CN109524684B - 一种具有仿生自排水功能的燃料电池双极板及自排水方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有仿生自排水功能的燃料电池双极板及自排水方法。本发明采用在双极板主体上形成一级脊，在各个一级脊之间设置微流场，微流场具有部分圆台的基底，在基底上具有二级脊、三级脊和微流道，三级脊和微流道构成底通道，微流场具有自排水机制；当电化学反应生成的水集聚在微流场的底通道时，底通道上形成一层液态水薄膜，反应生成的水在底通道上被排出；当更多的水积聚在底通道之上，这些水就集聚在液态水薄膜上，没有固‑液接触，水通过滑动的方式排出微流场；自排水机制减少液态水在流道之间的滞留现象，提高了排水效率，从而使反应气体在各流道间分布更为均匀，气体传质效率进一步提高，提升燃料电池的性能与稳定性。

Description

一种具有仿生自排水功能的燃料电池双极板及自排水方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术，具体涉及一种具有仿生自排水功能的燃料电池双极板及其自排水方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种将储存于燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置，它不经过热机过程，因此不受卡诺循环的限制，能量转换效率高，由于工作时不存在任何形式的燃烧过程，所以不会有氮和硫的氧化物等有害气体的生成，产物只有电能、水、热能，环境友好，是一种环保绿色的发电装置，另外它还具有快速启动、低温运行、无噪声等特点，被认为是未来清洁、高效发电技术的第一选择，使其在移动电源、电动汽车、航空、军事等领域有着及其重要的应用。
双极板是燃料电池的重要组成部件之一。电池进行电化学反应过程中产生的水，能否顺利排出是燃料电池稳定高效运行的保证，如果不能及时的把电池生成的水排出，随着反应的进行，将会出现“电极水淹”现象，有时也会使膜局部出现溶胀现象，从而使电池的各项性能降低，甚至因无法稳定运行而停止工作。因此，电池反应生成的水能否顺利排出，对燃料电池的稳定高效运行十分重要。目前平行流场可作为其排水装置，而平行流场由于反应气体在直流道中存留时间短，流速相对较低，使得生成的水大都在流道内形成液柱，堵塞流道，极大的影响电池性能。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种具有仿生自排水功能的燃料电池双极板及其自排水方法，仿猪笼草口缘区结构，使双极板流场结构在电池工作时可将电化学反应生成的水通过两种输水模式排出，提升排水效率，保证电化学反应的顺利进行，从而提高电池的性能。
本发明的一个目的在于提出一种具有仿生自排水功能的燃料电池双极板。
本发明的具有仿生自排水功能的燃料电池双极板包括：双极板主体、一级流道、一级脊、微流场、上流道、下流道、进气孔和出气孔；其中，双极板主体为平板；在双极板主体的前表面刻有多条周期性沿竖直方向平行排布的一级流道，在每相邻的一级流道之间形成一级脊，一级流道为矩形，在每一个一级流道上设置有微流场；微流场包括微流场基底、二级脊、三级脊和微流道，微流场基底为圆台的一部分，前表面为圆台的侧面，后表面位于一级流道的前表面为平面，其形状为矩形，宽度与一级流道的宽度一致，微流场基底位于一级流道内，后表面的两侧与相邻的一级脊相切，在微流场基底的前表面设置有多个周期性排列的二级脊，各个二级脊的截面为矩形，并且从上至下具有发散角，在相邻的二级脊之间设置有多个周期性排列的三级脊，各个三级脊的截面为矩形，并且从上至下具有发散角，三级脊的高度低于二级脊的高度，在相邻的三级脊之间或者二级脊与三级脊之间形成微流道，微流道和三级脊构成微流场的底通道；在双极板主体的前表面，并且在一级脊的上端和下端，分别刻有连通各个微流场的上流道和下流道，微流场与上流道和下流道构成平行流场；在上流道的一个顶点设置有进气孔，在与其相对的下流道的一个顶点设置有出气孔；当燃料电池工作时，反应气体从进气孔进入平行流场，发生电化学反应，电化学反应生成水，当电化学反应生成的水集聚在微流场的底通道时，底通道上形成一层液态水薄膜，反应生成的水在底通道经由下流道排出出气孔；当更多的水积聚在底通道之上，这些水就集聚在液态水薄膜上，没有固-液接触，此时排水方式发生了变化，积聚在液态水薄膜上的水通过滑动的方式排出微流场，通过下流道排出出气孔，微流场的基底为部分圆台，在此结构基础上，液态水在液态水薄膜上的滑动为自排水机制，提高排水效率，最终提升燃料电池的性能和稳定性。
