CN111211336A - 一种燃料电池变截面台阶形流道的金属双极板 - Google Patents

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CN111211336A CN202010104773.XA CN202010104773A CN111211336A CN 111211336 A CN111211336 A CN 111211336A CN 202010104773 A CN202010104773 A CN 202010104773A CN 111211336 A CN111211336 A CN 111211336A
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黄庆学
张彦雷
丁小凤
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Abstract

本发明涉及一种燃料电池变截面台阶形的金属双极板，为解决金属双极板直线型流道气体扩散效率低、排水性差、电流密度分布不均等问题，提出一种燃料电池变截面台阶形流道的金属双极板结构，氧气流道和氢气流道槽底均呈台阶形，所述每条氧气流道和氢气流道均包括m个台阶；所述各个氧气流道深度从阴极单极板的外侧流道到中间流道呈逐渐增大特征，各个氢气流道深度从阳极单极板的外侧流道到中间流道呈逐渐减小特征；从流道入口到出口方向，所述氧气、氢气流道各台阶深度逐级减小，相邻两级台阶深度的差值相同；所述氧气、氢气流道垂直于气流方向各截面大小不同。本发明可有效提高后段流道的气体扩散性和电流密度的均匀性，并提高排水性能。

Description

一种燃料电池变截面台阶形流道的金属双极板
技术领域
本发明涉及一种燃料电池变截面台阶形流道的金属双极板，它属于燃料电池技术领域。
背景技术
作为一种将氢化学能直接转化为电能的发电装置，金属双极板质子交换膜燃料电池的发电效率高于50％，且燃料反应发电的唯一产物是水，是一种环境友好型的供能装置。同时具有启动快、工作温度低、噪声小等特点，是未来汽车等行业的理想功能装置。双极板作为燃料电池核心部件，在整个电堆的质量和成本上占有很大比重。双极板的作用是用以隔离并分配反应气、收集并导出电流、串联各单电池以及支撑整个电堆结构等功能，所以对双极板的导热性、导电性、耐蚀性、机械强度、成本和加工难易程度有了一定的要求。金属双极板上形成的阴极流场与阳极流场的结构直接影响反应气的分布，而金属双极板上形成的冷却介质流场的结构直接影响冷却介质的分布。现有流道多采用直线型流道，如专利授权公布号CN106571472B公开的直线型渐变流道，这种流道具有加工制造性能好，各个流道内反应性能一致的优点，但相比其他复杂流道形式，存在流速不足，反应气扩散效率低，不利电池的电流密度，影响电池性能问题，如果反应气分布不均会导致局部供气不足，还可能导致电池性能降低；而冷却介质的分布不均造成电池局部过热，甚至损坏电堆，因此，有必要发明一种新型流道，既能具备直线型流道优点，还能使得气体流道与膜电极的接触面积的占比增大，提高电池性能。
发明内容
本发明的目的是克服以上现有技术存在的缺陷，提出一种燃料电池变截面台阶形流道的金属双极板结构，包括金属阴极板和金属阳极板，能有效提高流道后段的气体扩散性和电流密度的均匀性，并提高排水性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种燃料电池变截面台阶形流道的金属双极板，包括阳极单极板和阴极单极板，阳极单极板外侧设有氢气流道，阴极单极板外侧设有氧气流道，氢气流道和氧气流道均包括n条平行的直线型流道，阴极单极板与阳极单极板凸凹对称，其中，所述氧气流道和氢气流道槽底均呈台阶形，每条氧气流道和氢气流道均包括m个台阶；所述各个氧气流道深度从阴极单极板的外侧流道到中间流道呈逐渐增大特征，而各个氢气流道深度从阳极单极板的外侧流道到中间流道呈逐渐减小特征；从流道入口到出口方向，所述氧气流道和氢气流道各台阶深度逐级减小，相邻两级台阶深度的差值相同；所述氧气流道特征还包括：氧气流道深度、氧气流道槽底宽度、氧气流道各级台阶拔模角度、氧气流道壁与氧气流道槽底在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角、氧气流道壁与氧气流道顶部在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角，所述氢气流道特征还包括：氢气流道深度、氢气流道槽底宽度、氢气流道各级台阶拔模角度、氢气流道壁与氢气流道槽底在竖直YOZ坐标平面投影形成的夹角、氢气流道壁与氢气流道顶部在竖直YOZ坐标平面投影形成的夹角，所述氧气、氢气流道垂直于气流方向各截面大小不同，上述特征按如下模型确定：
