流场板和包括该流场板的燃料电池的制作方法

本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，本发明涉及流场板和包括该流场板的燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池(pemfc)具有高效率、高能量密度和低污染等优点，从而受到许多领域研究者的广泛关注。其中能量密度是衡量pemfc性能的重要指标，要想进一步提高电池的能量密度，一方面依赖于膜电极组件(mea)的设计，另一方面则取决于合理的流场板设计。流场板设计主要有以下目标：保证反应气体在流道面内分布均匀，并且有利于反应气体向气体扩散层中输运，同时促进阴极反应生成水的排出。

目前传统的流场板几何结构主要有平行流道、蛇形流道或交指型流道，其中气体在平行和蛇形结构流道内的流动为沿流道长度方向的一维或准一维流动，该流场板在大电流密度下会出现局部气体供应不足的现象，气体浓差极化增大，电池性能降低；在交指型流道内的流动为二维流动，气体沿流道流动的同时，在强制对流的作用下还具有冲向气体扩散层的速度分量，该型流场板具有压力损失大，在小电流密度下易出现膜干等缺点。

因而，现有的用于燃料电池的流场板仍有待改进。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出流场板和包括该流场板的燃料电池。该流场板通过在流道内设置螺旋肋片，可有效改善气体在流道内的流动，增强流道内气体的对流输运效应。

在本发明的一个方面，本发明了提出了一种流场板。根据本发明的实施例，该流场板包括：基体，所述基体上具有多个流道；多个螺旋肋片，所述多个螺旋肋片沿所述流道的长度方向分布在所述流道内，所述螺旋肋片的两端分别向相反的方向弯曲。由此，当气体通过具有螺旋肋片的流道时，在螺旋肋片的作用下，气体在沿流道长度方向流动的同时，在流道横截面内还将进行二次流动，使整个流道内气体的流动具有三维特性，从而增强了流道内气体的对流输运效应。将本发明的流场板应用于燃料电池，一方面有利于反应气体从流道向燃料电池的气体扩散层中进行传输，另一方面也有利于电极反应产物从气体扩散层向流道的传输，这将增加电极表面的反应气体浓度，提高电池的发电性能。

另外，根据本发明上述实施例的流场板还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述多个螺旋肋片与所述流道的长度方向呈一定角度的夹角为45°～135°。

在本发明的一些实施例中，所述螺旋肋片在长度方向上的截面为三角形、矩形、梯形、平行四边形、半圆形或带有圆角的四边形。

在本发明的一些实施例中，多个所述螺旋肋片沿所述流道的长度方向等间距分布。

在本发明的一些实施例中，所述流道在长度方向上的截面形状为半圆形。

在本发明的一些实施例中，所述螺旋肋片的高度与所述流道的深度之比为0.2～0.4。

在本发明的一些实施例中，所述流道为平行流道、蛇形流道或交指型流道。

在本发明的一些实施例中，所述流场板的基体由不锈钢、钛和钛合金中的至少之一形成。

在本发明的一些实施例中，所述流场板的基体由石墨形成。

在本发明的另一方面，本发明提出了一种燃料电池。根据本发明的实施例，该燃料电池包括：阴极流场板和阳极流场板，所述阴极流场板和阳极流场板中的至少之一为上述实施例的流场板。本发明的燃料电池通过采用上述实施例的流场板，可使流场板流道内气体的流动具有三维特性，从而增加流道内气体的对流输运效应，一方面有利于反应气体从流道向燃料电池的气体扩散层中进行传输，另一方面也有利于电极反应产物从气体扩散层向流道的传输，从而增加电极表面的反应气体浓度。由此，本发明的燃料电池发电性能更高。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1显示了根据本发明实施例的流场板的结构示意图；