双极板主体的材料采用石墨、钛、铌、铝、铜和不锈钢中的一种。
一级流道的宽度，即微流场基底的宽度为1mm～2mm。
一级脊的高度为1mm～2mm。
微流场基底的前表面高于下流道和上流道；并在微流场的两端设有倒角。
每一个微流场中包括4～6个二级脊，微流场中每两个二级脊之间包括2～4个三级脊。
二级脊和三级脊的发散角为5°～8°。
本发明的另一个目的在于提供一种具有仿生自排水功能的燃料电池双极板的自排水方法。
本发明的具有仿生自排水功能的燃料电池双极板的自排水方法，包括以下步骤：
1)燃料电池工作，反应气体从进气孔进入平行流场；
2)气体发生电化学反应，电化学反应生成水；
3)当电化学反应生成的水集聚在微流场的底通道时，底通道上形成一层液态水薄膜，反应生成的水在底通道上排出，并通过下流道排出出气孔；
4)当更多的水积聚在底通道之上，这些水就集聚在液态水薄膜上，没有固-液接触，此时排水方式发生了变化，积聚在液态水薄膜上的水通过滑动的方式排出微流场，通过下流道排出出气孔，微流场的基底为部分圆台，在此结构基础上，液态水在液态水薄膜上的滑动为自排水机制，提高排水效率，最终提升燃料电池的性能和稳定性。
本发明的优点：
本发明采用在双极板主体上形成一级脊，在各个一级脊之间设置微流场，微流场具有部分圆台的基底，在基底上设置有二级脊、三级脊和微流道，三级脊和微流道构成底通道，微流场具有自排水机制，即连续快速的液体薄膜滑动自排水机制；具有两种自排水模式，当电化学反应生成的水集聚在微流场的底通道时，底通道上形成一层液态水薄膜，反应生成的水在底通道上被排出；当更多的水积聚在底通道之上，这些水就集聚在液态水薄膜上，没有固-液接触，此时排水方式发生了变化，积聚在液态水薄膜上的水通过滑动的方式排出微流场；液态水在液态水薄膜上的滑动为自排水机制，减少液态水在流道之间的滞留现象，提高了排水效率，从而使反应气体在各流道间分布更为均匀，气体传质效率进一步提高，从而电流密度分布更均匀，最终提升燃料电池的性能与稳定性。
附图说明
图1为本发明的具有仿生自排水功能的燃料电池双极板的一个实施例的示意图；
图2为本发明的具有仿生自排水功能的燃料电池双极板的的一个实施例的微流场的示意图；
图3为本发明的具有仿生自排水功能的燃料电池双极板的的一个实施例的二级脊的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的具有仿生自排水功能的燃料电池双极板包括：双极板主体1、一级脊6、一级流道、微流场3、上流道5、下流道4、进气孔2和出气孔7；其中，双极板主体1为平板；在双极板主体1的前表面刻有多条周期性竖直方向平行排布的一级流道，在每相邻的一级流道之间形成一级脊6，一级流道为矩形，在每一个一级流道上设置有微流场3；如图2所示，微流场3包括微流场基底、二级脊8、三级脊9和微流道10，微流场基底为圆台的一部分，前表面为圆台的侧面，后表面位于一级流道的前表面为平面，其形状为矩形，宽度与一级流道的宽度一致，微流场基底位于一级流道内，后表面的两侧与相邻的一级脊6相切，在微流场基底的前表面设置有多个周期性排列的二级脊8，各个二级脊8的截面为矩形，并且从上至下具有发散角，在相邻的二级脊之间设置有多个周期性排列的三级脊9，各个三级脊9的截面为矩形，并且从上至下具有发散角，三级脊的高度低于二级脊的高度，在相邻的三级脊之间形成微流道10，微流道和三级脊构成微流场3的底通道；在双极板主体1的前表面，并且在一级脊6的上端和下端，分别刻有连通各个微流场3的上流道5和下流道4，微流场3与上流道5和下流道4构成平行流场；在上流道5的一个顶点设置有进气孔2，在与其相对的下流道4的一个顶点设置有出气孔7。
在本实施例中，微流场靠近进气孔的上表面A，微流场基底的圆台的上底的圆直径为2.4mm～3.0mm，靠近出气孔的下表面B，微流场基底的圆台的下底的圆直径为1.6mm～2.0mm。二级脊和三级脊的截面形状均为矩形，前表面和后表面均为上窄下宽的梯形，其中上表面A的三级脊宽度为0.03mm～0.05mm，高度为0.04mm～0.06mm；二级脊宽度为0.08mm～0.10mm，高度为0.06mm-0.08mm，相邻的二级脊之间宽度为0.04mm～0.06mm；下表面B的三级脊宽度为0.06mm～0.08mm，高度为0.08mm～0.10mm；二级脊宽度为0.12mm～0.14mm，高度为0.14mm～0.16mm，相邻的二级脊之间宽度为0.08mm～0.10mm。
如图3所示，二级脊和三级脊的发散角α为5°～8°。
