一种燃料电池导流极板的制作方法

1.本发明涉及一种燃料电池导流极板，属于燃料电池领域。


背景技术：

2.氢燃料电池对环境无污染。它是通过电化学反应，而不是采用燃烧(汽、柴油)或储能(蓄电池)方式－－最典型的传统后备电源方案。燃烧会释放像cox、nox、sox气体和粉尘等污染物。如上所述，燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过可再生能源产生的(光伏电池板、风能发电等)，整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程。
3.在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(mea)一般均放在两块导电的极板中间，每块导流电极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导流电极板可以是金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流电极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流极板与阴极氧化剂的导流极板。这些导流极板既作为电流集流母板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流极板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。
4.对于极板的优化是现在氢燃料电池性能优化的其中一个重要方向，如现有技术中申请号为cn201811372401.4所公开的一种燃料电池导流板，其改进了过往的电极板的流道结构，在一定程度上提高了燃料电池的发电效率。但是其技术方案存在下述缺陷，在一定程度上影响了发电效率的进一步的提高。其缺陷为：
5.1)l处的截面积大于或等于n处的截面积，因此反应气体不能在流场中形成有效的扩散，气体从l到n在到l的过程中，这种流道经过实验证明，只有分流功能，没有有效的扩散作用，因此，对发电性能有较大的影响；
6.2)每个流道之间的压差很小，反应气流不易进入，因此这部分的反应气体和催化剂接触不好，发电性能不高，而且流道之间gdl中的水也不易排出；
7.3)如果l处的宽度尺寸d太大，由于这部分gdl没有支撑，因此这部分的gdl会压入流道中，会占据部分流道体积，因此，即使l处的尺寸d大于n处流道截面尺寸，由于被gdl占据部分截面，所以两部分的压差也会很小，不能起到专利中说的由于压差原因引起的气体扩散。


技术实现要素：

8.针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种燃料电池导流极板。
9.为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是，一种燃料电池导流极板，其导流极板(1)上构建有多条流体通道(2)，同一条所述流体通道(2)被构建为由多个分流汇流单元组成的形式；每个所述分流汇流单元中间至少构建有一个呈流线型的导流岛(3)，导流岛(3)被构建为在流体通道(2)中间凸起的凸块；所述导流岛(3)将分流汇流单元的所述流体
通道(3)至少分成两个分流通道(4)；所述导流岛(3)前端的流体通道(2)的宽度小于全部分流通道(4)的宽度之和。
10.优化的，上述燃料电池导流极板，导流岛(3)前端的所述流体通道(2)的截面面积小于全部分流通道(4)的截面面积之和；所述截面面积为垂直于流体流向的截面的面积。
11.优化的，上述燃料电池导流极板，在流体流动方向上，导流岛(3)前端的所述流体通道(2)的截面面积小于等于全部分流通道(4)的截面面积之和的70％。
