CN106887596B - 一种有利于排水的燃料电池双极板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有利于排水的燃料电池双极板，通过在双极板上设置排水槽使双极板流场内的电化学反应生成水顺利排出。上述双极板排水槽主要由三部分组成，包括导流槽、缓冲槽及排水口。所述的燃料电池双极板排水槽主要应用于当燃料电池工作时，双极板流场所在的平面垂直于水平面且燃料气体、氧化剂气体的流场进出口位于双极板流场两侧的燃料电池双极板的排水结构。所述的燃料电池排水槽位于燃料电池流场下部相邻区域，可以有效排出双极板流场所在的平面垂直于水平面且燃料气体、氧化剂气体的流场进出口位于双极板流场两侧的燃料电池生成水，避免燃料电池生成水在流场的下部过度集聚，甚至造成局部水淹的状况。所述的双极板排水槽机构简单。

Description

一种有利于排水的燃料电池双极板

技术领域

本发明涉及应用于燃料电池技术领域，具体涉及一种有利于排水的燃料电池双极板。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种室温启动快、高能量转换效率的零排放发电装置。质子交换膜燃料电池可以作为多种形式的电源加以应用，如移动电源、便携电源、车载电源甚至多种规模的固定式电站等。尤其是2015年，多家汽车制造巨头纷纷推出了以质子交换膜燃料电池提供动力源的汽车，标志着质子交换膜燃料电池大规模应用的时代拉开了帷幕。

作为处于提供能量核心地位的质子交换膜燃料电池在运行时，会在电池进行电化学反应过程中产生水，而对于质子交换膜燃料电池而言，顺利排出电化学反应的生成水对于保证燃料电池稳定、高效运行的重要保证。如果在质子交换膜燃料电池运行过程中，电化学反应产生的生成水没有顺利排出，势必会在电池内部产生电化学反应生成水的累积、汇聚，严重时，在局部区域会发生燃料电池膜电极被水淹的状况。而这种状况一旦发生，轻则降低燃料电池发电功率，重则造成燃料电池无法稳定运行甚至停车。因此，质子交换膜燃料电池电化学生成水的顺利排出，对于燃料电池的稳定高效运行是十分重要的。

为了使电化学反应生成水排出，可以采用提高气体流速办法，如增加循环泵或提高气体工作压力的办法；也可以采用亲水材料安置于燃料电池流场内，将电化学反应生成水导出流场的办法；或者采用表面处理的办法，提高电池内部零部件疏水性，使电化学反应生成水更容易排出等等。这些方法在一定的条件下，可以提高燃料电池排出电化学反应生成水的能力，但这些方法不可避免的需要增加部件、提高运行能耗、增加燃料电池零件或者提高燃料电池的制造成本。

由于质子交换膜燃料电池生成水顺利排出十分重要，越来越多的排水方法应用到燃料电池中。如本田公司提出的一种燃料电池中的简单排水结构(中国专利申请号：201110419965.0)，其结构简单，具有一定的排水效果，但是其不足也是显而易见的：无法防止出现串气现象，即双极板流场中的气体会从排水结构中直接短路排出，不参加电化学反应，造成燃料利用率的降低，尤其是在电池开始运行初期，串气现象尤为严重；另外，其排水槽对流场下部尤其是靠近排水槽处的生成水的排出有效果，但对于远离排水槽的流场中上部的生成水的排出效果，随距离的增减，排水能力越来越弱，甚至没有排水的能力。再如本田的另一个燃料电池的冲压板中的排水结构(中国专利申请号：201310093477.4)，其结构进行了一定的改进，但上述第一个专利的问题依然没有根本改变。

