流场 形式各有优缺点。点状流场流体流速比较低，所以排水能力比较差，但是保湿能力相对较 强，流体流动均勻性一般不够理想，流体在进出口连线区域的流动快，而在角落上可能有滞 流，出现浓差极化或水淹等问题。蛇形流场的优点是流体流速降低较少，流场区的燃料分布 较均勻，且由于流道的单向性，相较于平行沟槽型流场，生成的液体和气体比较容易排出。 然而由于多次弯折，流道相对较长，流动阻力较大，流道内的压降较大。平行流场能减小每 个流道中的质量流，并以更小的压降来提供更多的均勻物料分布。但是较长时间工作后生 成物分布不均，可能出现电压不稳定现象；一个流道中的一个第二相障碍将导致剩余流道 中流体的重新分配，并因此存在一个阻塞死区。目前一些新型流场板是根据仿生学或分形等设计，有一定优点，但是其与传统流 场板有一个共性，即流道都是在同一平面内的，反应物与生成物从同一个出口流出。一个出 口的流量有限，极有可能造成第二相的排出不畅。
发明内容
本发明的目的是针对现有流场板的第二相排出不利的问题，提供了一种能够有效 排出第二相的方案，能够使有第二相生成的质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池和质 子交换膜水电解池的稳定高效地运行。本发明是一种具有主副双流道的燃料电池和水电解池流场板，包括板体和密封板 (5)，所述的板体上有主流道(1)和分隔并形成主流道的脊(2)，所述的主流道(1)为挖空区 域，板体(5)为实体，其特征在所述的分隔并形成主流道的脊(2)上打出垂直于主流道(1) 的洞4 20个作为副流道入口通道(3)，所述的副流道入口通道(3)在流场板内部被连通 在一起，形成汇集体(4)，所述的副流道入口通道(3)分布于主流道(1)总长的一半至主流 道(1)的出口，深度大于主流道深度。本发明的另一个技术方案是上述的副流道入口通道的截面是矩形或圆形。本发明的再一个技术方案是上述的分隔并形成主流道的脊的宽度为0. 5 2mm， 所述的主流道的宽度为脊的宽度的0. 5 1. 5倍，所述的副流道入口通道的截面长或直径 为脊的宽度的0. 1 0. 5倍。
考虑到靠近主流道入口的部分反应物浓度仍然很高，生成的第二相还比较少，若 在此处设有副流道的入口通道，会造成反应物的浪费以及下游流道的反应物浓度不足。因 此，副流道的入口通道设置在远离主流道进料入口的流道下游区域。第二相主要在催化层中流场板的脊与MEA接触的部分产生，穿过扩散层后，未反 应完的物质和生成的第二相混合形成的二项流有两条流动路径可选，即流回主流道和流入 副流道的入口通道，由于主流道和副流道的入口流道相比有进料口，压力偏大，所以生成的 第二相更容易流入压力偏小的副流道的入口流道中。所以本发明的流场方案能够从主流道 里分流出一大部分的第二相，大大减小了主流道内的第二相含量。另外从流型角度分析，第二相从扩散层排出后，会在流道内形成小气泡或小液滴， 此时的流型是较易流动的泡状流。若在传统流场中，这些小气泡或小液滴会逐渐长大，形成 气弹流，前已述及，气弹流运动速度较慢，是会影响电池及电解池性能的。而在本发明的设 计方案中，这些小气泡或小液滴会在泡状流阶段优先流入副流道的入口通道中，然后顺着 该通道流入副流道的汇集体中。汇集体较为宽阔，第二相没有可以附着的脊和拐角，体积增 大也可以从副流道出口顺利排出。即使汇集体中的第二相没有及时排出，也不会阻隔反应 物与催化层的接触，从而避免了燃料电池或电解池性能上的波动。
为了引导第二相更好地流入副流道，在主流道的壁面和副流道的入口通道的壁面 分别进行相应的亲水性或疏水性处理。若应用于直接甲醇燃料电池的阳极流场板和质子 交换膜水电解池的阳极流场板，主流道壁采用亲水性材料或者进行亲水性处理，副流道壁 采用疏水性材料或者进行疏水性处理，这样生成的第二相气体由于表面张力的作用优先流 入副流道中；若应用于质子交换膜燃料电池的阴极流场板和直接甲醇燃料电池的阴极流场 板，主流道壁采用疏水性材料或者进行疏水性处理，副流道壁采用亲水性材料或者进行亲 水性处理，这样生成的第二相液体由于表面张力的作用优先流入副流道中。本发明具有如下优点改进了流场结构，加入了副流道设计，使得流场中气液两相流的流速均勻顺畅，解 决了第二相难以排出的问题。保证了流场各段区域内的MEA都能得到充足稳定的反应物供 应，使得燃料电池和电解池的工作状态更加稳定，工作效率更高。
