CN111180755A - 一种燃料电池金属双极板分区域流道 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池金属双极板分区域流道，属燃料电池技术领域，提出一种金属双极板分区域流道新结构，每条氢气流道包括氢气流道进气区、氢气流道下降区、氢气流道最低区、氢气流道出气区，所述进气区至少包括两个进气台阶，所述下降区至少包括一个台阶，所述最低区和出气区分别包括一个台阶；每条氧气流道包括氧气流道进气区、氧气流道最高区、氧气流道下降区、氧气流道出气区；所述氧气、氢气流道每相邻台阶首尾采用斜坡面连接；所述氢气流道深度呈整体逐渐减小，至最低区后再增大；所述氧气流道深度呈现整体逐渐增大，至最高区后再减小特征；本发明能解决金属双极板流道内气体流速慢、压强不足问题，能提高电化学反应充分性、排水性和极板使用寿命。

Description

一种燃料电池金属双极板分区域流道
技术领域
本发明涉及一种燃料电池金属双极板分区域流道，它属于燃料电池技术领域。
背景技术
金属双极板燃料电池是一种将化学能转换为电能的装置，主要反应物是氢气和氧气，生成物仅有水，是一种环境友好型的装置。金属双极板是燃料电池的重要组成部分，是电堆中的“骨架”，其重量约占到燃料电池电堆重量的80％以上；燃料电池对氢气纯度要求较高，需要达到99.99％以上，硫、碳和氨等杂质含量对质子交换膜和催化剂的使用寿命有严重的影响；现有的金属双极板直流道构型易造成流道内反应气体流速慢、压强不足而导致局部反应不充分，甚至还会因流速慢造成反应物杂质以及生成物堆积在极板上，从而腐蚀极板，影响燃料电池的性能；因此，需要发明新型金属双极板流道构型，使得燃料电池反应气体扩散性、排水性和极板耐腐蚀性等性能得到改善提高。
发明内容
本发明的目的是在进气压力确定的条件下，解决流道内因气体流速慢、压强不足而造成电化学反应不充分的问题，同时解决反应物流速低导致反应物中杂质在金属双极板表面沉积造成寿命下降的问题；为克服以上现有技术存在的缺陷，提出一种燃料电池金属双极板分区域的新型氢气流道和氧气流道构型。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池金属双极板分区域流道，金属双极板包括阴极单极板、阳极单极板，所述阴极单极板上设有的氧气流道、所述阳极单极板上设有的氢气流道，所述阴极单极板与所述阳极单极板凸凹对称，其特征在于：所述每条氢气流道在沿着气体流动方向上包括氢气流道进气区、氢气流道下降区、氢气流道最低区和氢气流道出气区，所述氢气流道进气区至少包括两个进气台阶，所述氢气流道下降区至少包括一个下降台阶，所述氢气流道最低区包括一个最低台阶，所述氢气流道出气区包括一个出气台阶，所述每条氢气流道包括m个台阶；所述每条氧气流道沿着气体流动方向上，包括氧气流道进气区、氧气流道最高区、氧气流道下降区和氧气流道出气区，所述氧气流道进气区包括一个进气台阶，所述氧气流道最高区包括一个最高台阶，所述氧气流道下降区至少包括一个下降台阶，所述氧气流道出气区至少包括两个出气台阶，所述每条氧气流道包括m个台阶；
所述氢气流道台阶的深度包括氢气流道进气区台阶流道深度、氢气流道下降区台阶流道深度、氢气流道最低区台阶流道深度、氢气流道出气区台阶流道深度四类，所述氢气流道进气区台阶流道深度Y1(X,Z)按如下模型确定：
Figure BDA0002388173270000021
式(1)中，H1为氢气流道入口处在坐标(X,Z)＝(0,0)处的流道深度；ΔH为每条氢气流道相邻两节台阶首尾连接斜坡面投影到Y轴方向的流道深度的差值，ΔH∈[0.05，0.15]mm；l是从每个台阶起始位置到尾部在X轴上的投影长度，每级台阶投影长度相等；N1为整数，是对氢气流道进气区沿着气流方向对台阶的顺次编号，N1∈[1,b]，b≥2，其中，1指进气区入口第一个台阶编号最小取值，b为整数，指进气区出口最后一个台阶编号，自变量X∈[0,bl]；a为每级台阶的深度系数，a∈[0,0.02]；K为每条氢气流道相邻两节台阶斜坡面的斜率，K＞0。