1)氧气流道深度yi(x,z)按如下模型确定：
Figure BDA0002388170780000021
公式(1)中：hi1为阴极流场第i条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处的流道深度；Δh为同一条氧气流道坐标x＝0处与坐标x＝l处氧气流道深度的差值；l为每级台阶的长度，取值范围为50mm到100mm；i为氧气流道编号，阴极流场氧气流道共n条，从1到n依次编号，n≤100，编号为1和n的流道位于阴极流场两边最外侧；j为台阶编号，每条氧气流道的台阶从1到m依次编号，m＞3，编号为1的台阶位于氧气流道入口处，编号为m的台阶位于氧气流道出口处，j与x的关系式可以用向下取整函数
Figure BDA0002388170780000022
表示，其表示j为不大于
Figure BDA0002388170780000023
的最大整数；a和b为每级台阶的幅值系数，a∈[-1,1]，b∈[0,0.3]，自变量x∈[0,L]，
Figure BDA0002388170780000024
L为流道全长，L＝lm，w2(x)为距离氧气流道入口x处的氧气流道槽底宽度；
2)距离氧气流道入口x处的氧气流道槽底宽度w2(x)按如下模型确定：
Figure BDA0002388170780000025
公式(2)中：w2为氧气流道入口处的槽底宽度，其值范围是0.9mm到1.8mm；θ为氧气流道槽底与氧气流道壁交线所成的角；
3)氧气流道各级台阶拔模角αi(x)、氧气流道壁与氧气流道槽底在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角γi(x)、氧气流道壁与氧气流道顶部在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角βi(x)按如下模型确定：
Figure BDA0002388170780000031
公式(3)中：w1为氧气流道入口处的顶部宽度，w1＝w2+0.2；yi(x,w2(x))为第i条氧气流道坐标(x,w2(x))处的流道深度；
4)氢气流道深度Yp(X,Z)按如下模型确定：
Figure BDA0002388170780000032
公式(4)中：Hp1为阳极流场第p条氢气流道坐标(X,Z)为(0,0)处的流道深度；ΔH为同一条氢气流道坐标X＝0处与坐标X＝l处氢气流道深度的差值，ΔH与Δh相等；l为每级台阶的长度；p为氢气流道编号，阳极流场氢气流道从1到p依次编号，编号为1和p的流道位于阳极流场两边最外侧；q为台阶编号，每条氢气流道的台阶从1到q依次编号，q＞3，编号为1的台阶位于氢气流道入口处，编号为q的台阶位于氢气流道出口处，q与X的关系式可以用向下取整函数
Figure BDA0002388170780000033
表示，其表示q为不大于
Figure BDA0002388170780000034
的最大整数；a和b为每级台阶的幅值系数，自变量X∈[0,L]，
Figure BDA0002388170780000035
L为流道全长，w2(X)为距离氢气流道入口X处的氢气流道槽底宽度；
所述距离氢气流道入口X处的氢气流道槽底宽度w2(X)的计算公式和距离氧气流道入口x处的氧气流道槽底宽度w2(x)的计算公式除自变量以外均相同，其中自变量在氢气流道中表示的意义对应地和在氧气流道中表示的意义相同；
所述氢气流道各级台阶拔模角αp(X)的计算公式和氧气流道各级台阶拔模角αi(x)的计算公式除自变量以外均相同，其中自变量在氢气流道中表示的意义对应地和在氧气流道中表示的意义相同；
所述氢气流道壁与氢气流道槽底在竖直YOZ坐标平面投影形成的夹角γp(X)的计算公式和氧气流道壁与氧气流道槽底在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角γi(x)的计算公式除自变量以外均相同，其中自变量在氢气流道中表示的意义对应地和在氧气流道中表示的意义相同；
