一種親液通道和疏液通道嵌套排布的流場板的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明一種親液通道和疏液通道嵌套排布的流場板，屬于燃料電池和水電解池領(lǐng)域，涉及一種親液通道和疏液通道嵌套排布的流場板，適用于質(zhì)子交換膜類燃料電池和電解池的流場板結(jié)構(gòu)。流場板包括流場板本體，供氣、液體輸運(yùn)的第一流體通道和第二流體通道，以及分隔第一、第二流體通道的脊。該流場板上至少包括一條與膜電極組件表面相對的親液通道和一條與膜電極組件表面相對的疏液通道，上述通道在流場板本體上互相嵌套排布，通道間用脊隔開。本發(fā)明的親液通道和疏液通道嵌套排布的流場板結(jié)構(gòu)對兩相流體的分相輸運(yùn)效果明顯，減小反應(yīng)物和生成物在流場中的輸運(yùn)阻力，提高了反應(yīng)流體的分布均勻性，有效提高燃料電池或電解池的工作性能。
【專利說明】一種親液通道和疏液通道嵌套排布的流場板
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于燃料電池和水電解池領(lǐng)域，涉及一種親液通道和疏液通道嵌套排布的流場板，適用于質(zhì)子交換膜類燃料電池和電解池的流場板結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池是一種直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的清潔能源，具有高比能、高效率、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在國民經(jīng)濟(jì)眾多領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用前景。燃料電池主要由膜電極組件(Membrane Electrode Assembly, MEA)和極板組成。MEA是燃料電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的核心區(qū)域，通常由質(zhì)子交換膜及其兩側(cè)的多孔電化學(xué)電極組成；極板具有收集電流和分配反應(yīng)物料的雙重作用，一般通過在平面板狀導(dǎo)體表面加工出覆蓋整個(gè)燃料電池電化學(xué)活性區(qū)域的流體分配通道而獲得。在燃料電池工作過程中，反應(yīng)物作為第一流體從流場入口端流入，途徑MEA活性區(qū)域并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成的第二流體由MEA活性區(qū)域排出到流場通道中，最后與剩余反應(yīng)物一起從流場通道出口排出。電解池實(shí)際上是一種相反的燃料電池，工作過程中電能將水分解為氫和氧。
[0003]在燃料電池實(shí)際工作過程中，同一流場內(nèi)的第一流體和第二流體在多種情況下會以氣、液兩相形態(tài)混合存在。例如，采用液態(tài)碳?xì)淙剂系娜剂想姵仃枠O流場，一般會隨著燃料催化氧化而釋放出氣態(tài)二氧化碳；同理，采用氣態(tài)氧化劑(如純氧氣、空氣)的燃料電池陰極流場，也通常會隨著氧化劑的催化還原反應(yīng)而生成液態(tài)水。由此可見，氣液兩相流體在燃料電池流場中是一種常見的流型。這種兩相流動(dòng)對燃料電池造成的不利影響主要體現(xiàn)在I)物種串?dāng)_，彼此制約:異相的第一流體和第二流體在同一通道內(nèi)傳輸，將會造成異相物種間彼此擠占對方活性位及傳輸通道的情況，在兩相流輸運(yùn)中彼此形成競爭性制約；2)分布不均，性能波動(dòng):由于氣液輸運(yùn)中競爭性制約關(guān)系的存在，在特定時(shí)間段流場中某些局部區(qū)域?qū)⒅槐黄渲幸幌辔锓N占據(jù)，形成第一流體與第二流體的不均勻分布及流體形態(tài)的周期性波動(dòng)，限制了電池性能的進(jìn)一步提聞；3)系統(tǒng)寄生功耗聞:通道內(nèi)氣相和液相流體混合傳輸需要克服極大的毛細(xì)阻力，額外增加了輔助進(jìn)料系統(tǒng)功耗，降低了系統(tǒng)比功率和比能量。
