CN110739466B - 燃料电池的双极板和燃料电池 - Google Patents

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Abstract

公开了燃料电池的双极板和燃料电池，所述双极板包括设在其上的楔形结构，所述楔形结构包括固定层、第一亲水层、第二亲水层和第三亲水层，固定层包括上表面和将楔形结构固定于双极板上的下表面，第一亲水层设置于所述上表面，所述第一亲水层具有第一长度和第一宽度，第二亲水层设置于所述第一亲水层上，所述第二亲水层具有第一长度和第二宽度，第三亲水层盖设于所述第一亲水层和第二亲水层使得第一亲水层、第二亲水层和第三亲水层构成带有倾斜角度的楔形结构，所述第三亲水层具有第一长度和第三宽度，所述第三宽度大于第一宽度，所述第一宽度大于第二宽度。

Description

燃料电池的双极板和燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是一种燃料电池的双极板和燃料电池。
背景技术
随着环境污染和资源短缺问题日益严重，寻找绿色、环保的可再生能源和对应的动力设备已经成为了当今全球都面临并亟待解决的问题，也成为了全球科研工作者的研究热点领域。其中，以质子交换膜燃料电池技术为基础的新能源汽车以其高能量密度、高灵活性、低运行温度以及低环境污染的优点，已经慢慢成为新一代最有潜力的动力汽车。然而，质子交换膜燃料电池的成本较高，持久性较差，这大大阻碍了其全面推广和商业化应用。目前，推动质子交换膜燃料电池商业化的方法大致分为两种：一种是改进催化剂，一种是进行有效的水管理。这两种方法都可以加快燃料电池内部的反应速率，使得燃料电池的效率进一步的提高并降低成本。其中，燃料电池的水管理是指，通过一定的手段将氢气和氧气反应生成的水经气体流道快速排出，以防止产生的水堵塞流道，从而抑制氧气的扩散，降低电池的性能。
丰田在2014年12月推出的燃料电池汽车MIRAI已经初步实现了燃料电池的商业化应用。MIRAI采用的是三维微晶格结构流场板，可以使氧气以湍流的形式向阴极催化层扩散。流场正面和背面的形状以及表面的亲水性有助于将极板产生的水快速吸引到流场的背面，从而防止流场积水和对气流的阻碍，使得电池内的发电更加均匀、电池堆内的电压差异更小。有学者提出在双极板侧壁和顶部开直槽道来加快水的流动，其原理是应用直槽道的毛细作用加速水的快速排出；也有学者提出在双极板顶部贴一层亲水多孔材料来快速吸水，防止水淹现象。
随着质子交换膜燃料电池的电流密度进一步的提高，反应产生的水也在进一步的增加，现有技术很难确保水能及时排出，因此，需要更高效的水管理来加快水的快速排出，提高电池性能。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
鉴于上述问题，为了解决气体流道中水不能及时排走从而降低电池性能的问题，本发明提供了一种燃料电池的双极板和燃料电池。本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。
一种燃料电池的双极板包括设在其上的楔形结构，
所述的燃料电池的双极板中，所述楔形结构包括，
固定层，其包括上表面和将楔形结构固定于双极板上的下表面，
第一亲水层，其设置于所述上表面，所述第一亲水层具有第一长度和第一宽度，
第二亲水层，其设置于所述第一亲水层上，所述第二亲水层具有第一长度和第二宽度，
第三亲水层，其盖设于所述第一亲水层和第二亲水层使得第一亲水层、第二亲水层和第三亲水层构成带有倾斜角度的楔形结构，所述第三亲水层具有第一长度和第三宽度，所述第三宽度大于第一宽度，所述第一宽度大于第二宽度。
所述的燃料电池的双极板中，第三亲水层和第一亲水层形成的倾斜角度为1-45度。
所述的燃料电池的双极板中，第一亲水层、第二亲水层和/或第三亲水层由亲水多孔材料制成，亲水多孔材料制成包括亲水多孔滤纸。
所述的燃料电池的双极板中，第一亲水层、第二亲水层和/或第三亲水层为纤维素滤纸，孔径为5-15μm，孔隙率为0.3-0.7，厚度为0.1-0.5mm。
所述的燃料电池的双极板中，所述固定层经由下表面将楔形结构固定于双极板的顶壁，所述固定层为粘合衬层。
所述的燃料电池的双极板中，所述第一亲水层、第二亲水层和第三亲水层的中心轴线重合且第一亲水层、第二亲水层和第三亲水层基于中心轴线对称分布。
所述的燃料电池的双极板中，所述楔形结构经由工字型固定件固定于双极板的顶壁。
所述的燃料电池的双极板中，所述楔形结构为设在双极板顶壁的楔形槽道，所述楔形槽道底角的倾斜角度为1-45度。
根据本发明另一方面，一种燃料电池包括所述双极板。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明构建的楔形结构置于顶壁的结构，可利用楔形结构的毛细作用来实现快速吸水和快速排水，使得生成的水能及时排出气体流道，防止水堵塞流道，从而避免氧气的扩散被抑制，提高电池性能。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的燃料电池的双极板的结构示意图；
图2是根据本发明另一个实施例的燃料电池的双极板的立体结构示意图；
图3是根据本发明另一个实施例的燃料电池的双极板的截面示意图；
图4是根据本发明一个实施例的燃料电池的双极板的与现有技术的排水效果比较示意图；
图5是根据本发明一个实施例的燃料电池的双极板的气体流道示意图；
图6是根据本发明一个实施例的燃料电池的双极板顶部开楔形槽道结构的结构示意图；
图7是根据本发明一个实施例的燃料电池的双极板顶部构建楔形槽道结构的结构示意图；
图8是根据本发明一个实施例的燃料电池的双极板的楔形结构理论分析的示意图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图1至图8更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
为了更好地理解，如图1至图3所示，一种燃料电池的双极板包括设在其上的楔形结构5，所述楔形结构5包括，