所述氢气流道壁与氢气流道顶部在竖直YOZ坐标平面投影形成的夹角βp(X)的计算公式和氧气流道壁与氧气流道顶部在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角βi(x)的计算公式除自变量以外均相同，其中自变量在氢气流道中表示的意义对应地和在氧气流道中表示的意义相同。
进一步地，所述阴极流场第i条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处的流道深度hi1按如下模型确定：
Figure BDA0002388170780000041
Figure BDA0002388170780000042
当氧气流道n为奇数且
Figure BDA0002388170780000043
时采用公式(5)计算；当氧气流道n为奇数且
Figure BDA0002388170780000051
时采用公式(6)计算；当氧气流道n为偶数且
Figure BDA0002388170780000052
时采用公式(7)计算；当氧气流道n为偶数且
Figure BDA0002388170780000053
时采用公式(8)计算；
公式(5)中：k1为第1条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处与第
Figure BDA0002388170780000054
条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处流道深度的比值，取值范围是0.5到0.8；
Figure BDA0002388170780000055
为第
Figure BDA0002388170780000056
条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处的流道深度，取值范围是0.2mm到0.6mm，其中
Figure BDA0002388170780000057
中的
Figure BDA0002388170780000058
表示阴极单极板第
Figure BDA0002388170780000059
条氧气流道，1表示氧气流道入口处的第一个台阶；
公式(6)中：k2为第n条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处与第
Figure BDA00023881707800000510
条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处流道深度的比值，k2与k1的取值范围相等；
公式(7)中：k3为第1条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处与第
Figure BDA00023881707800000511
条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处流道深度的比值，取值范围是0.5到0.8；
Figure BDA00023881707800000512
为第
Figure BDA00023881707800000513
条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处的流道深度，取值范围是0.2mm到0.6mm；
公式(8)中：k4为第n条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处与第
Figure BDA00023881707800000514
条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处流道深度的比值，k4与k3的取值范围相等。
进一步地，所述同一条氧气流道x＝0处与x＝l处氧气流道深度的差值Δh按如下模型确定：
Figure BDA00023881707800000515
Figure BDA00023881707800000516
当氧气流道n为奇数时采用公式(9)计算；当氧气流道n为偶数时采用公式(10)计算；
公式(9)中：k5为第
Figure BDA0002388170780000061
条氧气流道坐标(x,z)为(L,0)处与坐标(x,z)为(0,0)处流道深度的比值，取值范围是0.5到0.8；
公式(10)中：k6为第
Figure BDA0002388170780000062
条氧气流道坐标(x,z)为(L,0)处与坐标(x,z)为(0,0)处流道深度的比值，k6与k5的取值范围相等。