[0004]針對燃料電池流場中氣液兩相流體輸運(yùn)存在的問題，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)相繼提出了相關(guān)解決方案。文獻(xiàn)C Litterst, Nils Paust, et.al, Increasing μ DMFC efficiency bypassive C02bubble removal and discontinuous operation.[0005]J.Micromech.Microeng.16 (2006) S248 - S253 針對直接甲醇燃料電池陽極燃料傳輸問題，提出了平行流場內(nèi)增加“倒T型”排泡結(jié)構(gòu)，推動(dòng)二氧化碳?xì)馀莸淖园l(fā)性定向排除的技術(shù)方案；文獻(xiàn) T.Metz, N.Paust, et.al, Micro structured flow field forpassive water management in miniaturized PEM fuel cells.Sensors and ActuatorsA:Physical, 143，I (2008)49 - 57為解決PEM類燃料電池陰極水淹，發(fā)展了一種雙層陰極流場，通過在陰極空氣流道內(nèi)增加第二層梯形溝道，實(shí)現(xiàn)了對陰極積水的收集和排除。專利號CN101459246B發(fā)明專利名稱:葉脈型燃料電池流場板，發(fā)明人:王連邦等人，發(fā)明了一種解決流場板流動(dòng)阻力大，流體分布不均且氣液兩相分離困難的方案，設(shè)計(jì)了一種葉脈形燃料電池流場板。液體沿主脈方向流入，經(jīng)過與主脈成45°角的支脈后，與主脈中的流體在出口處匯合流出，該方案對反應(yīng)物分布均勻性有一定改善，但氣液兩相流體仍然在同一通道中流動(dòng)，流場中的流動(dòng)阻力未得到根本改善；專利號CN201812887U，發(fā)明專利名稱:一種便攜式直接甲醇燃料電池陽極流場板，發(fā)明人:王新東等人，公開了采用兩套獨(dú)立的鏤空流道分別作為氣體流道和液體流道的技術(shù)方案，希望通過氣體專用通道將流場中產(chǎn)生的氣體排出，然而未反應(yīng)的液體仍會通過擴(kuò)散層分布在整個(gè)流場中，與生成的氣體一起擴(kuò)散到氣體專用通道中并將其堵塞，致使流場中壓力增大，從而影響燃料電池的穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對燃料電池或電解池流場中第二流體聚集引發(fā)的第一流體輸運(yùn)受阻或分配不均以及兩相流體分離困難等問題，發(fā)明一種親液通道和疏液通道嵌套排布的流場板，實(shí)現(xiàn)燃料電池或電解池中兩相流體的有序化輸運(yùn)和管理。本發(fā)明利用親液通道和疏液通道自身選擇性將兩相流體分開，從而保證第一流體在流場中的順暢傳輸和均勻分配。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種具有親液通道和疏液通道嵌套排布的流場板，其特征是，流場板包括流場板本體1，供氣、液體輸運(yùn)的第一流體通道3、第二流體通道2，以及分隔第一、第二流體通道3、2的脊5 ;該流場板上至少包括一條與膜電極組件表面相對的親液通道和一條與膜電極組件表面相對的疏液通道，上述通道在流場板本體I上互相嵌套排布，通道間用脊5隔開；所述通道分別具有第一流體入口、出口 7、4、第二流體出口 6，第一流體入口、出口 7、4及第二流體出口 6都為通孔。
[0008]一種具有親液通道和疏液通道嵌套排布的流場板，其特征是，親液通道和疏液通道在與膜電極組件接觸的流場平面法向投影面積之和為膜電極組件活性面積的20%?80%;液相流體在親液通道表面接觸角< 90°，在疏液通道表面的接觸角> 90°。
[0009]一種具有親液通道和疏液通道嵌套排布的流場板，其特征是，流場板嵌套排布的親液和疏液結(jié)構(gòu)為蛇形流場、平行流場、螺旋形流場或復(fù)合流場。