图1为本发明的流场结构设计示意图。
具体实施例方式实施例1如图1，⑴为主流道，⑵为脊，(3)为副流道入口通道，⑷为副流道汇集体，(5) 为密封板。整个流场板长41mm，宽30mm，高2mm。主流道(1)为平行流场形式，脊(2)宽 2mm，主流道(1)宽1mm，深1mm，脊⑵和主流道(1)的截面均为正方形。副流道入口通道 (3)位于所在脊(2)的中间，是截面面积为ImmXlmm的正方形，深1. 2mm，呈点状非均勻分 布。从入口到出口共12条脊(2)，第5 8条上在靠近出口的位置有2个副流道入口通道
(3)，间隔为6mm，第9 12条上有3个副流道入口通道(3)，间隔为6mm。副流道的汇集体
(4)为41mmX26mmX0·2mm的长方体。密封板(5)长41mm，宽30mm，高0. 8mm。整个流场板采用金属制成，将板体的外缘与脊(2)接触的部分焊接起来以保证整个流场板具有良好的 密封性。实施例2整个流场板长80mm，宽60mm，高1. 8mm。主流道为蛇形流场形式，脊宽0. 5mm，流道 宽0. 75mm，深0. 8mm，截面为U形。副流道的入口通道位于脊上，截面为直径0. 05mm圆形， 深1mm，从主流道总长的一半至主流道的出口这部分的主流道两侧的脊上均勻分布着副流 道入口通道，副流道入口通道之间的间隔为5mm。副流道汇集体为点状流场，深0. 2mm,点状 脊长宽均为1mm。密封板为长80mm，宽60mm，高0. 8mm。实施例3 整个流场板长120mm，宽120mm，高2mm。主流道为点状流场形式，脊长1. 2mm,宽 1.2mm，流道宽1.4mm，深1mm。副流道的入口通道位于脊上，截面为直径0. 35mm圆形，深 1. 2mm，以主流道的出口为圆心，流场板长的一半为半径，在该范围内的点状脊上都有副流 道入口通道。副流道汇集体为60mmX60mmX0. 2mm的长方体，靠近主流道出口处。密封板 为长 1200mm，宽 120mm，高 0. 8mm。
权利要求
一种具有主副双流道的燃料电池和水电解池流场板，包括板体和密封板(5)，所述的板体上有主流道(1)和分隔并形成主流道的脊(2)，所述的主流道(1)为挖空区域，板体为实体，其特征在于所述的分隔并形成主流道的脊(2)上打出垂直于主流道(1)的洞4～20个作为副流道入口通道(3)，所述的副流道入口通道(3)在流场板内部被连通在一起，形成副流道汇集体(4)，所述的副流道入口通道(3)分布于主流道(1)总长的一半至主流道(1)的出口这部分的主流道(1)两侧的脊(2)上，深度大于主流道深度。
2.如权利要求1所述的一种具有主副双流道的燃料电池和水电解池流场板，其特征是 所述的副流道入口通道的截面是矩形或圆形。
3.如权利要求所述的一种具有主副双流道的燃料电池和水电解池流场板，其特征在 于，所述的分隔并形成主流道的脊的宽度为0. 5 2mm，所述的主流道的宽度为脊的宽度的 0. 5 1. 5倍，所述的副流道入口通道的截面长或直径为脊的宽度的0. 1 0. 5倍。
全文摘要
一种可用于质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池及质子交换膜水电解池的新型流场板，属于燃料电池流场技术领域，涉及一种具有主副双流道的燃料电池流场板设计。该流场发明适用于质子交换膜燃料电池的阳极、质子交换膜水电解池和直接甲醇燃料电池阴阳两极等会发生气液两相流的反应侧。本发明的主流场保证了反应物质的充足稳定的供应，副流场则能够及时有效地将反应生成的第二相排出，避免了因第二相的聚集而造成的流道气体阻塞或水淹，从而稳定了反应物的输送状态，保证了燃料电池和电解池的高效稳定工作。
文档编号H01M8/08GK101847732SQ20101019453
公开日2010年9月29日 申请日期2010年5月28日 优先权日2010年5月28日
发明者刘桂成, 张超, 王新东 申请人:北京科技大学