图2显示了根据本发明实施例的流场板的前视图；

图3显示了根据本发明实施例的流场板的侧视图；

图4显示了根据本发明实施例的流场板的俯视图；

图5显示了根据本发明实施例的螺旋肋片的结构示意图；

图6显示了实施例1中燃料电池的结构示意图；

图7显示了实施例1流道中x，y，z三个方向速度分量沿流道长度方向(z方向)的变化；

图8显示了实施例1与比较例沿流道长度方向(z方向)的氧气(o2)摩尔浓度分布；

图9显示了实施例1与比较例沿流道垂直方向(y方向)的氧气(o2)摩尔浓度分布。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的一个方面，本发明了提出了一种流场板。根据本发明的实施例，参考图1～4，该流场板包括：基体100和多个螺旋肋片200。其中，基体100上具有多个流道110，多个螺旋肋片200沿流道110的长度方向分布在流道110内，螺旋肋片200的两端分别向相反的方向弯曲。由此，当气体通过具有螺旋肋片的流道时，在螺旋肋片的作用下，气体在沿流道长度方向流动的同时，在流道横截面内还将进行二次流动，使整个流道内气体的流动具有三维特性，从而增强了流道内气体的对流输运效应。将本发明的流场板应用于燃料电池，一方面有利于反应气体从流道向燃料电池的气体扩散层中进行传输，另一方面也有利于电极反应产物从气体扩散层向流道的传输，这将增加电极表面的反应气体浓度，提高电池的发电性能。

根据本发明的实施例，如图4所示，多个螺旋肋片200与流道110的长度方向的夹角α为45°～135°。由此，可进一步有利于气体在沿流道110长度方向流动的同时，在流道110横截面内发生螺旋二次流动，从而增加流道110内气体的对流输运效应。

根据本发明的实施例，如图5所示，螺旋肋片200在长度方向上的截面可以为三角形、矩形、梯形、平行四边形、半圆形或带有圆角的四边形。具体的，图5中，a为具有三角形截面的螺旋肋片的结构示意图；b为具有矩形截面的螺旋肋片的结构示意图；c为具有梯形截面的螺旋肋片的结构示意图；d为具有平行四边形截面的螺旋肋片的结构示意图；e为具有半圆形截面的螺旋肋片的结构示意图；f为具有带有圆角的四边形截面的螺旋肋片的结构示意图。另外，需要说明的是，在图1～4中，螺旋肋片200在长度方向上的截面为三角形。

根据本发明的实施例，多个螺旋肋片200在流道110中的分布间距并不受特别限制，多个螺旋肋片200可以沿流道110的长度方向等间距分布或不等间距分布。在一些实施例中，多个螺旋肋片200沿流道110的长度方向等间距分布，相邻两个螺旋肋片200的间距可以根据流道110的长度按比例进行调节。

根据本发明的实施例，螺旋肋片200的高度可根据流道110的深度按比例进行设计。根据本发明的具体实施例，如图2所示，螺旋肋片200的高度h与流道110的深度d之比为0.2～0.4。由此，可进一步有利于气体在沿流道110长度方向流动的同时，在流道110横截面内发生螺旋二次流动，从而增加流道110内气体的对流输运效应。当h与d的比值太小(<0.2)，流道内气体的对流输运效果不明显；当h与d的比值太大(>0.4)，在大电流密度工况下螺旋肋片会阻碍生成水的排出。

根据本发明的实施例，流道110在长度方向上的截面形状可以为半圆形，当流道100在长度方向上的截面为半圆形时，流道100的深度d即为流道100的截面半圆的半径。

根据本发明的实施例，上述流道110可以为平行流道、蛇形流道或交指型流道。也即是说，通过平行流道、蛇形流道或交指型流道中形成螺旋肋片200，可有效改善气体在流道内的流动，增强流道内气体的对流输运效应，从而提高具有该流场板的燃料电池的发电性能。

