质子交换膜燃料电池阴极流场板的制作方法

本发明属于电化学燃料电池领域，具体涉及到质子交换膜燃料电池阴极流场板的结构优化。

背景技术：

质子交换膜燃料电池(pemfc)是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的电化学转换装置，具有能量转换效率高和排放无污染的优势，其在汽车动力方面的应用已受到政府和各大车企的广泛认可，被视为未来有望替代内燃机的能量转换装置。对于车用质子交换膜燃料电池，阳极通入燃料为氢气，阴极通入空气，空气中的氧气作为阴极的反应气体。由于氧气约占空气含量的21％，且质子交换膜燃料电池阴极反应动力学较阳极反应明显缓慢，因此质子交换膜燃料电池的输出性能往往受到阴极多孔电极内氧气浓度不足的限制。

目前燃料电池传统流场设计，由于肋板的存在显著影响了氧气在阴极流场板内的传输，导致肋板下方对应的多孔电极区域内氧气浓度低，多孔电极内局部氧气浓度不足会降低质子交换膜燃料电池的性能，缩短寿命。因此，对质子交换膜燃料电池的阴极流场板结构重新进行优化设计，目的在于增强流场板内氧气的均匀分布和氧气向多孔电极内的传输，将是提升质子交换膜燃料电池性能和寿命的一项关键手段。

技术实现要素：

本发明的目的是，提出一种质子交换膜燃料电池优化阴极流场板的装置，在增大流场板内部流动空间基础上，具有增强流场板内气体均匀分布和向多孔电极内传输的作用。

以下对本发明技术原理及结构方案予以说明：质子交换膜燃料电池阴极流场板，在阴极流场板与阳极流场板的中间层设置多孔电极。其结构是在长方形阴极流场板的表面设有沉槽，沉槽的四周设有槽璧。在两个短边槽璧上分别设有一个矩形入气孔和矩形出气孔，沉槽的底部分布设有m排×n列的具有气体导流作用的倾斜四棱柱。

强化流体扰动的技术特征是，倾斜四棱柱的上表面是非矩形的平行四边形，平行四边形内两个锐角分别指向阴极流场板矩形入气孔和矩形出气孔所在方向，并且倾斜四棱柱的倾斜方向由矩形入气孔指向矩形出气孔，倾斜四棱柱导流气体沿阴极流场板长度方向传输，以增强阴极流场板内气体的均匀分布。

本发明的特点以及产生的有益效果是：阴极流场板的优化设计，能够有效增大流场板内气体流动空间，内部倾斜四棱柱结构起到流场板导电的作用外，更起到气体导流的作用。既导流气体沿流场板短边方向传输，增强流场板内气体的均匀分布，也能导流气体由垂直方向进入多孔电极，有效提高多孔电极内氧气浓度，提升燃料电池输出性能，避免局部氧气缺乏。

附图说明

图1为质子交换膜燃料电池外观结构原理图。

图2为质子交换膜燃料电池阴极流场板原理的立体结构图。

图3为图2的俯视图，用以说明所设置四棱柱的倾斜方向。

图4为本发明实施例电池性能效果对比图。

图5为本发明实施例催化层中氧气平均浓度对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的，不以此限定本发明的保护范围。

质子交换膜燃料电池的整体结构如图1所示。其基本结构包括多孔电极，阴极流场版和阳极流场板，阳极通入氢气，阴极通入空气。

质子交换膜燃料电池阴极流场板，在阴极流场板1与阳极流场板2的中间层设置多孔电极3。其具体结构是：在长方形阴极流场板的表面设有沉槽1-1，沉槽的四周设有槽璧1-2，在两个短边槽璧上分别设有一个矩形入气孔1-3和矩形出气孔1-4，矩形入气孔与矩形出气孔是长方形；或者是正方形。沉槽的底部分布设有m排×n列的具有气体导流作用的倾斜四棱柱1-5。

倾斜四棱柱的上表面是非矩形的平行四边形，平行四边形内两个锐角分别指向阴极流场板矩形入气孔和矩形出气孔所在方向，并且倾斜四棱柱的倾斜方向由矩形入气孔指向矩形出气孔。倾斜四棱柱导流气体沿阴极流场板长度方向(流场板长边)传输，以增强阴极流场板内气体的均匀分布。

以阴极流场板水平线为基准，以倾斜四棱柱的长边基准，倾斜四棱柱的设置按顺时针方向转角60°，以增强向所述多孔电极方向的气体传输。

m排×n列个倾斜四棱柱均匀分布于阴极流场板沉槽底部。矩形入气孔与矩形出气孔位于所述槽璧的对角位置，两个气孔的形状尺寸相同。

沉槽尺寸得到设计依据主要应适应流场板大小，在保证槽璧强度符合要求的前提下，沉槽底部面积取最大，以保证流场板内部具有较大的气体流通空间。

作为实施例，所述m排×n列个倾斜四棱柱，其中m＝20；n＝3，排间距为3mm；列间距为2.4mm。

阴极流场板长度为53mm，宽度为12mm，厚度为2mm。

槽壁厚度为0.5mm，流场板内流场区，沉槽长度为52mm，宽度为11mm，深度为1mm。

矩形入气孔和出气孔位于流场板短边槽璧上，分布在对角位置，宽度均为3mm。

倾斜四棱柱上表面为平行四边形结构，其短边长度为1mm，平行四边形的锐角内角为45°，且两锐角内角分别指向流场板入气孔与出气孔所在方向。以阴极流场板水平线为基准，以倾斜四棱柱的长边为基准，倾斜四棱柱的设置按顺时针方向转角60°。

为了进行实施效果的对比，实施例采用了2块质子交换膜燃料电池阴极流场板，其中1块流场板采用本发明的结构；另外1块采用为未经优化的传统平形流场板。2块阴极流场板除了结构不同以外，其余技术参数以及材料完全相同。

2块电池(板)均在同一工况下进行测试，电池以恒电压模式运行，测量电压范围为0.9v至0.3v，其运行温度为80℃，阴极通入加湿的空气，其相对湿度为100％，进气化学计量比为2.0，背压为1.5atm，阳极通入加湿的氢气，其相对湿度为100％，进气化学计量比为1.5，背压为1.5atm。

附图4给出了2块电池的极化曲线和功率输出的对比。从图中可以看出，本发明提出的阴极流场板对燃料电池性能的提升非常显著，尤其是在高电流密度区域，有效提高燃料电池的极限电流密度。

附图5给出了2块电池阴极催化层中氧气浓度的平均值，从图中可以看出：在同一电流密度下，本发明阴极流场板对多孔电极内氧气浓度的提升非常明显，尤其是在高电流密度下，大幅改善氧气由流场板到多孔电极的传输。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种质子交换膜燃料电池阴极流场板，其结构是：在长方形阴极流场板的表面设有沉槽，沉槽的四周设有槽璧，在两个短边槽璧上分别设有一个矩形入气孔和出气孔，沉槽的底部分布设有M排×N列的具有气体导流作用的倾斜四棱柱。倾斜四棱柱的上表面是非矩形的平行四边形，倾斜方向由入气孔指向出气孔，四棱柱导流气体沿阴极流场板长度方向传输，以增强阴极流场板内气体的均匀分布，四棱柱的设置按顺时针方向转角60°，以增强向所述多孔电极方向的气体传输。本发明能够有效增大流场板内气体流动空间，有效提高多孔电极内氧气浓度，提升燃料电池输出性能，避免局部氧气缺乏。

技术研发人员：焦魁;王博文
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2019.04.19
技术公布日：2019.08.09