进一步地，所述第p条氢气流道坐标(X,Z)为(0,0)处的流道深度Hp1按如下模型确定：
Figure BDA0002388170780000063
Figure BDA0002388170780000064
当氢气流道n为奇数时采用公式(11)计算；当氢气流道n为偶数时采用公式(12)计算；
公式(11)中：K5为第
Figure BDA0002388170780000065
条氢气流道坐标(X,Z)为(L,0)处与坐标(X,Z)为(0,0)处流道深度的比值，K5与k5的取值范围相等；
Figure BDA0002388170780000066
为第
Figure BDA0002388170780000067
条氢气流道坐标(X,Z)为(0,0)处的流道深度，
Figure BDA0002388170780000068
与
Figure BDA0002388170780000069
的取值范围相等；H(n+1-p)m为第(n+1-p)条氢气流道坐标(X,Z)为(L,0)处的流道深度，取值范围是0.2mm到0.6mm，其中H(n+1-p)m中的(n+1-p)表示阳极单极板第(n+1-p)条氢气流道，m表示氢气流道入口处的第m个台阶；
公式(12)中：K6为第
Figure BDA00023881707800000610
条氢气流道坐标(X,Z)为(L,0)处与坐标(X,Z)为(0,0)处流道深度的比值，K6与K5的取值范围相等；
Figure BDA00023881707800000611
为第
Figure BDA00023881707800000612
条氢气流道坐标(X,Z)为(0,0)处的流道深度，
Figure BDA00023881707800000613
与
Figure BDA00023881707800000614
的取值范围相等。
本发明的有益效果为：
变截面台阶形流道促进了后段流道的反应气扩散效率，提高了台阶形后段流道的电流密度的均匀性，变截面流道能对反应气流动进行扰动，使流经流道的气体产生紊流，增强气体的扩散能力；阴极单极板采用中间流道深度大于外侧流道深度的结构，能消除氧气经由氧气进气口通过过渡区传输到流道入口的路径不同而导致流速分布不均，提升极板各区域功率密度均匀性，增强流道的排水性。
附图说明
图1为本发明的金属双极板结构图；
图2为本发明的阳极单极板氢气流场结构图；
图3为本发明的阴极单极板氧气流场结构图；
图4为本发明的金属双极板流道区域上，沿垂直于流道两端的C-C、D-D剖面截取、含中间流道和左右两侧流道的局部区域，且台阶槽底为曲面时，氢气、氧气、冷却水的流动方向示意图；
图5为本发明的金属双极板流道区域上，沿垂直于流道两端的C-C、D-D剖面截取、含中间流道和左右两侧流道的局部区域，且台阶槽底为曲面的结构示意图；
图6为本发明的阳极单极板上，沿垂直于流道两端的C-C、D-D剖面截取、含中间流道和左右两侧流道的局部区域，且台阶槽底为曲面时，氢气流道结构示意图；
图7为本发明的阴极单极板上，沿垂直于流道两端的C-C、D-D剖面截取、含中间流道和左右两侧流道的局部区域，且台阶槽底为曲面时，氧气流道结构示意图；
图8为本发明的氢气流道台阶槽底为曲面的单条流道内壁示意图；
图9为本发明的氧气流道台阶槽底为曲面的单条流道内壁示意图；
图10为本发明的阳极单极板台阶槽底为曲面的单条氢气流道俯视图；
图11为本发明的阴极单极板台阶槽底为曲面的单条氧气流道俯视图；
图12为本发明的金属双极板流道区域上，沿垂直于流道的C-C、D-D剖面截取的含2条冷却介质流道，且台阶槽底为曲面时，氢气流道入口处(图10中坐标X＝0时)沿氢气流道入口方向的剖视图；
图13为本发明的金属双极板流道区域上，沿垂直于流道的C-C、D-D剖面截取的含2条冷却介质流道，且台阶槽底为曲面时，距离氢气流道入口X距离处(图10中坐标X＝X时)E-E剖面，沿氢气流道入口方向的剖视图；
图14为本发明的金属双极板流道区域上，沿垂直于流道的C-C、D-D剖面截取的含2条冷却介质流道，且台阶槽底为曲面时，距氧气流道入口处(图11中坐标x＝0时)剖面，沿氧气流道入口方向的剖视图；
图15为本发明的金属双极板台流道区域上，沿垂直于流道的C-C、D-D剖面截取的含2条冷却介质流道，且台阶槽底为曲面时，距离氧气流道入口x距离处(图11中坐标x＝x时)F-F剖面，沿氧气流道入口方向的剖视图；
图16为本发明的金属双极板流道区域上，沿垂直于流道两端的C-C、D-D剖面截取、含中间流道和左右两侧流道的局部区域，且台阶槽底为平面时，氢气、氧气、冷却水的流动方向示意图；
