CN110993985A - 一种燃料电池金属双极板流场流道结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池金属双极板，所述双极板包括燃料气进口、燃料气出口、氧化剂进口、氧化剂出口、氧化剂流场和燃料气流场，所述氧化剂流场和燃料气流场分别位于双极板的左右两侧，所述氧化剂流场和燃料气流场均包括M条流道，M取整数，M≥1；所述每条流道内设置N个离散型凸起部，所述凸起部由位于流道底部的双极板凸起形成，N取整数，N≥1；所述氧化剂进口和氧化剂出口通过氧化剂流场中的流道相连通；所述燃料气进口和燃料气出口通过燃料气流场中的流道相连通。通过流场流道内设置的多个凸起部，提高了燃料电池的传质能力，进而提高了燃料电池的性能。

Description

一种燃料电池金属双极板流场流道结构

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种旨在提高燃料电池性能的双极板流场流道结构及其在燃料电池中的应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)(以下简称燃料电池)依靠电化学反应，将储存在燃料气(如氢气)中的化学能直接转变为电能。燃料电池发电过程具有常温启动快、能量转换效率高、尾气绿色无污染、安全等特点，可以广泛应用于固定电站、移动电站、航空(天)发电、水下设备发电、航海发电机、车载发电机、野外应急电源、便携电源等领域。在世界范围内，随着环保意识不断增强，各个国家都在大力推广环境友好能源的利用，从而推进燃料电池发电技术在近年也取得了突飞猛进的发展。燃料电池金属双极板电堆，由于其在更高的功率密度方面有着更大的优势，在燃料电池电堆中有着非常多的应用

燃料电池工作时，其内部需要燃料气(如氢气)和氧化剂气体(如空气)参与在燃料电池膜电极上进行的电化学反应。燃料气和氧化剂气体分别通过阳极侧流场和阴极侧流场进入对应的气体扩散层并最终到达阳极和阴极，共同参与燃料电池内的电化学反应并生产水。电化学反应产生的尾气及生成水通过膜电极的阳极、阴极及对应的扩散层排入阳极侧流场或阴极侧流场排出燃料电池。当前，对燃料电池功率密度和性能提高的需求不断增强，在提高燃料电池膜电极性能的同时，还需要燃料电池内部传质能力进一步提高，燃料气和氧化剂气体进入燃料电池阳极和阴极以及燃料电池尾气和生成水排出能力的要求相应提高。当燃料电池工作在大电流高功率状态时，需要大量燃料气和氧化剂气体进入燃料电池膜电极，同时要从膜电极排出大量电化学反应产生的尾气和生成水。如果不能及时的将燃料电池电化学反应所需燃料气和氧化剂气体及时送入膜电极，不能及时将燃料电池尾气和生成水排出膜电极，燃料电池就会发生传质极化现象，影响燃料电池性能的进一步提高，甚至劣化燃料电池的性能。因此，提高燃料电池内部的传质能力，对于大电流高功率运行的燃料电池是非常重要的。

TOYOTA公司的一种金属双极板(美国专利，公开号：US 20140045101 A1)，其为了实现增强燃料电池内部的传质，除了设置有两个单极板之外，还在阴极侧设置了一块专门用于增强传质的流场板，用于提高阴极侧的传质。这种为了增强阴极侧传质而设置阴极侧流场板的方式，虽然提高了燃料电池内部的传质，但同时增加了零件的数量，还增加了流场板与阴极侧单极板匹配的问题，增加了电池内部的接触电阻。这种设置流场板其提高了燃料电池的制造成本，还增加了燃料电池安装及维护的难度。

湖南理工学院开发的一种质子交换燃料电池平行三维波浪形流场(申请号：201910191814.0),其在流场流道中设置上表面纵向截面形状为连续波浪形曲线连续突起。虽然强化了燃料电池内部物质的混合和传递，但由于其在流道内设置的连续突起数量众多，在增加了加工制造难度的同时，其造成的流体阻力相对更大。尤其在空气侧，其造成的压降更显著，会导致对空压机等增压设备的性能要求明显提高，会造成能量损失更大，使设备选型要求更高，成本也同时增加。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种燃料电池金属双极板，所述双极板具有新的流场流道结构，通过流场流道内设置多个凸起部，强化了流道内流体进出膜电极的能力，促进了气体(燃料气或氧化剂气体)进入膜电极并使电化学反应生成的尾气及生成水离开膜电极，提高了燃料电池的传质能力，进而提高了燃料电池的性能。