12.优化的，上述燃料电池导流极板，导流岛(3)内设有至少一条微流道(7)，所述微流道(7)以宽度小于流体通道(2)的宽度且也小于分流通道(4)的宽度的设置方式改变流体通道(2)内各位点的流速和压力，形成迫使流体多向流动的压力差。
13.优化的，上述燃料电池导流极板，分流汇流单元还包括分流段(101)和汇流段(102)，所述导流岛(3)将所述分流段(101)、所述汇流段(102)之间的所述流体通道(2)至少分成两个分流通道(4)；所述分流段(101)在所述导流岛(3)前端并被至少两个分流通道(4)分流，至少两个分流通道(4)在所述导流岛(3)后端合并且形成汇流段(102)。
14.优化的，上述燃料电池导流极板，导流岛(3)的底部设有扩散层(5)，在流体沿流体通道(2)流经汇流段(102)、分流通道(4)时流速的变化带来流体压力的变化形成压差，所述压差迫使流体进入与导流板(1)贴合的扩散层(5)中并带走在催化剂层(10)上生成的水。
15.优化的，上述燃料电池导流极板，邻流体通道(2)内的导流岛(3)交错设置，各分流汇流单元的分流段(101)以及分流通道(4)的前段所在区域为扩散区(b)，各分流汇流单元的分流通道(4)的后段以及汇流段(102)所在区域为收敛区(d)；一条流体通道(2)的扩散区(b)与相邻流通通道的收敛区(d)相邻，扩散区(b)的流体压力与收敛区(d)流体压力不同；在相邻的扩散区(b)和收敛区(d)的侧壁(6)两侧形成压差的情况下，压力差促使流体以在侧壁(6)下端的扩散层(9)中扩散和流动并进入相邻流体通道(2)的方式将反应介质传递和扩散到所述侧壁(6)底部区域和排除所述侧壁(6)底部的扩散层(9)中的生成水。
16.优化的，上述燃料电池导流极板，在同一分流汇流单元中，分流通道(4)中段的截面面积之和为s1、分流通道(4)中段处的全部微流道(7)截面面积之和为s2，s1与s2之和小于分流通道(4)在流体流向上的出口处的截面面积。
17.优化的，上述燃料电池导流极板，s1与s2之和小于分流通道(4)在流体流向上的出口处的截面面积的90％；分流通道(4)中段的深度尺寸小于分流通道(4)在流体流向上出口处的深度尺寸。
18.优化的，上述燃料电池导流极板，在同一分流汇流单元中，s1与s2之和小于分流通道(4)在流体流向上出口处截面面积的设置方式改变分流通道(4)、微流道(7)内的流速和压力，形成迫使流体多向扩散流动的压力差。
19.本技术的有益效果为：
20.(1)减小导流岛(3)前端的流体通道(2)的截面面积，使得导流岛(3)前端的流体通道(2)的截面面积至少缩小至全部分流通道(4)的截面面积之和的70％，a和b之间就形成了一个雾化喷嘴，不是简单的分流作用，使反应气体具有很强的扩散作用，使反应气体具有多维流动功能，可以更好的进入gdl中，和催化剂更充分的接触，有效的提高发电效率。
21.(2)分流通道(4)进口上部分的流量大于下部分的流量，由于在微流道(7)进口处分流通道(4)有突变，因此会有部分流量进去微流道(7)，所以导流岛(3)处的催化层也能有
效的利用，可以提高发电性能。
22.(3)由于导流极板(1)内构件的全部流体通道都是扩散、分流、扩散、合并这样循环，所以全部流体通道都是处于高效的利用状态，保证了发电的均匀性。
23.(4)由于截面尺寸的剧变，使多个部分的流道都像喷嘴一样，将流经的流体进行喷嘴雾化处理并使流体流经后处于雾化状态，所以整个流道中产生的液态水都是处于雾化状态的水，提高了整个流道的排水功能。
附图说明
24.图1是本技术的导流板的结构示意图；
25.图2是第一种分流汇流单元的结构示意图；
26.图3是第二种分流汇流单元的结构示意图；
27.图4是第三种分流汇流单元的结构示意图；
28.图5是第四种分流汇流单元的结构示意图；
29.图6为多条相邻流体通道的结构示意图；
30.图7为流体流经相邻流体通道的立体示意图；
31.图8为流体经过分流汇流单元流通的立体示意图。
具体实施方式