图17为本发明的金属双极板流道区域上，沿垂直于流道两端的C-C、D-D剖面截取、含中间流道和左右两侧流道的局部区域，且台阶槽底为平面的结构示意图；
图18为本发明的阳极单极板上，沿垂直于流道两端的C-C、D-D剖面截取、含中间流道和左右两侧流道的局部区域，且台阶槽底为平面时，氢气流道结构示意图；
图19为本发明的阴极单极板上，沿垂直于流道两端的C-C、D-D剖面截取、含中间流道和左右两侧流道的局部区域，且台阶槽底为平面时，氧气流道结构示意图；
图20为本发明的氢气流道台阶槽底为平面的单条流道内壁示意图；
图21为本发明的氧气流道台阶槽底为平面的单条流道内壁示意图；
图22为本发明的阳极单极板台阶槽底为平面的单条氢气流道俯视图；
图23为本发明的阴极单极板台阶槽底为平面的单条氧气流道俯视图；
图24为本发明的金属双极板流道区域上，沿垂直于流道的C-C、D-D剖面截取的含2条冷却介质流道，且台阶槽底为平面，距氢气流道入口处(图22中坐标X＝0时)沿氢气流道入口方向的剖视图；
图25为本发明的金属双极板流道区域上，沿垂直于流道的C-C、D-D剖面截取的含2条冷却介质流道，且台阶槽底为平面时，距离氢气流道入口X距离处(图22中坐标X＝X时)G-G剖面，沿氢气流道入口方向的剖视图；
图26为本发明的金属双极板流道区域上，沿垂直于流道的C-C、D-D剖面截取的含2条冷却介质流道，且台阶槽底为平面时，距氧气流道入口处(图23中坐标x＝0时)剖面，沿氧气流道入口方向的剖视图；
图27为本发明的金属双极板流道区域上，沿垂直于流道的C-C、D-D剖面截取的含2条冷却介质流道，且台阶槽底为曲面时，距离氧气流道入口x距离处(图23中坐标x＝x时)H-H剖面，沿氧气流道入口方向的剖视图；
图中，A-阴极单极板、B-阳极单极板、1-氧气流场入口、2-冷却介质流场入口、3-氢气流场出口、4-氢气出气孔、5-氧气流场出口、6-冷却介质流场出口、7-氢气流场入口、8-氢气进气孔、9-氢气流道、10-氧气进气孔、11-氧气出气孔、12-氧气流道、13-冷却介质流道、14-氧气流道槽底、15-氧气流道壁、16-氧气流道顶部、17-氢气流道槽底、18-氢气流道壁、19-氢气流道顶部。
具体实施方式
以下，基于附图详细地说明本发明的实施例。
如图1～图3所示，一种燃料电池变截面台阶形流道的金属双极板，包括阳极单极板B和阴极单极板A，阳极单极板B外侧设有氢气流道9，阴极单极板A外侧设有氧气流道12，氢气流道9和氧气流道12均包括n条平行的直线型流道，阴极单极板A与阳极单极板B凸凹对称；其中，如图8～图9、图20～图21所示，所述氧气流道槽底14和氢气流道槽底17均呈台阶形，每条氧气流道12和氢气流道9均包括m个台阶；如图7、图19所示，所述各个氧气流道12深度从阴极单极板的外侧流道到中间流道呈逐渐增大特征，如图6、图18所示，各个氢气流道9深度从阳极单极板的外侧流道到中间流道呈逐渐减小特征；如图8～图9、图20～图21所示，从流道入口到出口方向，所述氧气流道和氢气流道各台阶深度逐级减小，相邻两级台阶深度的差值相同；如图14～图15、图26～图27所示，所述氧气流道特征还包括：氧气流道槽底宽度、氧气流道各级台阶拔模角度、氧气流道壁与氧气流道槽底在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角、氧气流道壁与氧气流道顶部在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角；如图12～图13、图24～图25所示，所述氢气流道特征还包括：氢气流道槽底宽度、氢气流道各级台阶拔模角度、氢气流道壁与氢气流道槽底在竖直YOZ坐标平面投影形成的夹角、氢气流道壁与氢气流道顶部在竖直YOZ坐标平面投影形成的夹角，上述特征按如下模型确定：
1)氧气流道深度yi(x,z)按如下模型确定：
Figure BDA0002388170780000091
公式(1)中：hi1为阴极流场第i条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处的流道深度；Δh为同一条氧气流道坐标x＝0处与坐标x＝l处氧气流道深度的差值；l为每级台阶的长度，取值范围为50mm到100mm；i为氧气流道编号，阴极流场氧气流道共n条，从1到n依次编号，n≤100，编号为1和n的流道位于阴极流场两边最外侧；j为台阶编号，每条氧气流道的台阶从1到m依次编号，m＞3，编号为1的台阶位于氧气流道入口处，编号为m的台阶位于氧气流道出口处，j与x的关系式可以用向下取整函数