固定层4，其包括上表面和将楔形结构5固定于双极板上的下表面，
第一亲水层3，其设置于所述上表面，所述第一亲水层3具有第一长度和第一宽度，
第二亲水层2，其设置于所述第一亲水层3上，所述第二亲水层2具有第一长度和第二宽度，
第三亲水层1，其盖设于所述第一亲水层3和第二亲水层2使得第一亲水层3、第二亲水层2和第三亲水层1构成带有倾斜角度的楔形结构5，所述第三亲水层1具有第一长度和第三宽度，所述第三宽度大于第一宽度，所述第一宽度大于第二宽度。
双极板顶部楔形结构是利用毛细作用将反应生成的水吸入到楔形槽道中，从而实现水的快速吸收和排出。毛细作用是指在没有外力(如重力)作用下，浸润或非浸润液体在狭窄空间中的流动现象。毛细压力的计算公式为公式(1)，其中，γ为表面张力，θ为接触角，R为毛细半径。从公式中可以看出，毛细半径越小，毛细压力越大。液体在流动过程中，除了受到毛细压力，还存在静水压力，液体在多孔介质中(本发明提出的楔形结构均可看作是多孔介质)的静水压力计算公式为公式(2)，其中l为流体的动力粘性，εs为多孔介质的孔隙率(对于亲水多孔滤纸楔形结构，孔隙率为滤纸的孔隙率，对于楔形槽道，可将孔隙率看做1进行处理)，h为液体流动的距离，kp为多孔介质的渗透率。由于牛顿第二定律，存在公式(3)的平衡关系式，从公式中可以看出，毛细半径越小，毛细压力越大，液体的流动速度越快。对于本发明提出的楔形结构，可将其看成是一系列半径不同的圆管组成，越接近底角或顶角，半径越小，其结构示意图如图8所示。
Figure BDA0002189493330000051
Figure BDA0002189493330000052
Δp＝pc (3)
通过实验证明楔形结构的吸水排水效果显著，参照图1所示，在倾斜角度为0的情况下，采用亲水多孔滤纸构成的楔形结构与亲水多孔滤纸构成的单层结构进行吸水排水实验，通过实验验证楔形结构能够加速吸水排水，从而证明在燃料电池气体流道顶部采用楔形结构能加速水的吸收和排出，提高电池性能。本实验的结果图如图4所示，从实验结果我们可以看出，水在亲水多孔滤纸构成的楔形结构中的流动速度远高于水在亲水多孔滤纸构成的单层结构中的流动速度，通过计算可得，水在楔形结构中的流动速度约为在单层结构中的10倍。本实验采用的是纤维素滤纸，孔径为5-15μm，孔隙率为0.3-0.7，厚度为0.1-0.5mm，接触角很小，是超亲水的材料(用于构建燃料电池双极板顶部亲水多孔滤纸楔形结构的材料并不局限于这一种)。
本发明采用由亲水多孔滤纸构建的楔形通道置于顶壁的结构，与由亲水滤纸直接置于顶壁的结构相比，可实现水的更快速流动。
所述的燃料电池的双极板的优选实施例中，本发明的双极板材料进行亲水处理，同时顶壁采用亲水多孔滤纸构建的楔形通道，以实现快速排水。亲水多孔滤纸楔形结构示意图如图1所示，其中1、2、3为亲水多孔滤纸，其长度一致，宽度不一，顶部最宽，底部次之，中部最短，4为粘合衬材料。通过粘合衬的粘合作用将滤纸粘合起来，形成如图所示的楔形结构。
为了进一步理解本发明，参见图4所示，本发明的亲水多孔滤纸构成的楔形结构与亲水多孔滤纸构成的单层结构进行预定时间内的排水距离对比，亲水多孔滤纸为纤维素滤纸，孔径为5-15μm，孔隙率为0.3-0.7，厚度为0.1-0.5mm，接触角很小，是超亲水的材料。如图4所示，证明在燃料电池气体流道顶部采用楔形结构能加速水的排出，提高电池性能。
现有技术的燃料电池的气体流道多为直通道，本发明是将亲水多孔滤纸楔形结构用于燃料电池的气体流道的顶壁，图5为燃料电池气体流道示意图，从图中可以看出，楔形结构利用工字型材料固定在顶部，工字型的固定件只需在气流流道的入口和出口处布置，这样既可以起固定作用，又可以减小阻力，节约成本。
所述的燃料电池的双极板的优选实施例中，第三亲水层1和第一亲水层3形成的倾斜角度为1-45度。
所述的燃料电池的双极板的优选实施例中，第一亲水层3、第二亲水层2和/或第三亲水层1由亲水多孔材料制成。
所述的燃料电池的双极板的优选实施例中，第一亲水层3、第二亲水层2和/或第三亲水层1包括亲水多孔滤纸。
所述的燃料电池的双极板的优选实施例中，第一亲水层3、第二亲水层2和/或第三亲水层1为纤维素滤纸，孔径为5-15μm，孔隙率为0.3-0.7，厚度为0.1-0.5mm。
所述的燃料电池的双极板的优选实施例中，所述固定经由下表面将楔形结构5固定于双极板的顶壁。
所述的燃料电池的双极板的优选实施例中，所述固定层4为粘合衬层。
所述的燃料电池的双极板的优选实施例中，所述楔形结构5经由工字型固定件固定于双极板的顶壁。
所述的燃料电池的双极板的优选实施例中，所述第一亲水层3、第二亲水层2和第三亲水层1的中心轴线重合且第一亲水层3、第二亲水层2和第三亲水层1基于中心轴线对称分布。
所述的燃料电池的双极板的优选实施例中，楔形结构采用双极板项部开楔形槽道：
该方案是在燃料电池双极板顶壁开楔形槽道，图6为该燃料电池气体流道的左视图，1为双极板，2为气体流道，3为顶部楔形槽道。楔形槽道的顶角很小，则毛细半径也很小，由毛细压力的公式可知，此时具有较大的毛细压力，可实现水的快速吸收和排出。可采用机加工等方法对双极板进行开槽，形成该楔形结构。
所述的燃料电池的双极板的优选实施例中，楔形结构采用双极板顶部构建楔形槽道：
该方案是在燃料电池双极板顶壁构建楔形槽道，图7为该燃料电池气体流道的左视图，1为双极板，2为气体流道，3为顶部楔形槽道(由双极板顶壁和气体流道构建而成)。楔形槽道的底角很小，则毛细半径也很小，由毛细压力的公式可知，此时具有较大的毛细压力，可实现水的快速吸收和排出。该结构同样可以进行机械加工，加工工艺简单快捷。
利用楔形结构的毛细作用来实现快速吸水和快速排水，使得生成的水能及时排出气体流道从而提高电池性能。
根据本发明另一方面，一种燃料电池包括所述双极板。
工业实用性
本发明所述的燃料电池的双极板和燃料电池可以在燃料电池领域制造并使用。
以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (9)