发明内容

本发明提供的一种有利于排水的燃料电池双极板针对于质子交换膜燃料电池工作时，双极板流场所在的平面垂直于水平面且燃料气体、氧化剂气体的流场进出口位于双极板流场两侧的燃料电池，提供了一种结构简单的电化学反应生成水的排出结构，即在双极板流场下部相邻区域设置双极板排水槽。该结构与流场的沟槽、凸台可以采用完全相同的的加工方法，完全可以一并加工出来；该结构紧邻燃料电池工作状态下双极板流场的下部，比双极板流场长度略长而宽度非常小的长方形区域，该区域面积与双极板流场面积相比低于百分之二。该结构对于高速流动气体的流体阻力比较高，而对于流速较低的燃料电池电化学反应生成水的流体阻力非常低，可以忽略不计，即使调整双极板板排水槽的宽度，排水槽依然能够保持对高速气体的阻力。因此，本发明的一种有利于排水的燃料电池双极，在基本不降低能量转换率的前提下，可以顺利排出燃料电池电化学反应生成水。

本发明的技术方案：针对于质子交换膜燃料电池工作时，双极板流场所在的平面垂直于水平面且燃料气体、氧化剂气体的流场进出口位于双极板流场两侧的燃料电池，在流场底部相邻的区域设置燃料电池双极板排水槽。双极板排水槽是长度比双极板流场的长度略长，而宽度非常小的长方形区域。双极板排水槽的上半部主要是导流槽，导流槽内流体的方向与双极板流场流体的方向垂直或呈一定的角度，同时导流槽凸台的长度自双极板流场上游向双极板流场的下游方向逐渐缩短，导流槽的长度与双极板流场的长度相同；双极板排水槽下半部主要是缓冲槽，缓冲槽的宽度自双极板流场上游向双极板流场的下游方向逐渐增加，与上述导流槽凸台长度逐渐缩短对应，缓冲槽的长度与双极板流场的长度相同；双极板排水槽的导流槽与缓冲槽的下游设置排水口，同时将原有的气体排出总管下沿向下延伸至与缓冲槽的底部齐平或略低，排水口作为缓冲槽与气体排出总管的连接通道；双极板排水槽的溢流台设置于缓冲槽底部，位于缓冲槽的下游靠近排水口的位置；在双极板流场流道凸台的适当位置上设置适当数量的横向开口。

本发明的一种有利于排水的燃料电池双极板的排水槽通过导流槽将燃料电池双极板流场中的电化学反应生成水收集并输送到缓冲槽，之后通过排水口将电化学反应生成水排出到气体排出总管中。以下对本发明的一种有利于排水的燃料电池双极板的排水过程详细说明。

a.通过在双极板流场流道凸台的适当位置上设置适当数量的横向开口，使双极板流场中的电化学反应生成水在重力的作用下，向本发明的双极板导流槽方向汇集；

b.由双极板流场汇集而来的生成水进入导流槽，在重力的驱动下沿导流槽导流，向缓冲槽方向流动。由于导流槽采用比双极板流场更细密的沟槽和凸台结构，因此，导流槽对于流场内高速流动的气体而言，流体阻力显著提高，而对于流速非常低的电化学反应生成水，其流体阻力非常低，可以忽略不计。从而使电化学反应生成水顺利通过导流槽，而气体难于通过导流槽；

c.导流槽内的电化学反应生成水在重力的驱动下流入缓冲槽，缓冲槽的上下游与双极板流场的上下游是一致的，缓冲槽在接受电化学反应生成水后，水位不断升高，从而在重力的推动下，生成水向水位更低的排水口方向移动，越向下游汇集的生成水越多，因此越向下游，缓冲槽的宽度也越大，而相应的导流槽凸台的长度越向下游越短，从结构上保证有利于排水；

d.缓冲槽中电化学反应生成水不断汇集，水位不断升高，在重力的推动下，生成水向水位更低的排水口流动，通过排水口流入气体排出总管。

另外，在缓冲槽底部位于靠近排水口的下游，设置了一个溢流台。该溢流台的主要功能是在燃料电池刚刚开始工作并开始产生电化学反应生成水的时候，与导流槽配合，在缓冲槽内尽快形成一个较低的水位，该水位与导流槽共同在导流槽的上游形成一个水封，防止气体从导流槽的上游进入缓冲槽内，避免在该时段在双极板排水槽处发生串气现象。