进一步地，所述的一种燃料电池金属双极板分区域流道，其特征在于：所述氢气流道下降区和最低区台阶流道深度按如下模型确定：
1)所述氢气流道下降区台阶流道深度Y2(X,Z)按如下模型确定：
Figure BDA0002388173270000022
式(2)中，N2取整数，是氢气流道下降区沿着气体流动方向对台阶的顺次编号，N2∈[b+1,m-2]，m-b≥3，其中，b+1指下降区入口第一个台阶的编号最小取值，m-2指下降区出口最后一个台阶的编号最大取值，m取整数，自变量X∈[(b+1)l,(m-2)l]；
2)所述氢气流道最低区台阶流道深度Y3(X,Z)按如下模型确定：
Figure BDA0002388173270000023
式(3)中，N3为整数，是氢气流道最低区沿着气流方向对台阶的顺次编号，N3＝m-1，自变量X∈((m-2)l,(m-1)l]。
进一步地，所述的一种燃料电池金属双极板分区域流道，其特征在于：所述氢气流道出气区台阶流道深度Y4(X,Z)按如下模型确定：
Figure BDA0002388173270000024
式(4)中，N4为整数，是氢气流道出气区沿着气流方向对台阶的顺次编号，N4＝m，自变量X∈((m-1)l,ml]；所述氢气流道深度从氢气流道进气区到氢气流道下降区呈整体逐渐减小至氢气流道最低区后，在氢气流道出气区再增大，其中，氢气流道最低区流道深度最低。
进一步地，所述的一种燃料电池金属双极板分区域流道，其特征在于：所述氧气流道进气区台阶流道深度y1(x,z)按如下模型确定：
Figure BDA0002388173270000031
式(5)中，h1为氧气流道入口处在坐标(x,z)＝(0,0)处的流道深度，h1与H1取值相等；自变量x∈[0,l]，a为每级台阶的深度系数，a∈[0,0.02]。
进一步地，所述的一种燃料电池金属双极板分区域流道，其特征在于：所述氧气流道最高区和下降区台阶流道深度按如下模型确定：
1)所述氧气流道最高区台阶流道深度y2(x,z)按如下模型确定：
Figure BDA0002388173270000032
式(6)中，Δh为每条氧气流道相邻两节台阶首尾连接倾斜面投影到y轴方向的流道深度差值，Δh与ΔH取值相等；n2为整数，是氧气流道最高区沿着气流方向对台阶的顺次编号，n2＝2，自变量x∈(l,2l]，k为每条氧气流道相邻两节台阶斜坡面的斜率，k与K取值相等；
2)所述氧气流道下降区台阶流道深度y3(x,z)按如下模型确定：
Figure BDA0002388173270000033
式(7)中，n3为整数，是氧气流道下降区沿着气流方向对台阶的顺次编号，n3∈[3,c]，c≥3，3指下降区的入口第一个台阶的编号最小取值，c为整数，指下降区的出口最后一个台阶的编号，自变量x∈[3l,cl]。
进一步地，所述的一种燃料电池金属双极板分区域流道，其特征在于：所述氧气流道出气区台阶流道深度y4(x,z)按如下模型确定：
Figure BDA0002388173270000034
式(8)中，n4为整数，是氧气流道出气区沿着气流方向对台阶的顺次编号，n4∈[c+1,m]，m-c≥2，c+1指氧气流道出气区入口第一个台阶的编号最小取值，自变量x∈[(c+1)l,ml]；所述氧气流道深度从氧气流道进气区到氧气流道最高区呈现整体逐渐增大，至氧气流道最高区后，在氧气流道下降区和氧气流道出气区整体减小，其中，氧气流道最高区流道深度最大。
进一步地，所述的一种燃料电池金属双极板分区域流道，其特征在于：所述氧气流道和氢气流道上每相邻两节台阶首尾采用斜坡面结构连接的形式；
1)所述斜坡面的氢气流道深度Y(X,Z)按如下模型确定：
Figure BDA0002388173270000041
Figure BDA0002388173270000042