1.一种燃料电池的双极板，其特征在于，所述双极板包括设在其上的楔形结构，所述楔形结构包括，
固定层，其包括上表面和将楔形结构固定于双极板上的下表面，
第一亲水层，其设置于所述上表面，所述第一亲水层具有第一长度和第一宽度，
第二亲水层，其设置于所述第一亲水层上，所述第二亲水层具有第一长度和第二宽度，
第三亲水层，其盖设于所述第一亲水层和第二亲水层使得第一亲水层、第二亲水层和第三亲水层构成带有倾斜角度的楔形结构，所述第三亲水层具有第一长度和第三宽度，所述第三宽度大于第一宽度，所述第一宽度大于第二宽度。
2.如权利要求1所述的燃料电池的双极板，其中，第三亲水层和第一亲水层形成的倾斜角度为1-45度。
3.如权利要求1所述的燃料电池的双极板，其中，第一亲水层、第二亲水层和/或第三亲水层由亲水多孔材料制成，亲水多孔材料制成包括亲水多孔滤纸。
4.如权利要求1所述的燃料电池的双极板，其中，第一亲水层、第二亲水层和/或第三亲水层为纤维素滤纸，孔径为5-15μm，孔隙率为0.3-0.7，厚度为0.1-0.5mm。
5.如权利要求1所述的燃料电池的双极板，其中，所述固定层经由下表面将楔形结构固定于双极板的顶壁，所述固定层为粘合衬层。
6.如权利要求1所述的燃料电池的双极板，其中，所述第一亲水层、第二亲水层和第三亲水层的中心轴线重合且第一亲水层、第二亲水层和第三亲水层基于中心轴线对称分布。
7.如权利要求1所述的燃料电池的双极板，其中，所述楔形结构经由工字型固定件固定于双极板的顶壁。
8.如权利要求1所述的燃料电池的双极板，其中，所述楔形结构为设在双极板顶壁的楔形槽道，所述楔形槽道底角的倾斜角度为1-45度。
9.一种燃料电池，其包括权利要求1-8中任一项的双极板。
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