本发明技术方案如下：

本发明一方面提供了一种燃料电池金属双极板，所述双极板包括燃料气进口、燃料气出口、氧化剂进口、氧化剂出口、氧化剂流场和燃料气流场，所述氧化剂流场和燃料气流场分别位于双极板的两个侧面；

所述氧化剂流场和燃料气流场均包括M条流道，M取整数，M≥1；

所述每条流道内设置N个离散型凸起部，所述凸起部由位于流道底部的双极板凸起形成，N取整数，N≥1；

所述氧化剂进口和氧化剂出口通过氧化剂流场中的流道相连通；

所述燃料气进口和燃料气出口通过燃料气流场中的流道相连通。

基于以上技术方案，优选地，

所述凸起部的宽度与所述流道宽度之比为2:5～1:1；

所述凸起部的长度与所述凸起部的高度之比为5:1～200:1；

所述凸起部的高度与所述流道的深度之比为1:10～4:5。

基于以上技术方案，优选地，

同一流道内的相邻两个凸起部的间距大于等于所述凸起部的长度。

基于以上技术方案，优选地，

同一流道内，任取两段长度相同的流道，A段和B段，流体由A段流向B段，所述A段中凸起部的数量小于B段中凸起部的数量；所述A段中凸起部的高度小于等于B段中凸起部的高度；所述A段中凸起部的宽度小于等于B段中凸起部的宽度。

基于以上技术方案，优选地，

所述流道沿流体流动方向为蛇形；所述同一流场中，不同流道之间相互平行；

基于以上技术方案，优选地，

所述双极板周边设有密封槽；

所述氧化剂进口和氧化剂出口以双极板的中心为中心点，呈中心对称；所述燃料气进口和燃料气出口以双极板的中心为中心点，呈中心对称。

基于以上技术方案，优选地，

所述双极板还包括冷却剂进口和冷却剂出口，所述冷却剂进口和冷却剂出以双极板的中心为中心点，呈中心对称。

本发明第二方面提供了一种燃料电池，所述燃料电池上述的金属双极板。

本发明所提供的新的燃料电池金属双极板，是在金属双极板流场流道设置离散的凸起部，这些离散的凸起部由位于流道底部的双极板凸起形成。这些流场流道底部的凸起部，其高度为流场流道深度的10％～80％，在双极板流场平面的投影是多道直线和(或)曲线围成的封闭图形，其宽度为流场流道宽度的40％～100％(参见图4)，其沿流场流体流动方向长度为其高度的5～200倍。流场的每条流道内设置多个凸起部，相邻的凸起部间距不小于凸起部的长度，并根据燃料电池需求调整各个相邻凸起部间距的大小。。

金属双极板流场流道有直线形、折线形、蛇形、波浪形等形状，其流场流道内的流体从流道上游向下游流动过程中，流道的截面积是不变的。本发明的金属双极板流场流道是在上述各种形状流道的底部设置多个离散的凸起部，当气体(燃料气或氧化剂气体)从流场流道的上游向下游流动的过程中，遇到设置在流道底部的凸起部时，流道的流通面积减小，流速降低，气体的压力提高，把流道内的气体推向膜电极的气体扩散层进而进入电极，参与燃料电池内的电化学反应；当气体继续向下游流动，流道的流通面积增大，气体流速加快，气体压力降低，从而将相邻的电极和气体扩散层中的气体、参与电化学反应后的尾气及电化学生成水推出膜电极。随着流体继续向下游流动，顺序流经流道内设置的多个凸起部，多次将流道内的流体推入膜电极，然后再将膜电极内的流体推出来。