式(9)、(10)中，N为整数，是氢气流道沿着气流方向全部台阶的顺次编号，N∈[1,m]，1指氢气流道的入口处第一个台阶的编号最小取值，m为整数，指氢气流道的出口处最后一个台阶的编号，当台阶编号N∈[1,m-1]采用公式(9)计算，当台阶编号N＝m采用公式(10)计算；
2)所述斜坡面的氧气流道深度y(x,z)按如下模型确定：
y5(x,z)＝h1+k(x-nl) (11)
Figure BDA0002388173270000043
Figure BDA0002388173270000044
式(11、12、13)中，n为整数，是氧气流道沿着气流方向对台阶顺次编号，n∈[1,m]，1指氧气流道的入口处第一个台阶的编号最小取值，m指氧气流道的出口处最后一个台阶的编号最大取值，当台阶编号n＝1采用公式(11)计算，当台阶编号n＝2采用公式(12)计算，当台阶编号n∈[3,m]采用公式(13)计算。
当每级台阶的幅值系数a＝0时，氢气流道和氧气流道的底面为平面；当每级台阶的幅值系数a≠0时，氢气流道和氧气流道的底面为曲面。
本发明的有益效果为：
本发明提出一种金属双极板分区域流道，将氧气流道和氢气流道深度沿气体流动方向分为四种台阶区域，通过对每个区域及内部台阶设定合理的流道深度，并对相邻台阶间采用斜坡面连接结构方案，增强反应气体的扰动性能，使其在流场中分布更均匀，促进电池内部电化学反应能力；同时，与现有直流道结构相比，本发明能提高反应气体流速，有利于流道内生成的水及时排出；同时能克服硫、碳和氨等杂质在金属双极板表面沉积，提高电池使用寿命。
附图说明
图1为本发明的台阶数为5阶，幅值系数a≠0，阳极单极板上底面为曲面时氢气流道区域的局部结构示意图；
图2为本发明的台阶数为5阶，幅值系数a＝0，阳极单极板上底面为平面时氢气流道区域的局部结构示意图；
图3为本发明的台阶数为5阶，幅值系数a≠0，阴极单极板上底面为曲面时氧气流道区域的局部结构示意图；
图4为本发明的台阶数为5阶，幅值系数a＝0，阴极单极板上底面为平面时氧气流道区域的局部结构示意图；
图5为本发明的台阶数为5阶，幅值系数a≠0，氢气流道底面为曲面时的流道台阶示意图；
图6为本发明的台阶数为5阶，幅值系数a＝0，氢气流道底面为平面时的流道台阶示意图；
图7为本发明的台阶数为5阶，幅值系数a≠0，氧气流道底面为曲面时的流道台阶示意图；
图8为本发明的台阶数为5阶，幅值系数a＝0，氧气流道底面为平面时的流道台阶示意图；
图中，1-氢气流道、2-氧气流道、3-阳极单极板、4-阴极单极板、5-氢气流道槽底、6-氢气流道壁、7-斜坡面、8-氧气流道槽底、9-氧气流道壁。
具体实施方式
以下，基于附图详细说明本发明的实施例。
图1～图4所示，一种燃料电池金属双极板分区域流道，包括阴极单极板4上设有的氧气流道2、阳极单极板3上设有的氢气流道1，所述阴极单极板4与所述阳极单极板3凸凹对称，其中，所述每条氢气流道1沿着气体流动方向上包括氢气流道进气区、氢气流道下降区、氢气流道最低区和氢气流道出气区，所述氢气流道进气区至少包括两个进气台阶，所述氢气流道下降区至少包括一个下降台阶，所述每条氢气流道最低区包括一个最低台阶，所述氢气流道出气区包括一个出气台阶，所述每条氢气流道包括m个台阶；所述每条氧气流道2沿着气体流动方向上，包括氧气流道进气区、氧气流道最高区、氧气流道下降区和氧气流道出气区，所述氧气流道进气区包括一个进气台阶，所述氧气流道最高区包括一个最高台阶，所述每条氧气流道下降区至少包括一个下降台阶，所述氧气流道出气区至少包括两个出气台阶，所述每条氧气流道包括m个台阶；所述每条氧气流道和氢气流道上每相邻两节台阶之间是斜坡面连接形式，如图5～图8所示。
氢气流道台阶的深度包括氢气流道进气区台阶流道深度、氢气流道下降区台阶流道深度、氢气流道最低区台阶流道深度、氢气流道出气区台阶流道深度四类，所述氢气流道进气区台阶流道深度Y1(X,Z)按如下模型确定：