本发明的一种有利于排水的燃料电池双极的排水槽的导流槽在沟槽、凸台的设置上，除保证适当的细密配置的前提下，通过调整导流槽内流体流动方向与双极板流场流体流动方向的角度，进一步提高高速气体进入导流槽的流体阻力，使高速气体难于通过本发明的双极板排水槽。更进一步，甚至可以将导流槽凸台设置成为人字形凸台，使高速气体的流体阻力更高。

最后，在双极板流场流道凸台上设置适当数量的横向开口，横向开口设置的位置和数量可以采用如下的方式：

i.所有的流场凸台在相同的位置，以相同的间距开设同样数量的横向开口；

ii.流场凸台自上而下，以起始位置渐次后移(或者前移)的方式，设置间距相同的横向开口；

iii.流场凸台自上而下，布置数量渐次增多的均布的横向开口。

本发明的一种有利于排水的燃料电池双极的排水槽可用于多种材质和结构形式的质子膜燃料电池双极板的排水结构，如复合双极板(多种材料构成的双极板，下同)、石墨双极板、冲压双极板等，其加工方法简单并与其它的零件相同。尤其当石墨双极板、冲压双极板采用本发明所述的双极板排水槽时，所使用的材料一致，加工方法一致。

附图说明

图1未设置排水槽的双极板(含电化学反应生成水汇聚示意图)；

图2设置排水槽的双极板；

图3双极板排水槽局部视图；

图4排水槽的导流槽凸台倾斜设置的双极板；

图5排水槽的导流槽设置人字形凸台的双极板；

图6自上而下起始位置渐次后移来设置间距相同的横向开口的双极板；

图7横向开口加宽的双极板；

示意图说明：1-燃料气体排出总管；2-冷却剂进口总管；3-氧化剂气体进口总管；4-燃料气体或氧化剂气体的流场进口；5-燃料气体进口总管；6-冷却剂排出总管；7-氧化剂气体排出总管)；8-燃料气体或氧化剂气体的流场出口；9-电化学反应生成水；10-双极板流场；11-双极板排水槽；12-导流槽；13-双极板流场流道凸台横向开口；14-导流槽的沟槽；15-导流槽的凸台；16-缓冲槽；17-溢流台；18-排水口；19-双极板流场沟槽；20-双极板流场凸台；21-密封槽。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明的一种有利于排水的燃料电池双极板的排水槽做进一步具体说明。

采用本发明的一种有利于排水的燃料电池双极板，排水槽宽度为4毫米，导流槽沟槽宽度为0.6毫米，导流槽凸台宽度为0.8毫米，导流槽凸台长度按照双极板流场上游向下游的方向由3毫米逐步递减至2毫米；而缓冲槽按照双极板流场上游向下游的方向由1毫米逐步递增至2毫米；溢流台设置在缓冲槽底部正对导流槽下游最后一个沟槽，高度为0.8毫米，宽度为1.5毫米；导流槽、缓冲槽长度与双极板流场一致；气体排出总管下沿延伸至与导流槽底部齐平；导流槽、缓冲槽与气体排出总管之间设置为排水口。导流槽采用与双极板流场一致的材料和加工方法；而溢流台、排水口采用与双极板边框相同的材料和加工方法。具体见图2、图3。

采用本发明的一种有利于排水的燃料电池双极板的第二个实施例，与上述第一个实施例基本相同。主要的不同在于其导流槽的凸台采用倾斜的方式设置，以进一步提高本发明的双极板排水槽对高速气体的流体阻力，而对于低速流动的电化学反应生成水的流体阻力几乎不变。具体见图4。

采用本发明的一种有利于排水的燃料电池双极板的第三个实施例，是上述第二个实施例的基础上调整导流槽的凸台为人字形凸台，使本发明的双极板排水槽对高速流动的气体的流体阻力更进一步提高，而对低速流动的电化学反应生成水的流体阻力几乎不增加。具体见图5。

