一种燃料电池流体微分流场极板的制作方法

本发明属于燃料电池领域，特别涉及一种流体微分流场极板。

背景技术：

燃料电池是一种直接将燃料中的化学能转化为电能的装置，能够实现对燃料的高效清洁利用，因而是缓解日益突出的能源、环境问题的有效途径之一。电池极板是燃料电池的重要部件，主要起到分配流体、导电和支撑电池结构的作用。

流场中的流体主要包括反应气体氢气、氧气(或空气)以及反应产物水(气态或液态)，对燃料电池的性能有着重要的影响。反应气体不足会降低电池效率，反应气体分布不均会导致局部电化学反应速率减缓甚至无法进行，不仅会造成电池性能下降，甚至还会由于电流密度分布不均而造成电极局部过热，降低电池寿命；反应产物水在流场中的堆积会影响催化反应界面的电化学反应，降低燃料电池效率。

基本流场形式有蛇形流道、平行流道、平行蛇形流道、交指流道、螺旋流道和网格流道等。蛇形流道在流场板上从入口到出口只有一条流道，能够迅速排出燃料电池生成的液体水，但对于面积较大的流场板，会因流道过长造成反应气压降过大、在流道后段反应气供应不足等问题；平行流道具有数目较多的平行并联形式的流道，流道阻力小，但由于气体流速慢，水不易排出，容易造成电极水淹；平行蛇形流道设计涵盖了蛇形流道和平行流道的设计，具有较大的灵活性，流道长度和数目及流道的尺寸都可以调整；交指流道是不连续的，流体被强制通过扩散层，提高电极利用率，但是扩散层阻力较大，流体压力降较大，且催化剂层有可能被破坏；螺旋流道与蛇形流道相似，排水能力较好，但压降较大，流动易发生短路；网格流场是放弃流道的一种做法，通常是将阻挡物规则地排列在流体进出口之间，使流体在阻挡物间的孔隙中绕流，这种流道中的流体流速较低，排水能力较差，流体流动均匀性较差，易在角落处出现水淹。

目前的极板流场皆采用了相近的方式，整个流道皆平行于极板平面，反应气体从入口出发，在极板面内沿流道流动至出口，流体流经路径较长。这种流道形式存在明显的弊端，流体在流动过程中不断被消耗，造成接近出口处反应气体比入口处反应气体稀薄，平面内电化学反应速率形成差异，电流密度分布不均，影响电池性能；此外，对于有反应产物水生成的一侧极板，水分子会进入极板流道，越靠近出口处，水分子含量越高，水分子在流场中的堆积会影响催化反应界面的电化学反应，进一步增大平面内电化学反应速率差异，影响电流密度分布均匀性，降低燃料电池效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有燃料电池极板流道流体分布均匀性差的弊端，提供一种使极板平面内各部位流体分布均匀且排水性能好的流体微分流场极板。

本发明一种燃料电池流体微分流场极板，由流道板和盖板组成，流道板上设置有气体流场与冷却水流场；所述气体流场包括气体入口、气体出口、进气主流道、排气主流道、进气分流道、排气分流道、进气段、扩散段和排气段，其中进气段、扩散段和排气段组成了扩散单元；气体入口与气体出口为圆柱形孔，均垂直于流道板平面且呈对角线布置；流道板的正面和背面设置有平行的进气主流道和排气主流道，进气主流道和排气主流道形成两条凹槽，且分别与气体入口和气体出口连通；流道板的背面设置有相互平行、间隔分布的相同数量的多条进气分流道和排气分流道，形成多条凹槽，进气分流道和排气分流道与进气主流道和排气主流道垂直布置，且进气分流道与进气主流道连通，排气分流道与排气主流道连通；流道板正面进气主流道和排气主流道之间的位置设置有平行于进气主流道和排气主流道的多排多列扩散段，扩散段的列数等于进气分流道和排气分流道的个数，每列扩散段形成的多条凹槽位于对应的进气分流道和排气分流道在极板正面的投影之间，且其长度等于对应的进气分流道和排气分流道之间的距离；每条扩散段的两端分别通过垂直于流道板平面的进气段和排气段与进气分流道和排气分流道连通；所述冷却水流场包括冷却水入口、冷却水出口、进水主流道、排水主流道和冷却水工作流道；冷却水入口和冷却水出口为圆柱形孔，垂直于流道板平面呈对角线布置，且冷却水入口和冷却水出口与气体入口和气体出口相比更靠近流道板的边缘；进水主流道和排水主流道设置于流道板的背面，且平行于进气主流道和排气主流道，并分别与冷却水入口和冷却水出口连通；冷却水工作流道设置于流道板背面对应的进气分流道和排气分流道之间位置，与进气分流道和排气分流道平行且数量相同，每条冷却水工作流道的两端分别与进水主流道和排水主流道连通；盖板与流道板的对应位置处设置气体入口、气体出口、冷却水入口和冷却水出口，盖板设置于流道板的背面。

本发明一种燃料电池流体微分流场极板，所述扩散单元各段的截面积相同，且小于进气分流道和排气分流道的截面积，进气分流道和排气分流道的截面积小于进气主流道和排气主流道的截面积。

