一種燃料電池流場板的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種燃料電池流場板。
【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。它主要由膜電極組件（陽 極擴(kuò)散層、陽極催化層、質(zhì)子交換膜、陰極催化層和陰極擴(kuò)散層）和流場板（陽極流場板和陰 極流場板)組成。流場板在朝向膜電極組件的一側(cè)附有金屬層或者直接采用金屬材料，用于 收集電流，同時(shí)流場板上加工有微溝道用于均勻分配反應(yīng)物。
[0003] 直接甲醇燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)以其高效、環(huán)境友好、能 量密度高、結(jié)構(gòu)簡單、以及燃料儲存、攜帶和管理方便等優(yōu)點(diǎn)，在便攜式電子產(chǎn)品和微機(jī)電 系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。其工作原理為：甲醇和水通過陽極流場板經(jīng)由陽極多孔 擴(kuò)散層滲入至陽極催化層，發(fā)生氧化反應(yīng)，生成二氧化碳、質(zhì)子和電子；質(zhì)子在電場作用下 穿過質(zhì)子交換膜迀移至陰極催化層，與擴(kuò)散至陰極催化層的氧氣發(fā)生還原反應(yīng)，生成水；而 電子則通過外電路進(jìn)入陰極，并驅(qū)動負(fù)載工作。由此可見，燃料電池需要源源不斷地供給新 鮮的甲醇溶液和氧氣（或空氣）并及時(shí)排出反應(yīng)產(chǎn)物才能持續(xù)發(fā)電。因而，燃料電池燃料及 反應(yīng)產(chǎn)物的有序化輸運(yùn)和管理對燃料電池整體輸出性能有著重要的影響。隨著燃料電池的 微型化快速發(fā)展，燃料及反應(yīng)產(chǎn)物的有序化輸運(yùn)和管理成為燃料電池領(lǐng)域迫切需要解決的 關(guān)鍵問題。
[0004] 目前，微型直接甲醇燃料電池（Micro Direct Methanol Fuel Cell，yDMFC)輸出 性能與理想值相比尚有較大差距，其中陽極微流場內(nèi)C02氣泡導(dǎo)致反應(yīng)物輸運(yùn)傳質(zhì)效率降 低甚至傳質(zhì)阻滯是造成這一問題的關(guān)鍵因素之一。這是因?yàn)殡S著燃料電池的微型化，其流 場特征尺寸不斷減小(幾十~幾百微米)，溝道內(nèi)〇) 2氣泡的排出也愈加困難，因此微流場中 〇)2氣泡堵塞問題尤為突出。在燃料電池的各組件中，流場板負(fù)責(zé)反應(yīng)物的均勻分配和生 成物（C0 2氣泡）的及時(shí)排出。流場板設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接決定了 yDMFC燃料是否能夠均勻分 配、物料傳質(zhì)和擴(kuò)散是否充分、反應(yīng)物是否能夠及時(shí)排除，因此，解決微流場中〇)2氣泡堵塞 的根本途徑是流場板的設(shè)計(jì)。專利201310097472. 9公布了一種燃料電池流場板，包括具有 多個(gè)流場通道的基板，基板一端與電池極板貼合，流場通道平行布置，流場通道為開設(shè)于基 板上的貫通槽，相鄰流場通道之間的部分為流場骨架；流場骨架與電池極板貼合的一端設(shè) 置圓弧過渡部，圓弧過渡部向流場通道內(nèi)突出，流場骨架遠(yuǎn)離電池極板的一端設(shè)置倒角；流 場骨架具有與電池極板貼合的接觸面和與流體接觸的外露面，外露面上覆蓋有憎水層。這 種流場板的目的在于將水及時(shí)排出，但是沒有考慮如何使反應(yīng)中的C0 2氣泡及時(shí)排出、避免 〇)2氣泡在流場溝道中堵塞占據(jù)甲醇電極上催化劑的活性位置，導(dǎo)致反應(yīng)物無法到達(dá)反應(yīng) 界面，降低電化學(xué)反應(yīng)效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種燃料電池流場板，該流場板結(jié)構(gòu) 簡單、工作穩(wěn)定、性能可靠，并且能實(shí)現(xiàn)氣液分相輸運(yùn)。
[0006] -種燃料電池流場板，由底層流場板、中間流場板和頂層流場板組成，相鄰層之間 采用密封膠粘結(jié)；所述底層流場板和中間流場板的中部位置設(shè)有形狀、尺寸相對應(yīng)的S形 貫通槽，底層流場板和中間流場板的貫通槽截面形狀不同；底層流場板采用親水材料制成， 中間流場板采用疏水材料制成，頂層流場板采用氣液分離膜制成。
[0007] 作為上述發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述親水材料為不銹鋼。
[0008] 作為上述發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述疏水材料為聚四氟乙烯。
[0009] 作為上述發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述貫通槽截面形狀為矩形、梯形、三角形、半圓形、 交指形、外凸階梯形或內(nèi)凹階梯形。
[0010] 作為上述發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述底層流場板、中間流場板和頂層流場板為單層 板或多層板。
[0011] 本發(fā)明的燃料電池流場板結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、性能可靠，實(shí)現(xiàn)了燃料電池氣液分 相輸運(yùn)，使反應(yīng)中的co 2氣泡及時(shí)排出，提高電化學(xué)反應(yīng)效率。
【附圖說明】