采用本发明的一种有利于排水的燃料电池双极板的第四个实施例，是在第二个实施例的基础上，对双极板流场凸台的横向开孔位置进行调整，使横向开孔由上下一致调整为自上而下，起始位置渐次后移的方式，设置间距相同的横向开口。调整的目的在于使电化学反应生成水更顺利的汇集到双极板排水槽中。具体见图6。

采用本发明的一种有利于排水的燃料电池双极板的第五个实施例，是在第一个实施例的基础上，对双极板流场凸台的横向开孔尺寸进行调整，通过增大双极板流场凸台的横向开孔尺寸，使电化学反应生成水更顺利的汇集到双极板排水槽中。具体见图7。

上述实施例同理可以实现在石墨双极板、冲压双极板中的应用，达到同样的排出电化学反应生成水的效果，并且由于采用本发明的一种有利于排水的燃料电池双极板的排水槽可以采用与石墨双极板或冲压双极板相同的材料及加工方法，实施更简便。

上面描述了一种燃料电池双极板的排水结构，本发明所属领域的技术人员应当可以理解，所述仅仅为本发明的具体实施例，并非用于限制本发明。凡是本发明的精神及原则内所做的任何修改、尺寸结构的缩放、等同替换或者改进，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种有利于排水的燃料电池双极板，包括：燃料气体、氧化剂气体的流场进口及出口，分别位于流场左右两侧；氧化剂气体的流场和燃料气体的流场分别位于双极板的两侧；其特征在于：双极板氧化剂流场侧、或氧化剂和燃料气体的流场侧下方从左至右设有排水槽（11），排水槽（11）包括导流槽（12）、缓冲槽（16）及排水口（18），缓冲槽（16）为一从左至右的横向凹槽，于缓冲槽（16）上方，从上向下设有导流槽（12），导流槽（12）上端设开口、下端与缓冲槽（16）相连，排水口（18）一端与缓冲槽（16）相连、另一端与氧化剂气体排出总管（7）相连；其中：导流槽（12）其由2个以上的导流槽的沟槽（14）、凸台（15）依次交替组成，其导流方向与双极板流场流体流向垂直或呈一定角度，且由双极板流场流体的上游向下游方向，导流槽的沟槽（14）从上至下的长度逐渐减短；缓冲槽（16）由一个由双极板流场流体的上游向下游方向逐渐变宽的沟槽构成，即从左至右的宽度逐渐变大；在缓冲槽（16）底部靠近排水口（18）的位置设置有溢流台（17）。

2.按照权利要求1所述双极板，其特征在于：燃料电池工作时，双极板流场所在的平面垂直于水平面；且燃料气体、氧化剂气体的流场进口及出口位于双极板流场左右两侧；通过布置于流场下部相邻区域的排水槽（11），将燃料电池工作时电化学反应产生的生成水出，同时保证燃料气体、氧化剂气体难于通过排水槽（11）直接排出。

3.按照权利要求1或2所述双极板，其特征在于：导流槽的沟槽（14）从左至右的宽度比双极板流场沟槽（19）从上至下的宽度小。

4.按照权利要求1或2所述双极板，其特征在于：排水口（18）是将燃料气体排出总管（1）和氧化剂气体排出总管（7）下沿向下延伸至与缓冲槽（16）的底部齐平或略低，同时将缓冲槽（16）向燃料气体排出总管（1）和氧化剂气体排出总管（7）的方向加工出沟槽，作为排水口（18），将缓冲槽（16）中的电化学反应生成水排出到燃料气体排出总管（1）或氧化剂排出总管（7）。

5.按照权利要求1或2所述的双极板，其特征在于：所述溢流台（17）用于在缓冲槽（16）内维持一定的水位，与导流槽（12）共同形成水封。

6.按照权利要求1或2所述的双极板，其特征在于：于双极板流场流道凸台（20）上设置从上向下的开口（13）。