当燃料电池工作时，反应气体从进气孔进入平行流场，发生电化学反应，电化学反应生成水，当电化学反应生成的水集聚在微流场的底通道时，底通道上形成一层液态水薄膜，反应生成的水在底通道经由下流道排出出气孔；当更多的水积聚在底通道之上，这些水就集聚在液态水薄膜上，没有固-液接触，此时排水方式发生了变化，积聚在液态水薄膜上的水通过滑动的方式排出微流场，通过下流道排出出气孔，微流场的基底为部分圆台，在此结构基础上，液态水在液态水薄膜上的滑动为自排水机制，提高排水效率，最终提升燃料电池的性能和稳定性。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种具有仿生自排水功能的燃料电池双极板，其特征在于，所述燃料电池双极板包括：双极板主体、一级流道、一级脊、微流场、上流道、下流道、进气孔和出气孔；其中，所述双极板主体为平板；在双极板主体的前表面刻有多条周期性沿竖直方向平行排布的一级流道，在每相邻的一级流道之间形成一级脊，一级流道为矩形，在每一个一级流道上设置有微流场；所述微流场包括微流场基底、二级脊、三级脊和微流道，微流场基底为圆台的一部分，前表面为圆台的侧面，后表面位于一级流道的前表面为平面，其形状为矩形，宽度与一级流道的宽度一致，微流场基底位于一级流道内，后表面的两侧与相邻的一级脊相切，在微流场基底的前表面设置有多个周期性排列的二级脊，各个二级脊的截面为矩形，并且从上至下具有发散角，在相邻的二级脊之间设置有多个周期性排列的三级脊，各个三级脊的截面为矩形，并且从上至下具有发散角，三级脊的高度低于二级脊的高度，在相邻的三级脊之间或者二级脊与三级脊之间形成微流道，所述微流道和三级脊构成微流场的底通道；在双极板主体的前表面，并且在一级脊的上端和下端，分别刻有连通各个微流场的上流道和下流道，微流场与上流道和下流道构成平行流场；在上流道的一个顶点设置有进气孔，在与进气孔相对的下流道的一个顶点设置有出气孔；当燃料电池工作时，反应气体从进气孔进入平行流场，发生电化学反应，电化学反应生成水，当电化学反应生成的水集聚在微流场的底通道时，底通道上形成一层液态水薄膜，反应生成的水在底通道经由下流道排出出气孔；当更多的水积聚在底通道之上，这些水就集聚在液态水薄膜上，没有固-液接触，此时排水方式发生了变化，积聚在液态水薄膜上的水通过滑动的方式排出微流场，通过下流道排出出气孔，微流场的基底为部分圆台，在此结构基础上，液态水在液态水薄膜上的滑动为自排水机制，提高排水效率，最终提升燃料电池的性能和稳定性。
2.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述双极板主体的材料采用石墨、钛、铌、铝、铜和不锈钢中的一种。
3.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述一级流道的宽度，即微流场基底的宽度为1mm～2mm。
4.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述一级脊的高度为1mm～2mm。
5.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述微流场基底的前表面高于下流道和上流道。
6.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述微流场基底的两端设有倒角。
7.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，每一个微流场中包括4～6个二级脊。
8.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述微流场中每两个二级脊之间包括2～4个三级脊。
9.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述二级脊和三级脊的发散角为5°～8°。
10.一种如权利要求1所述的具有仿生自排水功能的燃料电池双极板的自排水方法，其特征在于，所述自排水方法包括以下步骤：
1)燃料电池工作，反应气体从进气孔进入平行流场；
2)气体发生电化学反应，电化学反应生成水；
3)当电化学反应生成的水集聚在微流场的底通道时，底通道上形成一层液态水薄膜，反应生成的水在底通道上排出，并通过下流道排出出气孔；
4)当更多的水积聚在底通道之上，这些水就集聚在液态水薄膜上，没有固-液接触，此时排水方式发生了变化，积聚在液态水薄膜上的水通过滑动的方式排出微流场，通过下流道排出出气孔，微流场的基底为部分圆台，在此结构基础上，液态水在液态水薄膜上的滑动为自排水机制，提高排水效率，最终提升燃料电池的性能和稳定性。
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