本发明一种燃料电池流体微分流场极板，所述扩散单元的扩散段为矩形槽，槽的宽度与深度范围都为0.3mm到1mm，同列相邻扩散段之间的距离小于或等于槽的宽度，相邻两列扩散段之间的距离小于或等于槽的宽度。

本发明一种燃料电池流体微分流场极板，所述进气主流道与进气分流道的连通以及排气主流道与排气分流道的连通为搭接方式，进气主流道和排气主流道与进气分流道和排气分流道不在同一平面内。

本发明一种燃料电池流体微分流场极板，所述扩散段的槽边缘进行倒圆角处理。

本发明一种燃料电池流体微分流场极板，所述扩散段的槽底面可以设置为弧形面，便于加工和清理。

本发明一种燃料电池流体微分流场极板，流道板与盖板的材料为导电材料，所述盖板与流道板背面的实体部分通过粘接密封材料进行固定密封。

本发明一种燃料电池流体微分流场极板，工作过程中，反应气体从气体入口进入进气主流道，由于进气主流道与进气分流道的搭接连通方式，气体优先充满整个进气主流道，使得流体微分后进入各进气分流道的气体流量相近；进入各进气分流道的气体经过再次流体微分作用后进入并联的各个扩散单元，不同扩散单元之间没有相互影响，保证流经不同扩散单元内的反应气体流量相近。扩散单元内的气体经进气段进入扩散段，部分气体在扩散段进入燃料电池的气体扩散层，剩余气体经排气段进入排气分流道，各排气分流道排出的气体在排气主流道汇集，并从气体出口排出。

由以上技术方案可知，本发明的有益效果是：

1.气体经过两次流体微分作用后，可以较为均匀地分布在整个气体扩散层表面，各扩散段内气体同时向气体扩散层扩散，并且各扩散段气体的消耗不会对其他扩散段产生影响，可以从根本上解决燃料电池电流密度分布不均的问题。

2.对于有水生成的极板，水分主要从气体扩散层进入各扩散段，由于扩散段很短，生成的水不会发生积聚，会迅速从扩散段进入排气段，经排气分流道和排气主流道最终排出到出口，对于弧形的扩散段，排水效果更好。由于生成的水分不会流经其他扩散段，也不会在扩散段内发生积聚，因此不会影响催化反应界面的电化学反应，提高电池性能。

附图说明

图1为本发明一种燃料电池流体微分流场极板结构示意图；

图2为图1的断面示意图；

图3为本发明一种燃料电池流体微分流场极板的流道板正面结构示意图；

图4为本发明一种燃料电池流体微分流场极板的流道板背面结构示意图；

图5为本发明一种燃料电池流体微分流场极板的流场结构示意图；

图6为本发明一种燃料电池流体微分流场极板的流场投影视图；

图7为本发明一种燃料电池流体微分流场极板的冷却水流场结构示意图；

图8为本发明一种燃料电池流体微分流场极板的盖板结构示意图；

图9为本发明一种燃料电池流体微分流场极板的弧形面扩散段的极板断面示意图。

图中：1.极板，2.气体入口，3.气体出口，4.进气主流道，5.排气主流道，6.进气分流道，7.排气分流道，8.扩散单元，9.冷却水入口，10.冷却水出口，11.进水主流道，12.排水主流道，13.冷却水工作流道，81.进气段，82.扩散段，83.排气段，84.弧形面，101.流道板，102.盖板。

具体实施方式：

本发明一种燃料电池流体微分流场极板，由流道板101和盖板102组成，如图1和图2所示，流道板101上设置有气体流场与冷却水流场；所述气体流场包括气体入口2、气体出口3、进气主流道4、排气主流道5、进气分流道6、排气分流道7、进气段81、扩散段82和排气段83，其中进气段81、扩散段82和排气段83组成了扩散单元8；气体入口2与气体出口3为圆形孔，均垂直于流道板101平面且呈对角线布置，如图3所示；流道板101的正面两侧设置有平行的进气主流道4和排气主流道5，进气主流道4和排气主流道5形成两条凹槽，且分别与气体入口2和气体出口3连通；流道板101的背面设置有相互平行、间隔分布的相同数量的多条进气分流道6和排气分流道7，形成多条凹槽，进气分流道6和排气分流道7与进气主流道4和排气主流道5垂直布置，且进气分流道6与进气主流道4连通，排气分流道7与排气主流道5连通；如图4-图6所示。流道板101正面进气主流道4和排气主流道5之间的位置设置有平行于进气主流道4和排气主流道5的多排多列扩散段82，扩散段82的列数等于进气分流道6和排气分流道7的个数，每列扩散段82形成的多条凹槽位于对应的进气分流道6和排气分流道7在极板1正面的投影之间，且其长度等于对应的进气分流道6和排气分流道7之间的距离；每条扩散段82的两端分别通过垂直于流道板101平面的进气段81和排气段83与进气分流道6和排气分流道7连通，；所述冷却水流场包括冷却水入口9、冷却水出口10、进水主流道11、排水主流道12和冷却水工作流道13；冷却水入口9和冷却水出口10为圆形孔，垂直于流道板101平面呈对角线布置，且冷却水入口9和冷却水出口10与气体入口2和气体出口3相比更靠近流道板101的边缘；进水主流道11和排水主流道12设置于流道板101的背面，且平行于进气主流道4和排气主流道5，并分别与冷却水入口9和冷却水出口10连通；冷却水工作流道13设置于流道板101背面对应的进气分流道6和排气分流道7之间位置，与进气分流道6和排气分流道7平行且数量相同，每条冷却水工作流道13的两端分别与进水主流道11和排水主流道12连通，如图7所示；盖板102与流道板101的对应位置处设置气体入口2、气体出口3、冷却水入口9和冷却水出口10，如图8所示，盖板102设置于流道板101的背面。