[0010]本發(fā)明的顯著效果是，親液通道和疏液通道嵌套排布的流場板結(jié)構(gòu)對兩相流體的分相輸運(yùn)效果明顯，減小反應(yīng)物和生成物在流場中的輸運(yùn)阻力，提高了反應(yīng)流體的分布均勻性，有效提高燃料電池或電解池的工作性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為具有親液通道和疏液通道嵌套排布的蛇形流場板結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為具有親液通道和疏液通道嵌套排布的平行流場板結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為具有親液通道和疏液通道嵌套排布的螺旋形流場板結(jié)構(gòu)示意圖，圖4為具有親液通道和疏液通道嵌套排布的蛇形流場板側(cè)剖視圖。其中:附圖中I為流場板本體，3為第一流體通道，2為第二流體通道，5為脊，7為第一流體入口，4為第一流體出口，6為第二流體出口。
【具體實(shí)施方式】
[0012]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。然而，本發(fā)明的范圍并不受這些例子限定。一種親液通道和疏液通道嵌套排布的流場板，當(dāng)液體在通道內(nèi)的接觸角<90°時(shí)，該通道為親液通道；當(dāng)液體在通道內(nèi)的接觸角>90°時(shí)，該通道為疏液通道。流場板包括流場板本體1，供氣、液體輸運(yùn)的第一流體通道3和第二流體通道2以及分隔第一、第二流體通道3、2的脊5。當(dāng)?shù)谝涣黧w為液體，第二流體為氣體時(shí)，通道3為親液通道，通道2為疏液通道；當(dāng)?shù)谝涣黧w為氣體，第二流體為液體時(shí)，通道3為疏液通道,通道2為親液通道。親液通道和疏液通道的加工深度小于流場板的厚度，液體和氣體的入口及出口為通孔，親液通道和疏液通道之間通過脊分隔開來，從而使液體和氣體不在同一通道中混流。親液通道和疏液通道在流場板同一平面內(nèi)交替嵌套排布，以使生成的第二流體以最短路徑排出。通道寬度和深度設(shè)計(jì)應(yīng)防止電池封裝時(shí)MEA上的多孔電極被壓入通道而阻塞流體輸運(yùn)，并且親液通道和疏液通道在與MEA接觸的流場平面法向投影面積之和為MEA活性面積的20%?80%。為了更高效的實(shí)現(xiàn)兩相流體分相輸運(yùn)，本發(fā)明對流場通道表面進(jìn)行改性，使其分別具有親液和疏液能力，其中液相流體在親液通道表面的接觸角< 90°，在疏液通道表面的接觸角>90°，從而可由通道自身選擇性將氣相流體和液相流體分開輸運(yùn)。上述流場結(jié)構(gòu)適用于蛇形流場、螺旋形流場和平行流場等形式的流場。
[0013]燃料電池或電解池工作時(shí)，第一流體進(jìn)入流場后沿著第一流體通道在流場中流動(dòng)，并通過燃料電池內(nèi)部的擴(kuò)散層滲透到催化層進(jìn)行反應(yīng)生成第二流體。本發(fā)明的設(shè)計(jì)方案中與第一流體通道嵌套排布的第二流體通道，可將反應(yīng)生成的第二流體以最短路徑從MEA反應(yīng)區(qū)域?qū)С隽鲌?，從而減小第一流體的輸運(yùn)阻力，提高燃料電池或電解池的工作效率。
[0014]【具體實(shí)施方式】1:本實(shí)施例以具有親液通道和疏液通道嵌套排布的直接甲醇燃料電池陽極流場板為例。該流場板由流場板本體1、用于甲醇溶液輸運(yùn)的第一流體通道3、用于二氧化碳輸運(yùn)的第二流體通道2、分隔第一流體通道和第二流體通道的脊5、甲醇溶液入口 7、甲醇溶液出口 4以及二氧化碳出口 6組成。流場板的長、寬、厚度分別為40毫米、40毫米、1.5毫米，第一流體通道3的寬度為1.0毫米，深度為0.4毫米，第二流體通道2的寬度為0.5毫米，深度為0.2毫米。第一流體通道和第二流體通道在與MEA接觸的流場平面法向投影面積之和為MEA活性面積的20%。本實(shí)施例中，甲醇溶液為第一流體，陽極產(chǎn)物氣態(tài)二氧化碳為第二流體。甲醇溶液在第一流體通道表面的接觸角為40°，在第二流體通道表面的接觸角為150°。因此，對甲醇溶液而言，第一流體通道3為親液通道，第二流體通道2為疏液通道。