[0012] 圖1是燃料電池流場板三維立體向下展開圖； 圖2是底層流場板1的三維半透明效果圖； 圖3是燃料電池流場板橫截面剖視圖； 圖4是貫通槽截面形狀示意圖； 圖5是采用燃料電池流場板的DMFC三維立體向下展開結(jié)構(gòu)示意圖； 其中：1-底層流場板，2-中間流場板，3-頂層流場板，4-陽極擴(kuò)散層，5-陽極催化層， 6_質(zhì)子交換膜，7-陰極催化層，8-陰極擴(kuò)散層，9-陰極流場板，a-矩形，b-梯形，c-三角 形，d-半圓形，e-交指形，f-外凸階梯形，g-內(nèi)凹階梯形，h-燃料入口，i-燃料出口。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 實(shí)施例1 一種燃料電池流場板，如圖1所示，由底層流場板1、中間流場板2和頂層流場板3組 成，各層之間采用密封膠粘結(jié)；底層流場板1和中間流場板2的中間部位設(shè)有相對應(yīng)的S形 貫通槽。如圖2所示，在底層流場板1的兩個(gè)相對側(cè)面分別設(shè)有入口 h和出口 i，且入口 h 和出口 i與貫通槽相連通。如圖3所示，底層流場板1的貫通槽截面形狀為矩形，中間層流 場板2的貫通槽截面形狀為梯形，且梯形的底邊尺寸等于矩形的橫邊尺寸；但在實(shí)際應(yīng)用 中貫通槽的截面形狀不局限于圖3的形狀，如圖4所示，貫通槽截面形狀可以為矩形、梯形、 三角形、半圓形、交指形、外凸階梯形或內(nèi)凹階梯形。底層流場板1采用不銹鋼流場板，中間 流場板2采用聚四氟乙烯流場板，頂層流場板3采用氣液分離膜。
[0014] 本發(fā)明的燃料電池流場板與膜電極組件（Membrane Electrode Assembly，MEA)、 陰極流場板9依照圖5所示順序和方向組裝為直接甲醇燃料電池。其中，MEA由質(zhì)子交換 膜6及兩側(cè)的陽極和陰極組成，陽極由多孔結(jié)構(gòu)的陽極擴(kuò)散層4和陽極催化層5組成，陰極 由多孔結(jié)構(gòu)的陰極擴(kuò)散層8和陰極催化層7組成。從圖5中可以看出，燃料電池流場板的 底層流場板1與陽極擴(kuò)散層4相鄰，MEA位于底層流場板1與陰極流場板9之間。
[0015] 燃料電池工作時(shí)，反應(yīng)物甲醇溶液通過燃料電池流場板的入口h經(jīng)由其上的貫通 槽流動至燃料電池反應(yīng)區(qū)，然后甲醇溶液經(jīng)由陽極擴(kuò)散層4滲入至陽極催化層5，發(fā)生氧 化反應(yīng)，生成C02小氣泡、質(zhì)子和電子：CH:0H + H:0 4 CO: + 6H~ + 6e_ ;同時(shí)，質(zhì)子在 電場作用下穿過質(zhì)子交換膜6迀移至陰極催化層7,與擴(kuò)散至陰極催化層7的氧氣發(fā)生還原 反應(yīng)，生成水：6IT +6€+3/20: -?3H20 ;而電子則通過外電路進(jìn)入陰極，并驅(qū)動負(fù)載工 作。陽極反應(yīng)生成的C02小氣泡經(jīng)陽極擴(kuò)散層4返回到燃料電池流場板的溝道中。由于中 間流場板2的疏水特性以及溝道截面形狀的變化，0) 2氣泡在浮力和表面張力等作用下更易 于從親水特性的底層流場板1運(yùn)動至中間流場板2,然后0)2在浮力作用下經(jīng)具有氣液分離 特性的頂層流場板3排出。而甲醇溶液更易于在適宜液體運(yùn)動的親水特性的底層流場板運(yùn) 動，經(jīng)由底層流場板上的出口 i排出。
[0016] 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了燃料電池的甲醇溶液和co2氣泡的氣液分相輸運(yùn)，結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn) 定、性能可靠。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種燃料電池流場板，其特征在于：由底層流場板（I )、中間流場板（2)和頂層流場 板（3)組成，相鄰層之間采用密封膠粘結(jié)；所述底層流場板（1)和中間流場板（2)的中部位 置設(shè)有形狀、尺寸相對應(yīng)的S形貫通槽，底層流場板（1)和中間流場板（2)的貫通槽截面形 狀不同；底層流場板（1)采用親水材料制成，中間流場板（2)采用疏水材料制成，頂層流場 板（3)采用氣液分離膜制成。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池流場板，其特征在于：所述親水材料為不銹鋼。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池流場板，其特征在于：所述疏水材料為聚四氟乙烯。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池流場板，其特征在于：所述貫通槽截面形狀為矩形、 梯形、三角形、半圓形、交指形、外凸階梯形或內(nèi)凹階梯形。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池流場板，其特征在于：所述底層流場板（1 )、中間流 場板（2)和頂層流場板（3)為單層板或多層板。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種燃料電池流場板，由底層流場板、中間流場板和頂層流場板組成，相鄰層之間采用密封膠粘結(jié)；所述底層流場板和中間流場板的中部位置設(shè)有形狀、尺寸相對應(yīng)的S形貫通槽，底層流場板和中間流場板的貫通槽截面形狀不同；底層流場板采用親水材料制成，中間流場板采用疏水材料制成，頂層流場板采用氣液分離膜制成。本發(fā)明的燃料電池流場板結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、性能可靠，實(shí)現(xiàn)了燃料電池氣液分相輸運(yùn)，使反應(yīng)中的CO2氣泡及時(shí)排出，提高電化學(xué)反應(yīng)效率。
【IPC分類】H01M8/02
【公開號】CN104953140
【申請?zhí)枴緾N201510218525
【發(fā)明人】李苗苗, 朱如鵬, 耿駿
【申請人】南京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年9月30日
【申請日】2015年4月30日