[发明专利]一种基于板内逆流流场的燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于板内逆流流场的燃料电池，属于燃料电池技术领域。

背景技术

在已知的燃料电池双极板堆设计中的流道配置方案中，比较典型的有蛇形配置、平行配置、交叉梳状配置、点状配置和多孔体配置等。在蛇形配置方案中，如美国专利US4631239(1986)的报道，流体从入口经并排的多个曲折迂回的流道到达出口；在平行配置方案中，如US Patent No.4631239(1986)的报道，流体从入口经并排的多个直形的流道到达出口；在交叉梳状配置方案中，如T.V.Nguyen，J.Electrochem.Soc.143，L103(1996)的报道，流体从入口先经过并排的多个流道，后经过脊下多孔的扩散层和反应物层，然后再经过并排的多个流道，最后到达出口；在点状配置方案中，如US Patent No.4769297(1988)，流体从入口经过由点状孤岛群形成的网状通道到达出口；在多孔体配置方案中，如US Patent No.5252410(1993)，流体从入口通过多孔导电材料之间的孔隙到达出口。目前所有的流体配置方案(包括上述几种)有一个共同的优点，即流道配置简单，流体在流道内并行且单向地从入口流动到出口，但它们也有一个共同的缺点，参与反应的流体的单向流动将导致流体各组分的浓度从入口到出口单调地下降(对反应物而言)或单调地增加(对产物而言)，从而导致流体各组分的浓度在电池活性区的各微区中的浓度不相同，最终成为电流密度在整个活性区分布不均匀的一个重要原因。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于板内逆流流场的燃料电池，通过控制流体在与活性区对应的任两个紧邻的流道内双向流动(即逆流)，以实现流体中各组分的浓度在整个活性区的任何宏观微区之间基本保持相同。

本发明提出的基于板内逆流流场的燃料电池，包括夹板和多个电池单元，多个电池单元相互串连后，夹在两个夹板之间，其特征在于其中所述的电池单元包括空气流场板、燃料流场板和膜电极，空气流场板和燃料流场板分别置于膜电极的两侧；

所述的空气流场板的上端自左至右依次开有第一燃料入口、第二空气出口、第一空气入口和第二燃料出口，下侧开有穿过空气流场板的第二组空气过孔；空气流场板的下端自左至右依次设有第二燃料进口、第一空气出口、第二空气入口和第一燃料出口，上侧开有穿过空气流场板的第一组空气过孔；空气流场板的与膜电极相对的面上，中部设有第一组空气流道和第二组空气流道，第一组空气流道和第二组空气流道相互间隔排列；所述的第一组空气流道的进口端通过第一进口分配槽和第一组进口槽与第一空气入口相连通，第一组空气流道的出口端依次通过第一组空气过孔、空气流场板的与膜电极相背对面上的第一组出口汇集槽和第一组出口槽与第一空气出口相连通；所述的第二组空气流道的进口端通过第二组进口分配槽和第二组进口槽与第二空气入口相连通，第二组空气流道的出口端依次通过第二组空气过孔、空气流场板的与膜电极相背对面上的第二组出口汇集槽和第二组出口槽与第二空气出口相连通；

所述的燃料流场板的上端自右至左依次开有第一燃料入口、第二空气出口、第一空气入口和第二燃料出口，下侧开有穿过燃料流场板的第二组燃料过孔；燃料流场板的下端自右至左依次设有第二燃料进口、第一空气出口、第二空气入口和第一燃料出口，上侧开有穿过燃料流场板的第一组燃料过孔；燃料流场板的与膜电极相对的面上，中部设有第一组燃料流道和第二组燃料流道，第一组燃料流道和第二组燃料流道相互间隔排列；所述的第一组燃料流道的进口端通过第一组进口分配槽和第一组进口槽与第一燃料入口相连通，第一组燃料流道的出口端依次通过第一组燃料过孔、燃料流场板的与膜电极相背对面上的第一组出口汇集槽和第一组出口槽与第一燃料出口相连通；所述的第二组燃料流道的进口端通过第二组进口分配槽和第二组进口槽与第二燃料入口相连通，第二组燃料流道的出口端依次通过第二组燃料过孔、燃料流场板的与膜电极相背对面上的第二组出口汇集槽和第二组出口槽与第二燃料出口相连通。

本发明提出的基于板内逆流流场的燃料电池，其优点是：在一个流道内流体各组分浓度的逐渐降低被与其紧邻的流道内流体各组分浓度的逐渐增加所平均，而且一个流道内的流体可通过脊下的多孔扩散层和催化层与其紧邻的流道内的流体以扩散方式相连通，从而实现流体中各组分的浓度在整个活性区的任何宏观微区之间基本保持相同，进而促进电流密度在整个活性区均匀分布。这样就克服了传统流场中流体中各组分的浓度随流程的增加而逐渐增加或增加减小的缺陷。

本发明不仅可以用于燃料电池流场，也可用于其他非燃料电池流体的流道分配。

附图说明