Figure BDA0002388170780000101
表示，其表示j为不大于
Figure BDA0002388170780000102
的最大整数；a和b为每级台阶的幅值系数，a∈[-1,1]，b∈[0,0.3]，自变量x∈[0,L]，
Figure BDA0002388170780000103
L为流道全长，L＝lm，w2(x)为距离氧气流道入口x处的氧气流道槽底宽度；
2)距离氧气流道入口x处的氧气流道槽底宽度w2(x)按如下模型确定：
Figure BDA0002388170780000104
公式(2)中：w2为氧气流道入口处的槽底宽度，其值范围是0.9mm到1.8mm；θ为氧气流道槽底与氧气流道壁交线所成的角
3)氧气流道各级台阶拔模角αi(x)、氧气流道壁与氧气流道槽底在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角γi(x)、氧气流道壁与氧气流道顶部在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角βi(x)按如下模型确定：
Figure BDA0002388170780000105
公式(3)中：w1为氧气流道入口处的顶部宽度，w1＝w2+0.2；yi(x,w2(x))为第i条氧气流道坐标(x,w2(x))处的流道深度；
4)氢气流道深度Yp(X,Z)按如下模型确定：
Figure BDA0002388170780000106
公式(4)中：Hp1为阳极流场第p条氢气流道坐标(X,Z)为(0,0)处的流道深度；ΔH为同一条氢气流道坐标X＝0处与坐标X＝l处氢气流道深度的差值，ΔH与Δh相等；l为每级台阶的长度；p为氢气流道编号，阳极流场氢气流道从1到p依次编号，编号为1和p的流道位于阳极流场两边最外侧；q为台阶编号，每条氢气流道的台阶从1到q依次编号，q＞3，编号为1的台阶位于氢气流道入口处，编号为q的台阶位于氢气流道出口处，q与X的关系式可以用向下取整函数
Figure BDA0002388170780000111
表示，其表示q为不大于
Figure BDA0002388170780000112
的最大整数；a和b为每级台阶的幅值系数，自变量X∈[0,L]，
Figure BDA0002388170780000113
L为流道全长，w2(X)为距离氢气流道入口X处的氢气流道槽底宽度；
所述距离氢气流道入口X处的氢气流道槽底宽度w2(X)的计算公式和距离氧气流道入口x处的氧气流道槽底宽度w2(x)的计算公式除自变量以外均相同，其中自变量在氢气流道中表示的意义对应地和在氧气流道中表示的意义相同；
所述氢气流道各级台阶拔模角αp(X)的计算公式和氧气流道各级台阶拔模角αi(x)的计算公式除自变量以外均相同，其中自变量在氢气流道中表示的意义对应地和在氧气流道中表示的意义相同；
所述氢气流道壁与氢气流道槽底在竖直YOZ坐标平面投影形成的夹角γp(X)的计算公式和氧气流道壁与氧气流道槽底在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角γi(x)的计算公式除自变量以外均相同，其中自变量在氢气流道中表示的意义对应地和在氧气流道中表示的意义相同；
所述氢气流道壁与氢气流道顶部在竖直YOZ坐标平面投影形成的夹角βp(X)的计算公式和氧气流道壁与氧气流道顶部在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角βi(x)的计算公式除自变量以外均相同，其中自变量在氢气流道中表示的意义对应地和在氧气流道中表示的意义相同。
所述阴极流场第i条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处的流道深度hi1按如下模型确定：
Figure BDA0002388170780000121
Figure BDA0002388170780000122
当氧气流道n为奇数且
Figure BDA0002388170780000123
时采用公式(5)计算；当氧气流道n为奇数且
Figure BDA0002388170780000124
时采用公式(6)计算；当氧气流道n为偶数且
Figure BDA0002388170780000125
时采用公式(7)计算；当氧气流道n为偶数且
Figure BDA0002388170780000126
时采用公式(8)计算；