从而使流体流经本发明流场流道凸起部过程中，流道的截面积发生变化，先减小后再增大，从而引起流道内流体压力变化，从而增加了燃料电池内部流体进入和流出膜电极的强度，提高了燃料电池内部传质能力。每条流道都设置多个凸起部，流体在每条流道内都会经历多次的压力波动，使流体在流经整条流道的过程都强化了燃料电池内部的传质能力。

本发明所述的金属双极板流场流道结构在流道底部所设置的凸起部，其在双极板流场面上的投影为多条线段和(或)曲线围成的封闭图形(参见图4)，如矩形(包含正方形)、圆形、椭圆形、菱形、扇形(参见图4的l图)、蛋形(参见图4的m图)，其包括凸起部占据流道相仿形的一段流道区域的情况(参见图1的a图，图4的h左侧图)；同样的，当流场平面处于水平方向时，所述凸起部的正视图为封闭的图形，如多边形、半椭圆形等，所述凸起部的左视图如三角形、梯形、矩形、半圆形、半椭圆形等(参见图2)。

当气体(燃料气或氧化剂气体)在阳极侧流场或阴极侧流场的流道内流动的过程中，其与流道壁面、膜电极气体扩散层存在一定的摩擦，气体进出膜电极气体扩散层，在非直线形流场流道内流体流动方向随流道变化等因素，都会造成流体压力的下降。但是这种下降是一个逐渐降低的过程，且在流道宽度或高度的尺度范围内，这种压力的降低是比较小的，对比整个燃料电池流场范围，可以忽略压力的下降，可以认为压力值基本相同。燃料电池在这种条件下工作，流场流道内底部和顶部的物质交换主要以浓差扩散为推动力，属于自然扩散，物质交换能力相对较低。

采用本发明所述的在金属双极板流场流道底部设置多个离散的凸起部后，会在流场流道内强制引起压力波动，强化流道内顶部与底部的物质交换能力。气体(燃料气或氧化剂气体)在本发明所述的双极板流场流动过程中(参见图5)，在经过流道底部凸起部前，位置为X1(代表凸起部的上游附近某个位置)，其中流动的气体压力为P，通过上面的说明，我们可以认为在流道内的凸起部前的一段流道内，这个压力保持不变；流体向下游流动，经过凸起部高度增加的部分时，位置为X2(代表凸起部高度增加的某个位置)，由于流道的横截面面积不断缩小，流体的流速下降，其气体压力P1不断升高，流道内的气体被不断的推入膜电极的扩散层，进而进入相对应的电极，同时流道底部的气体也被抬升，靠近流道顶部的位置，强迫流道底部与顶部进行物质交换；流体继续向下游流动，经过凸起部高度降低的部分时，位置为X3(代表凸起部高度减少的摸个位置)，由于流道的横截面面积不断扩大，流体的流速增加，其气体压力P2不断降低，流道内的气体被不断的推出电极及对应的气体扩散层，同时流道底部的气体也不断降低，逐渐靠近流道底部的位置，强迫流道顶部与底部进行物质交换；流体接着向下游流动，位置X4(代表凸起部的下游附近某个位置)，流场流道的高度恢复经过凸起部前的状态，压力值也基本恢复到P。流体在流经流场流道内设置的多个凸起部，会不断重复上述压力波动，从而强制推动流体进出膜电极。通过上述描述不难看出，本发明所述的金属双极板流场流道内设置的离散凸起部通过自身结构调整流道内流体的压力及流向，强化了燃料电池内部的传质能力。

上述描述本发明的金属双极板流场流道结构所设置凸起部参照图5进行说明，当流场平面处于水平方向时，所述凸起部的左视图为三角形。实际上，该界面还可以设置为其它形状(参见图2的c1～g1图)，除了可以设置为三角形，还可以设置为梯形、矩形、半圆形、半椭圆形等等，即可以是线段围成的封闭图形，也可以是曲线围成的图形，或者是线段与曲线共同围成的图形，其目的都是强化燃料电池内部的传质，提高燃料电池的性能；