Figure BDA0002388173270000061
式(1)中，H1为氢气流道入口处在坐标(X,Z)＝(0,0)处的流道深度；ΔH为每条氢气流道相邻两节台阶首尾连接斜坡面投影到Y轴方向的流道深度的差值，ΔH∈[0.05，0.15]mm；l是从每个台阶起始位置到尾部在X轴上的投影长度，每级台阶投影长度相等；N1为整数，是对氢气流道进气区沿着气流方向对台阶的顺次编号，N1∈[1,b]，b≥2，其中，1指进气区入口第一个台阶编号，b为整数，指进气区出口最后一个台阶编号，自变量X∈[0,bl]；a为每级台阶的深度系数，a∈[0,0.02]；K为每条氢气流道相邻两节台阶斜坡面的斜率，K＞0。
所述氢气流道下降区和最低区台阶流道深度按如下模型确定：
1)所述氢气流道下降区台阶流道深度Y2(X,Z)按如下模型确定：
Figure BDA0002388173270000062
式(2)中，N2取整数，是氢气流道下降区沿着气体流动方向对台阶的顺次编号，N2∈[b+1,m-2]，m-b≥3，其中，b+1指下降区入口第一个台阶的编号，m-2指下降区出口最后一个台阶的编号，m取整数，自变量X∈[(b+1)l,(m-2)l]；
2)所述氢气流道最低区台阶流道深度Y3(X,Z)按如下模型确定：
Figure BDA0002388173270000063
式(3)中，N3为整数，是氢气流道最低区沿着气流方向对台阶的顺次编号，N3＝m-1，自变量X∈((m-2)l,(m-1)l]。
所述氢气流道出气区台阶流道深度Y4(X,Z)按如下模型确定：
Figure BDA0002388173270000071
式(4)中，N4为整数，是氢气流道出气区沿着气流方向对台阶的顺次编号，N4＝m，自变量X∈((m-1)l,ml]。
所述氧气流道进气区台阶流道深度y1(x,z)按如下模型确定：
Figure BDA0002388173270000072
式(5)中，h1为氧气流道入口处在坐标(x,z)＝(0,0)处的流道深度，h1与H1取值相等；自变量x∈[0,l]，a为每级台阶的深度系数，a∈[0,0.02]。
所述氧气流道最高区和下降区台阶流道深度按如下模型确定：
1)所述氧气流道最高区台阶流道深度y2(x,z)按如下模型确定：
Figure BDA0002388173270000073
式(6)中，Δh为每条氧气流道相邻两节台阶首尾连接斜坡面投影到y轴方向的流道深度差值，Δh与ΔH取值相等；n2为整数，是氧气流道最高区沿着气流方向对台阶的顺次编号，n2＝2，自变量x∈(l,2l]，k为每条氧气流道相邻两节台阶斜坡面的斜率，k与K取值相等；
2)所述氧气流道下降区台阶流道深度y3(x,z)按如下模型确定：
Figure BDA0002388173270000074
式(7)中，n3为整数，是氧气流道下降区沿着气流方向对台阶的顺次编号，n3∈[3,c]，c≥3，3指下降区的入口第一个台阶的编号，c为整数，指下降区的出口最后一个台阶的编号，自变量x∈[3l,cl]。
所述氧气流道出气区台阶流道深度y4(x,z)按如下模型确定：
Figure BDA0002388173270000075
式(8)中，n4为整数，是氧气流道出气区沿着气流方向对台阶的顺次编号，n4∈[c+1,m]，m-c≥2，c+1指氧气流道出气区入口第一个台阶的编号，自变量x∈[(c+1)l,ml]。
所述氧气流道和氢气流道上每相邻两节台阶首尾为斜坡面结构的连接形式；
1)所述斜坡面的氢气流道深度Y(XZ)按如下模型确定：
Figure BDA0002388173270000081
Figure BDA0002388173270000082
式(9、10)中，N为整数，是氢气流道沿着气流方向全部台阶的顺次编号，N∈[1,m]，1指氢气流道的入口处第一个台阶的编号，m为整数，指氢气流道的出口处最后一个台阶的编号，当台阶编号N∈[1,m-1]采用公式(9)计算，当台阶编号N＝m采用公式(10)计算；