[0015]本實(shí)施例中，甲醇溶液經(jīng)入口 7進(jìn)入第一流體通道3并沿通道3流動(dòng)，流動(dòng)過程中甲醇溶液透過擴(kuò)散層進(jìn)入催化層反應(yīng)生成二氧化碳?xì)怏w。由于第二流體通道2表面對甲醇溶液具有疏液特性，甲醇溶液不會浸潤第二流體通道2。反應(yīng)生成的二氧化碳沿最短路徑進(jìn)入第二流體通道2，并迅速從二氧化碳出口 6排出，同時(shí)未完全反應(yīng)的甲醇溶液在外壓作用下從甲醇溶液出口 4排出，從而實(shí)現(xiàn)流場內(nèi)甲醇溶液和二氧化碳的分相輸運(yùn)。
[0016]【具體實(shí)施方式】2:本實(shí)施例以具有親液通道和疏液通道嵌套排布的質(zhì)子交換膜燃料電池陰極流場板為例。該流場板由流場板本體1、用于氧氣輸運(yùn)的第一流體通道3、用于液態(tài)水輸運(yùn)的第二流體通道2、分隔第一流體通道和第二流體通道的脊5、氧氣入口 7、氧氣出口 4以及液態(tài)水出口 6組成。流場板的長、寬、厚度分別為40暈米、40暈米、1.5暈米,第一流體通道3的寬度為0.8毫米，深度為0.3毫米，第二流體通道2的寬度為0.4毫米，深度為0.2毫米。第一流體通道和第二流體通道在與MEA接觸的流場平面法向投影面積之和為MEA活性面積的20%。本實(shí)施例中，氧氣為第一流體，陰極產(chǎn)物液態(tài)水為第二流體。水在第一流體通道表面的接觸角為170°，在第二流體通道表面的接觸角為30°。因此，對液態(tài)水而言，第一流體通道3為疏液通道,第二流體通道2為親液通道。
[0017]本實(shí)施例中，氧氣經(jīng)入口 7進(jìn)入第一流體通道3并沿通道3流動(dòng)，流動(dòng)過程中氧氣透過擴(kuò)散層進(jìn)入催化層反應(yīng)生成液態(tài)水，生成的液態(tài)水沿最短路徑進(jìn)入第二流體通道2，并迅速從液態(tài)水出口 6排出，從而減小了流場中氧氣流動(dòng)阻力，提高了傳質(zhì)效率。
[0018]實(shí)施例1和2均可采用不同形式的流場，如蛇形流場、平行流場和螺旋形流場等。
[0019]本發(fā)明由于采用親液通道和疏液通道嵌套排布的流場板結(jié)構(gòu)對兩相流體的分相輸運(yùn)效果明顯，有效提高燃料電池或電解池的工作性能。
【權(quán)利要求】
1.一種具有親液通道和疏液通道嵌套排布的流場板，其特征是，流場板包括流場板本體(1)，供氣、液體輸運(yùn)的第一流體通道3、第二流體通道2，以及分隔第一、第二流體通道(3、2)的脊(5);該流場板上至少包括一條與膜電極組件表面相對的親液通道和一條與膜電極組件表面相對的疏液通道，上述通道在流場板本體(I)上互相嵌套排布，通道間用脊(5)隔開；所述通道分別具有第一流體入口、出口(7、4)、第二流體出口(6)，第一流體入口、出口(7、4)及第二流體出口(6)都為通孔。
2.如權(quán)利要求1所述的一種具有親液通道和疏液通道嵌套排布的流場板，其特征是，親液通道和疏液通道在與膜電極組件接觸的流場平面法向投影面積之和為膜電極組件活性面積的20%?80% ;液相流體在親液通道表面接觸角< 90°，在疏液通道表面的接觸角彡 90°。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種具有親液通道和疏液通道嵌套排布的流場板，其特征是，流場板嵌套排布的親液和疏液結(jié)構(gòu)為`蛇形流場、平行流場、螺旋形流場或復(fù)合流場。
【文檔編號】H01M8/02GK103427098SQ201310302984
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2013年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月18日
【發(fā)明者】梁軍生, 李棟, 王光燕, 王大志, 張揚(yáng), 胡頡 申請人:大連理工大學(xué)