图3中的c2～g2图对应于图2中的各个图，是对图2中的各个截面进行优化，这种优化可以适当降低凸起部造成的压力损失。

金属双极板流场流道设置凸起部，可以强化燃料电池内部的传质，同时由于每条流道设置多个离散的凸起部后，会造成一定的压力损失，并且设置的越多，压力损失越明显。当流场流道设置凸起部达到一定密度后，再增加凸起部的数量，燃料电池性能的提升已经不太明显了，但是造成的压力损失依然成比例的增加，需要在提高传质与造成的压力损失间找到平衡点。因此，流场流道凸起部在每条流道内是间隔离散设置的，且间距不小于1倍的凸起部沿流场流体流动方向长度。

金属双极板流场流道凸起部的设置，需要综合考虑燃料电池的参数、凸起部的尺寸、位于流场流道上下游的位置、设置的数量及造成的流体压力损失等因素。由于气体从流道上游向下游流动的过程中，由于不断的进行电化学反应，燃料气或氧化剂气体不断消耗减少，尾气、生成水的不断增加，本发明所述凸起部在流道上游设置的数量要小于下游的数量，其在流道下游的高度不小于上游的高度，宽度则是下游的凸起部宽度尺寸不小于上游的凸起部宽度尺寸。

有益效果

1、通过流场流道内设置的多个凸起部，强化了流道内流体进出膜电极的能力，促进了气体(燃料气或氧化剂气体)进入膜电极并使电化学反应生成的尾气及生成水离开膜电极，提高了燃料电池的传质能力，进而提高了燃料电池的性能。

2、本发明所述的燃料电池金属双极板流场流道设置凸起部，只需要调整流道底部的结构，不增加零件，加工难度不大，对成本影响微乎其微。通过这种结构的调整，其强化了燃料电池的传质，提高了燃料电池的性能，这对于发展大功率燃料电池电堆，提高燃料电池功率密度，促进燃料电池小型化是十分有益的。

附图说明

图1燃料电池金属双极板示意图(含凸起部及其放大图、平行流道方向的截面图)；

图2凸起部平行于流道方向的截面示例图(c1～g1)；

图3凸起部平行于流道方向的截面优化结构图(c2～g2)；

图4凸起部在双极板流场平面投影示意图(h～m)；

图5凸起部平行于流道方向的截面流体流动说明图(放大图)；

图6采用本发明流道结构双极板燃料电池性能与未采用的燃料电池极化曲线对比图示意图说明：1，燃料气出口；2，冷却剂进口；3，氧化剂进口；4，流场流道；5，流场；6.凸起部；7.流场凸台；8，密封槽；9，燃料气进口；10，冷却剂出口；，11，氧化剂出口；12，流场流道底部；13，流场流道顶部；14，燃料电池膜电极。

示意图内小图附加说明：a，流场处于水平方向时的凸起部俯视图(放大图)；b，凸起部平行流道方向的截面图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明的一种金属双极板流场流道结构做进一步具体说明。

实施例1：一种燃料电池金属双极板(图1)，所述双极板包括燃料气进口9、燃料气出口1、氧化剂进口3、氧化剂出口11、冷却剂进口2、冷却剂出口10、氧化剂流场和燃料气流场，所述氧化剂流场和燃料气流场分别位于双极板的左右两侧，所述氧化剂进口3和氧化剂出口11通过氧化剂流场中的流道相连通，所述燃料气进口9和燃料气出口1通过燃料气流场中的流道相连通；

所述氧化剂进口3和氧化剂出口11以双极板的中心为中心点，呈中心对称；所述燃料气进口9和燃料气出口1以双极板的中心为中心点，呈中心对称；所述冷却剂进口2和冷却剂出口10以双极板的中心为中心点，呈中心对称，所述双极板周边设有密封槽8；

所述氧化剂流场和燃料气流场均包括42条流道；所述每条流道内设置12个离散型凸起部，所述凸起部6由位于流道底部12的双极板凸起形成；所述流道沿流体流动方向为蛇形；所述同一流场中，不同流道之间相互平行；

双极板长460毫米，宽190毫米，厚度1.2毫米，流场流道宽度1.2毫米，流场深度0.5毫米；流场流道设置的凸起部6(图3的c2)，沿流道方向的截面为三角形，其在双极板流场平面投影采用与流场流道仿形(图1的a)，凸起部6的长度4.8毫米，高度0.2毫米，宽度1.2毫米，凸起部6在每条流道内间距28毫米均匀设置。