2)所述斜坡面的氧气流道深度y(x,z)按如下模型确定：
y5(x,z)＝h1+k(x-nl) (11)
Figure BDA0002388173270000083
Figure BDA0002388173270000084
式(11、12、13)中，n为整数，是氧气流道沿着气流方向对台阶顺次编号，n∈[1,m]，1指氧气流道的入口处第一个台阶的编号，m指氧气流道的出口处最后一个台阶的编号，当台阶编号n＝1采用公式(11)计算，当台阶编号n＝2采用公式(12)计算，当台阶编号n∈[3,m]采用公式(13)计算。
图1～图2出示了所述每条氢气流道进气区包括两个进气台阶，所述氢气流道下降区包括一个下降台阶，所述氢气流道最低区包括一个最低台阶，所述氢气流道出气区包括一个出气台阶，则所述每条氢气流道包括5个台阶；当每条氧气流道沿着气体流动方向上，所述氧气流道进气区包括一个进气台阶，所述氧气流道最高区包括一个最高台阶，所述氧气流道下降区包括一个下降台阶，所述氧气流道出气区包括两个出气台阶，所述每条氧气流道包括5个台阶，如图3～图4所示；所述每条氧气流道和氢气流道上每相邻两节台阶之间是斜坡面结构连接形式，如图1、3所示。
当每级台阶的幅值系数a≠0，且氢气、氧气流道均包括5个台阶时，氢气流道1、氧气流道2的底面均为曲面，如图5、图7所示；当每级台阶的幅值系数a＝0，且氢气、氧气流道包括5个台阶时，氢气流道1、氧气流道2的底面均为平面，如图6、图8所示。
当氢气通过图1、图2所示的阳极单极板内各氢气流道时，以图5、图6出示的单条流道为例，各流道内气体变化特征相同。当氢气通过氢气流道进气区，所述氢气流道进气区流道深度呈整体减小特征，使得通过的氢气压力减小、流速增大；当氢气顺次通过氢气流道下降区和氢气流道最低区时，所述氢气流道下降区、氢气流道最低区各台阶流道深度比氢气流道进气区各台阶流道深度小，使得氢气压力进一步减小，氢气流速进一步增大，这利于流道内增湿反应气体扩散；与氢气流道最低区内比较，当氢气通过氢气流道出气区时，所述氢气流道出气区比氢气流道最低区的各台阶流道深度增大，氢气压力增大、流速降低，能提高该区域氢气向图5中坐标平面XOZ上膜电极内气体扩散层的扩散能力，从而提升该区域电流密度，改善该流道电流密度的均匀性。
图5出示氢气流道各区局部：氢气流道进气区、氢气流道出气区的各台阶流道深度具有由小增大再减小特征，使得氢气压力在各台阶局部由小增大再减小，氢气流速由大减小再增大；所述氢气流道下降区、氢气流道最低区的各台阶流道深度具有由大减小再增大的特征，使得氢气压力由大减小再增大，氢气流速由小增大再减小。图6出示氢气流道各区局部：所述氢气流道四个区域中，各台阶的流道深度不同，每个台阶底面为平面，每个台阶本体的流道深度不变。所述各流道四个区域局部流道深度变化使得在该区域内气体扰流特性增加，促使氢气向所述膜电极内气体扩散层扩散，提高氢气利用率。
当氧气通过图3、图4所示的阴极单极板内各氧气流道时，以图7、图8出示的单条流道为例，各流道内气体变化特征相同。当氧气顺次通过氧气流道进气区和氧气流道最高区时，所述氧气流道进气区、氧气流道最高区流道深度呈现整体增大特性，使得通过的氧气压力增大，流速减小，能提高该区域氧气向图7中坐标平面xoz上膜电极内气体扩散层的扩散能力，提高氧气利用率；当氧气通过氧气流道下降区时，所述氧气流道下降区各台阶深度比氧气流道最高区的台阶流道深度减小，氧气压力减小，氧气流速增大；与下降区内比较，当氧气通过氧气流道出气区时，所述氧气流道出气区各台阶比氧气流道下降区流道深度整体减小，氧气压力进一步增大、流速进一步降低，能提高该区域水汽排出能力，避免阴极水淹。