32.下面结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的技术特点。
33.如图所示，本发明为一种燃料电池导流极板，该导流极板(1)上通过蚀刻等方式构件多条流体通道(2)，流体通道(2)被构建为由分流汇流单元首尾相接为一条连续的通道的形式。每个分流汇流单元中间至少构建有一个呈流线型的导流岛(3)，导流岛(3)被构建为在流体通道(2)中间凸起的凸块；导流岛(3)将分流汇流单元的所述流体通道(3)至少分成两个分流通道(4)。流体在经过分流汇流单元的导流岛(3)的a截面时，被分流至两条分流通道(4)，并在流体流过d截面后，两条分流通道(4)内流经的流体被合二为一，形成波浪状的连续分流、合流的连续通道。
34.如图1所示，本发明的流道，采用直流道设计，增加流道数量，增加极板面积，可以提高单极板的发电量，因此更容易设计大功率的电堆。
35.此实施例中，通过控制流体通道(2)的分流汇流单元各处的宽度，来调整流体通道(2)各处的截面面积，进而调整整流体在流体通道(2)各位置处的流速和流体状态。
36.导流岛(3)将分流段(101)、所述汇流段(102)之间的流体通道(2)分成两个分流通道(4)。分流段(101)在导流岛(3)前端并被两个分流通道(4)分流，两个分流通道(4)在导流岛(3)后端合并且形成汇流段(102)。
37.由于整个流道都是扩散、分流、扩散、合并这样循环，所以整个流道都是处于高效的利用状态，保证了发电的均匀性。
38.导流岛(3)的底部设有扩散层(5)，在流体沿流体通道(2)流经汇流段(102)、分流通道(4)时流速的变化带来流体压力的变化形成压差，所述压差迫使流体进入与导流板(1)贴合的扩散层(5)中并带走在催化剂层(10)上生成的水。
39.在现有技术中，存在一个技术偏见，如申请号为cn201811372401.4公开的一种燃
料电池导流板，其技术方案中的流体通道合并段通道的直径或宽度d大于或等于多条分流通道的直径或宽度之和，即流体通道的可流经流体的截面面积大于多条分流通道可流经流体的截面面积之和，现有技术的偏见认为这样才能使流体具有更高的扩散型。但是，实际情况却与之相反。本技术中将导流岛(3)前端的流体通道(2)的宽度设置为小于全部分流通道(4)的宽度之和。尤其是，将导流岛(3)前端的所述流体通道(2)的截面面积小于全部分流通道(4)的截面面积之和，经过实验，这样的设计会有更好的发电效率。
40.上述的截面面积的截面指的是垂直于流体流向的截面。此实施例中，在流体流动方向上，将导流岛(3)前端的流体通道(2)的截面面积设置为小于等于全部分流通道(4)的截面面积之和的70％。即把图中a处的宽度尺寸大幅度减小，使a处截面积相对于b处的截面积要减小30％以上，从而使得图中a处和b处之间就形成了一个雾化喷嘴。这样的设置使得分流通道(4)的进口处不再是简单的分流作用，而是使得反应气体具有很强的扩散作用，使反应气体具有多维流动功能，可以更好的进入扩散层中，和催化剂更充分的接触，有效的提高发电性能。
41.在此时实例中，可以通过调整分流段(101)、分流通道(4)的宽度和/或深度来调整分流段(101)、分流通道(4)的截面面积，进而调整流体在流体通道(2)内各处的流动状态和扩散性能。
42.如在保持流体通道(2)各位置点流道深度相同的情况下，改变分流段(101)的宽度d与两条分流通道(4)的宽度d1、d2的关系，使得d≤(d1 d2)*70％，，两条分流通道(4)的宽度d1、d2相同或不同均可。这样流体从分流段(101)进入两条分流通道(4)时，由于流道面积增大，使得反应流体被扩散，使反应流体具有多维流动。
43.导流岛(3)内还设有多条微流道(7)，微流道(7)以宽度小于流体通道(2)的宽度且也小于分流通道(4)的宽度的设置方式改变流体通道(2)内各位点的流速和压力，形成迫使流体多向流动的压力差。导流岛(3)内的多条微流道(7)组成的流体通道呈弧形，如图2所示。