燃料电池操作压力为100-110kPa(表压)，操作温度为65℃，空气侧增湿50～60％(RH)，氢气侧不增湿；组装采用5节燃料电池的电堆。对比电堆仅为不采用流场流道凸起部的同样的电堆，其它结构及操作条件相同。两个电堆的性能对比见图6，可以明显的看出，采用本发明的燃料电池金属双极板流场流道结构的燃料电池电堆的性能更高，并且在极化曲线所示的范围内，没有出现传质极化现象。

以实施例1所述双极板为基础，通过仅仅调整凸起部6结构与数量的方式加工了如下几种双极板：

实施例2：以实施例1所述双极板为基础，仅仅调整凸起部结构尺寸，具体调整为：将凸起部长度调整为35毫米，凸起部在每条流道内间距40毫米均匀布置，其余尺寸及结构不变。

实施例3：以实施例1所述双极板为基础，仅仅调整凸起部结构尺寸，具体调整为：将凸起部长度调整为2毫米，凸起部高度为0.4毫米，凸起部在每条流道内间距8毫米，均匀布置，其余尺寸及结构不变。

实施例4：以实施例1所述双极板为基础，仅仅调整凸起部结构尺寸，具体调整为：将凸起部宽度0.5毫米，其余尺寸及结构不变。

实施例5：以实施例1所述双极板为基础，仅仅调整凸起部结构尺寸，具体调整为：凸起部间距从流道上游的30毫米向流道下游逐步减小到18毫米。

实施例2、实施例3、实施例4、实施例5，相对于不设置流道凸起部的双极板，燃料电池的性能更好，都通过设置凸起部来提高燃料电池的传质能力，从而提高了燃料电池的性能。

上面描述了一种金属双极板流场流道结构，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 (8)

1.一种燃料电池金属双极板，所述双极板包括燃料气进口、燃料气出口、氧化剂进口、氧化剂出口、氧化剂流场和燃料气流场，所述氧化剂流场和燃料气流场分别位于双极板的两个侧面，其特征在于，

所述氧化剂流场和燃料气流场均包括M条流道，M取整数，M≥1；

所述每条流道内设置N个离散型凸起部，所述凸起部由位于流道底部的双极板凸起形成，N取整数，N≥1；

所述氧化剂进口和氧化剂出口通过氧化剂流场中的流道相连通；

所述燃料气进口和燃料气出口通过燃料气流场中的流道相连通。

2.根据权利要求1所述的金属双极板，其特征在于，

所述凸起部的宽度与所述流道宽度之比为2:5～1:1；

所述凸起部的高度与所述凸起部的长度之比为1:200～1:5；

所述凸起部的高度与所述流道的深度之比为1:10～4:5。

3.根据权利要求2所述的金属双极板，其特征在于，同一流道内的相邻两个凸起部的间距大于等于所述凸起部的长度。

4.根据权利要求3所述的金属双极板，其特征在于，同一流道内，任取两段长度相同的流道，A段和B段，流体由A段流向B段，

所述A段中凸起部的数量小于B段中凸起部的数量；

所述A段中凸起部的高度小于等于B段中凸起部的高度；

所述A段中凸起部的宽度小于等于B段中凸起部的宽度。

5.根据权利要求1-4所述的金属双极板，其特征在于，

所述流道沿流体流动方向为蛇形；

所述同一流场中，不同流道之间相互平行。

6.根据权利要求5所述的金属双极板，其特征在于，

所述双极板周边设有密封槽；

所述氧化剂进口和氧化剂出口以双极板的中心为中心点，呈中心对称；

所述燃料气进口和燃料气出口以双极板的中心为中心点，呈中心对称。

7.根据权利要求1所述的金属双极板，其特征在于，所述双极板还包括冷却剂进口和冷却剂出口，所述冷却剂进口和冷却剂出以双极板的中心为中心点，呈中心对称。

8.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括权利要求1所述的金属双极板。

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