图7出示氧气流道各区局部：氧气流道进气区、氧气流道出气区各台阶流道深度均具有由大减小再增大的特征，使得氧气压力在各台阶局部由大减小再增大，氧气流速由小增大再减小；所述氧气流道最高区和氧气流道下降区各台阶流道深度均具有由小增大再减小的特征，使得氧气压力由小增大再减小，氧气流速由大减小再增大。图8出示氧气流道各区局部：所述氧气流道四个区域中，各台阶的流道深度不同，每个台阶底面为平面，每个台阶本体的流道深度不变。所述各流道微区域局部深度变化使得在该区域内气体扰流特性增加，促使氧气向所述膜电极内气体扩散层扩散，提高氧气利用率。
与现有直流道对比，所述斜坡面结构增强了阳极单极板、阴极单极板各流道内气体扰流能力，且将台阶连接处的气体流动阻力保持在合理范围，使得沉积在流道底板的杂质及时排出，避免因反应气中杂质附着在流道内壁而导致极板腐蚀，延长极板使用寿命。

Claims (7)

1.一种燃料电池金属双极板分区域流道，包括阴极单极板上设有的氧气流道、阳极单极板上设有的氢气流道，所述阴极单极板与所述阳极单极板凸凹对称，其特征在于：所述每条氢气流道在沿着气体流动方向上包括氢气流道进气区、氢气流道下降区、氢气流道最低区和氢气流道出气区，所述氢气流道进气区至少包括两个进气台阶，所述氢气流道下降区至少包括一个下降台阶，所述氢气流道最低区包括一个最低台阶，所述氢气流道出气区包括一个出气台阶，所述每条氢气流道包括m个台阶；所述每条氧气流道沿着气体流动方向上，包括氧气流道进气区、氧气流道最高区、氧气流道下降区和氧气流道出气区，所述氧气流道进气区包括一个进气台阶，所述氧气流道最高区包括一个最高台阶，所述氧气流道下降区至少包括一个下降台阶，所述氧气流道出气区至少包括两个出气台阶，所述每条氧气流道包括m个台阶；
所述氢气流道台阶的深度包括氢气流道进气区台阶流道深度、氢气流道下降区台阶流道深度、氢气流道最低区台阶流道深度、氢气流道出气区台阶流道深度四类，所述氢气流道进气区台阶流道深度Y1(X,Z)按如下模型确定：
Figure FDA0002388173260000011
式(1)中，H1为氢气流道入口处在坐标(X,Z)＝(0,0)处的流道深度；ΔH为每条氢气流道相邻两节台阶首尾连接斜坡面投影到Y轴方向的流道深度的差值，ΔH∈[0.05，0.15]mm；l是从每个台阶起始位置到尾部在X轴上的投影长度，每级台阶投影长度相等；N1为整数，是对氢气流道进气区沿着气流方向对台阶的顺次编号，N1∈[1,b]，b≥2，其中，1指进气区入口第一个台阶编号，b为整数，指进气区出口最后一个台阶编号，自变量X∈[0,bl]；a为每级台阶的深度系数，a∈[0,0.02]；K为每条氢气流道相邻两节台阶斜坡面的斜率，K＞0。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属双极板分区域流道，其特征在于：所述氢气流道下降区、氢气流道最低区台阶流道深度按如下模型确定：
1)所述氢气流道下降区台阶流道深度Y2(X,Z)按如下模型确定：
Figure FDA0002388173260000012
式(2)中，N2取整数，是氢气流道下降区沿着气体流动方向对台阶的顺次编号，N2∈[b+1,m-2]，m-b≥3，其中，b+1指下降区入口第一个台阶的编号，m-2指下降区出口最后一个台阶的编号，m取整数，自变量X∈[(b+1)l,(m-2)l]；
2)所述氢气流道最低区台阶流道深度Y3(X,Z)按如下模型确定：
Figure FDA0002388173260000021
式(3)中，N3为整数，是氢气流道最低区沿着气流方向对台阶的顺次编号，N3＝m-1，自变量X∈((m-2)l,(m-1)l]。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属双极板分区域流道，其特征在于：所述氢气流道出气区台阶流道深度Y4(X,Z)按如下模型确定：
Figure FDA0002388173260000022