44.在实际设计过程中，微流道(7)还可以根据需要设置为其他多种不同的形式，其他微流道的形式如图3、图4所示。或者可以不设置微流道(7)，如图5所示。
45.微流道(7)的设置，也是为了进一步改变流体通道(2)内各位点的流速和压力，形成压力差，迫使流体更好的进入流体扩散层流动。微流道(7)的深度小于流体通道(2)合并段通道的深度，也小于分流通道(4)的深度。
46.相邻流体通道(2)内的导流岛(3)交错设置，各分流汇流单元的分流段(101)以及分流通道(4)的前段所在区域为扩散区(b)，各分流汇流单元的分流通道(4)的后段以及汇流段(102)所在区域为收敛区(d)；一条流体通道(2)的扩散区(b)与相邻流通通道的收敛区(d)相邻，扩散区(b)的流体压力与收敛区(d)流体压力不同；在相邻的扩散区(b)和收敛区(d)的侧壁(6)两侧形成压差的情况下，压力差促使流体以在侧壁(6)下端的扩散层(9)中扩散和流动并进入相邻流体通道(2)的方式将反应介质传递和扩散到所述侧壁(6)底部区域和排除所述侧壁(6)底部的扩散层(9)中的生成水。
47.相邻流体通道(2)内的导流岛(3)交错设置，各流体通道(2)的分流通道(4)所在的区域为扩散区(b)，合并段通道所在的区域为收敛区(d)，一条流体通道(2)的扩散区(b)与相邻流通通道的收敛区(d)相邻，扩散区(b)的流体压力趋于增加而收敛区(d)流体压力趋
于减少，这种压力变化会在相邻的扩散区和收敛区的侧壁(6)两侧形成压差，该压差促使流体在侧壁(6)下端的扩散层(9)中扩散和流动(如图8所示)，从压力高的一端穿过侧壁(6)底部扩散层(9)向相邻的压力低的流体通道(2)流动，进入相邻流体通道(2)，不仅改善了扩散层(9)中反应介质的传递，还能有助于排出侧壁(6)底部扩散层(9)的生成水避免多孔扩散层(9)在形成淤塞。
48.此实施例中，在同一分流汇流单元中，分流通道(4)中段的截面面积之和为s1、分流通道(4)中段处的全部微流道(7)截面面积之和为s2，s1与s2之和小于分流通道(4)在流体流向上的出口处的截面面积，即图中的c处的截面面积相小于图中d处的截面面积。其最佳的方案为，s1与s2之和小于分流通道(4)在流体流向上的出口处的截面面积的90％，但是s1与s2之和小于分流通道(4)在流体流向上的出口处的截面面积的80％也可。
49.通过上述方式，使得图中c处和d处之间也形成了一个雾化喷嘴，使反应气体在c处和d处之间也具有很强的扩散作用，反应气体可以更好的进入扩散层中，和催化剂更充分的接触，也会有效的提高发电性能。
50.并且，由于图中a处截面尺寸小于c处截面尺寸，因此a处压力高于c处，所以两个流道之间被压住部分扩散层中就会有反应气体通过，也会有效的提高发电性能。
51.图中c处的截面面积相小于图中d处的截面面积的实现方式是：分流通道(4)中段的深度尺寸小于分流通道(4)在流体流向上出口处的深度尺寸。
52.在同一分流汇流单元中，s1与s2之和小于分流通道(4)在流体流向上出口处截面面积的设置方式改变分流通道(4)、微流道(7)内的流速和压力，形成迫使流体多向扩散流动的压力差。
53.由于截面尺寸的剧变，使每一个小部分的流道都像喷嘴一样，处于雾化状态，所以整个流道中产生的液态水都是处于雾化状态的水，提高了整个流道的排水功能。并且，雾化状态的水，可以使反应气体的湿度更加的均匀，可以提高反应效率，提高发电量，因此本设计的极板具有保湿功能。
54.实施例2
55.各流体通道(2)中间设有多个导流岛(3)，使流体通道(2)在经过每个导流岛(3)时分成三个流道，并在经过导流岛(3)后有合为一路，形成波浪状的扩张和收敛的流体通道。其余同实施例1。
56.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。