本发明一种燃料电池流体微分流场极板，所述扩散单元8各段的截面积相同，且小于进气分流道6和排气分流道7的截面积，进气分流道6和排气分流道7的截面积小于进气主流道4和排气主流道5的截面积。

本发明一种燃料电池流体微分流场极板，所述扩散单元8的扩散段82为矩形槽，槽的宽度与深度范围为0.3mm到1mm，同列相邻扩散段82之间的距离小于或等于槽的宽度，相邻两列扩散段82之间的距离小于或等于槽的宽度。

本发明一种燃料电池流体微分流场极板，所述进气主流道4与进气分流道6的连通以及排气主流道5与排气分流道7的连通为搭接方式，进气主流道4和排气主流道5与进气分流道6和排气分流道7不在同一平面内。

本发明一种燃料电池流体微分流场极板，所述扩散段82的槽边缘进行倒圆角处理。

本发明一种燃料电池流体微分流场极板，所述扩散段82的槽底面可以设置为弧形面84，如图9所示。

本发明一种燃料电池流体微分流场极板，流道板101与盖板102的材料为导电材料，所述盖板102与流道板101背面的实体部分通过粘接密封材料进行固定密封。

下面以本发明一种燃料电池流体微分流场极板为例，对本发明进行说明：

气体扩散层截面尺寸为20mm×20mm的燃料电池，组成极板1的流道板101和盖板102的截面尺寸设计为30mm×30mm，盖板102厚度0.7mm，流道板101厚度为1.8mm。位于流道板101正面的各扩散段82的槽深0.5mm，在20mm×20mm的正方形位置均匀排列。各扩散段82宽度为0.5mm，同列内相邻扩散段82之间的间隔为0.5mm，每列扩散段82内包含扩散段82的个数为20；扩散段82的长度为3mm，相邻两列扩散段82之间的距离为0.5mm，扩散段82的列的数目为6；位于所述正方形四周边缘位置的扩散段82可以局部超出正方形边缘。位于流道板101背面的进气分流道6和排气分流道7的槽宽为0.5mm，槽深为0.8mm，并通过截面尺寸为0.5mm×0.5mm的进气段81、排气段83与扩散段82连通；进气分流道6沿长度方向向一侧延伸至进气主流道4，排气分流道7沿长度方向向另一侧延伸至排气主流道5。位于流道板101正面的进气主流道4与排气主流道5的槽深1mm，槽宽1.2mm，分别与进气分流道6和排气分流道7搭接相通。气体入口2与气体出口3分别与进气主流道4与排气主流道5相通，且截面直径为2mm。位于流道板101背面的冷却水流场各流道槽深皆为0.5mm，其中，冷却水工作流道13槽宽1mm，进水主流道11和排水主流道12的槽宽2mm；冷却水入口9和冷却水出口10的截面直径3mm。

工作过程中，反应气体从气体入口2进入进气主流道4，由于进气主流道4与进气分流道6的搭接连通方式，气体优先充满整个进气主流道4，使得流体微分后进入各进气分流道6的气体流量相近；进入各进气分流道6的气体经过再次流体微分作用后进入并联的各个扩散单元8，不同扩散单元8之间没有相互影响，保证流经不同扩散单元8内的反应气体流量相近。扩散单元8内的气体经进气段81进入扩散段82，部分气体在扩散段82处进入燃料电池的气体扩散层，剩余气体经排气段83进入排气分流道7，各排气分流道7排出的气体在排气主流道5汇集，并从气体出口3排出。可以看出，此种结构设计使得气体经过两次流体微分作用后，可以较为均匀的分布在整个气体扩散层表面，各扩散段82内气体同时向气体扩散层扩散，并且各扩散段82气体的消耗不会对其他扩散段82产生影响，可以从根本上解决燃料电池电流密度分布不均的问题。

此外，对于有水生成的极板1，水分主要从气体扩散层进入各扩散单元8的扩散段82，由于扩散段82很短，生成的水不会发生积聚，会迅速从扩散段82进入排气段83，经排气分流道7和排气主流道5最终排出到出口，对于弧形的扩散段82，排水效果更好。由于生成的水分不会流经其他扩散段82，也不会在扩散段82内发生积聚，因此不会影响催化反应界面的电化学反应，提高电池性能。