根据本发明的实施例，用于形成流场板基体100的材料并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。在一些实施例中，流场板的基体100可以由不锈钢、钛和钛合金中的至少之一形成。由此，螺旋肋片200可通过对流场板的基体100进行冲压成型工艺形成在流道110中。在另一些实施中，流场板的基体100可以由石墨形成。由此，螺旋肋片200可通过对流场板的基体100进行机械加工工艺形成在流道110中。

在本发明的另一方面，本发明提出了一种燃料电池。根据本发明的实施例，该燃料电池包括：阴极流场板和阳极流场板，所述阴极流场板和阳极流场板中的至少之一为上述实施例的流场板。本发明的燃料电池通过采用上述实施例的流场板，可使流场板流道内气体的流动具有三维特性，从而增加流道内气体的对流输运效应，一方面有利于反应气体从流道向燃料电池的气体扩散层中进行传输，另一方面也有利于电极反应产物从气体扩散层向流道的传输，从而增加电极表面的反应气体浓度。由此，本发明的燃料电池发电性能更高。

需要说明的是，前文针对流场板所描述的特征和优点同样适用于上述燃料电池，在此不再一一赘述。

下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。

实施例1

利用本发明的流场板制备得到质子交换膜燃料电池，其单流道结构如图6所示(图6中，1-阴极流道，2-截面为三角形的螺旋肋片，3-阴极气体扩散层，4-阴极催化层，5-质子交换膜，6-阳极催化层，7-阳极气体扩散层，8-阳极流道)，在本实施例中，阴极流场板材料为不锈钢，通过对阴极流场板进行冲压成型，在阴极流道中形成螺旋肋片，流道截面为半圆形，半径0.75mm，流场板的厚度为0.1mm，长度为100mm。

阴极流道内沿流道长度方向z等间距分布有截面为等腰三角形(顶角30度，高0.25mm)的螺旋肋片2，螺旋肋片总数为40片，间隔为2.5mm，第一片距离流道入口为1.5mm，最后一片距离流道出口为1mm。

阴极流场板与厚度为200mm的阴极气体扩散层3(碳纸)接触，在阴极气体扩散层3上涂覆有厚度为10mm的阴极催化层4，质子交换膜5的厚度为30μm。

比较例1

按照与实施例1基本相同的方法制备得到质子交换膜燃料电池，区别在于，阴极流道中不具有螺旋肋片。

比较例2

按照与实施例1基本相同的方法制备得到质子交换膜燃料电池，区别在于，阴极流道中的螺旋肋片与阴极流道的长度方向z垂直(相当于图2中的夹角α为90度)。

为了简化计算，只考虑质子交换膜燃料电池中如图6所示的单流道，通过计算流体力学模拟实施例1和比较例1和2中燃料电池的工作过程，电流密度(i)为1a/cm²，化学计量数为2.5，阴极入口空气质量流量为1.66×10^-6kg/s。阴极催化层4中o2的消耗量为水蒸气的生成量为式中δcl为阴极催化层的厚度，f为法拉第常数，为氧气的摩尔质量，为水的摩尔质量。

实施例1中x,y,z三个方向速度分量沿流道长度方向z的变化趋势如图7所示，除了沿流道长度方向z的速度分量外，同时x和y方向均有明显的速度分量。在气体扩散层和催化层交界面处的o2摩尔浓度随流道长度方向z的变化如图8所示，实施例1中的o2摩尔浓度均要大于比较例1和2。图9进一步说明了o2摩尔浓度沿流道垂直方向y的分布，实施例1流道底部o2的浓度小于比较例1和2，实施例1流道上部分、阴极气体扩散层3和阴极催化层4中o2摩尔浓度都要大于比较例1和2。

通过以上结果可以看出，气体在具有螺旋肋片的流道中的流动为三维流动，流道内气体的对流输运效应增强，一方面有利于反应气体从流道向气体扩散层中进行传输，另一方面也有利于反应产物从气体扩散层向流道内的传输。这将增加电极表面的反应气体浓度，提高电池的发电性能。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。