式(4)中，N4为整数，是氢气流道出气区沿着气流方向对台阶的顺次编号，N4＝m，自变量X∈((m-1)l,ml]；所述氢气流道深度从氢气流道进气区到氢气流道下降区呈整体逐渐减小至氢气流道最低区后，在氢气流道出气区再增大，其中，氢气流道最低区流道深度最低。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属双极板分区域流道，其特征在于：所述氧气流道进气区台阶流道深度y1(x,z)按如下模型确定：
Figure FDA0002388173260000023
式(5)中，h1为氧气流道入口处在坐标(x,z)＝(0,0)处的流道深度，h1与H1取值相等；自变量x∈[0,l]，a为每级台阶的深度系数，a∈[0,0.02]。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属双极板分区域流道，其特征在于：所述氧气流道最高区、氧气流道下降区台阶流道深度按如下模型确定：
1)所述氧气流道最高区台阶流道深度y2(x,z)按如下模型确定：
Figure FDA0002388173260000024
式(6)中，Δh为每条氧气流道相邻两节台阶首尾连接斜坡面投影到y轴方向的流道深度差值，Δh与ΔH取值相等；n2为整数，是氧气流道最高区沿着气流方向对台阶的顺次编号，n2＝2，自变量x∈(l,2l]，k为每条氧气流道相邻两节台阶斜坡面的斜率，k与K取值相等；
2)所述氧气流道下降区台阶流道深度y3(x,z)按如下模型确定：
Figure FDA0002388173260000025
式(7)中，n3为整数，是氧气流道下降区沿着气流方向对台阶的顺次编号，n3∈[3,c]，c≥3，3指下降区的入口第一个台阶的编号，c为整数，指下降区的出口最后一个台阶的编号，自变量x∈[3l,cl]。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属双极板分区域流道，其特征在于：所述氧气流道出气区台阶流道深度y4(x,z)按如下模型确定：
Figure FDA0002388173260000031
式(8)中，n4为整数，是氧气流道出气区沿着气流方向对台阶的顺次编号，n4∈[c+1,m]，m-c≥2，c+1指氧气流道出气区入口第一个台阶的编号，自变量x∈[(c+1)l,ml]；所述氧气流道深度从氧气流道进气区到氧气流道最高区呈现整体逐渐增大，至氧气流道最高区后，在氧气流道下降区和氧气流道出气区整体减小，其中，氧气流道最高区流道深度最大。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属双极板分区域流道，其特征在于：所述氧气流道和氢气流道上每相邻两节台阶首尾采用斜坡面结构连接；
1)所述斜坡面的氢气流道深度Y(X,Z)按如下模型确定：
Figure FDA0002388173260000032
Figure FDA0002388173260000033
式(9、10)中，N为整数，是氢气流道沿着气流方向全部台阶的顺次编号，N∈[1,m]，1指氢气流道的入口处第一个台阶的编号，m为整数，指氢气流道的出口处最后一个台阶的编号，当台阶编号N∈[1,m-1]采用公式(9)计算，当台阶编号N＝m采用公式(10)计算；
2)所述斜坡面的氧气流道深度y(x,z)按如下模型确定：
y5(x,z)＝h1+k(x-nl) (11)
Figure FDA0002388173260000041
Figure FDA0002388173260000042
式(11、12、13)中，n为整数，是指氧气流道沿着气流方向对台阶顺次编号，n∈[1,m]，1指氧气流道的入口处第一个台阶的编号，m指氧气流道的出口处最后一个台阶的编号，当台阶编号n＝1采用公式(11)计算，当台阶编号n＝2采用公式(12)计算，当台阶编号n∈[3,m]采用公式(13)计算。
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