公式(5)中：k1为第1条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处与第
Figure BDA0002388170780000127
条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处流道深度的比值，取值范围是0.5到0.8；
Figure BDA0002388170780000128
为第
Figure BDA0002388170780000129
条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处的流道深度，取值范围是0.2mm到0.6mm，其中
Figure BDA00023881707800001210
中的
Figure BDA00023881707800001211
表示阴极单极板第
Figure BDA00023881707800001212
条氧气流道，1表示氧气流道入口处的第一个台阶；
公式(6)中：k2为第n条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处与第
Figure BDA00023881707800001213
条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处流道深度的比值，k2与k1的取值范围相等；
公式(7)中：k3为第1条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处与第
Figure BDA0002388170780000131
条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处流道深度的比值，取值范围是0.5到0.8；
Figure BDA0002388170780000132
为第
Figure BDA0002388170780000133
条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处的流道深度，取值范围是0.2mm到0.6mm；
公式(8)中：k4为第n条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处与第
Figure BDA0002388170780000134
条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处流道深度的比值，k4与k3的取值范围相等。
所述同一条氧气流道x＝0处与x＝l处氧气流道深度的差值Δh按如下模型确定：
Figure BDA0002388170780000135
Figure BDA0002388170780000136
当氧气流道n为奇数时采用公式(9)计算；当氧气流道n为偶数时采用公式(10)计算；
公式(9)中：k5为第
Figure BDA0002388170780000137
条氧气流道坐标(x,z)为(L,0)处与坐标(x,z)为(0,0)处流道深度的比值，取值范围是0.5到0.8；
公式(10)中：k6为第
Figure BDA0002388170780000138
条氧气流道坐标(x,z)为(L,0)处与坐标(x,z)为(0,0)处流道深度的比值，k6与k5的取值范围相等。
所述第p条氢气流道坐标(X,Z)为(0,0)处的流道深度Hp1按如下模型确定：
Figure BDA0002388170780000139
Figure BDA00023881707800001310
当氢气流道n为奇数时采用公式(11)计算；当氢气流道n为偶数时采用公式(12)计算；
公式(11)中：K5为第
Figure BDA0002388170780000141
条氢气流道坐标(X,Z)为(L,0)处与坐标(X,Z)为(0,0)处流道深度的比值，K5与k5的取值范围相等；
Figure BDA0002388170780000142
为第
Figure BDA0002388170780000143
条氢气流道坐标(X,Z)为(0,0)处的流道深度，
Figure BDA0002388170780000144
与
Figure BDA0002388170780000145
的取值范围相等；H(n+1-p)m为第(n+1-p)条氢气流道坐标(X,Z)为(L,0)处的流道深度，取值范围是0.2mm到0.6mm，其中H(n+1-p)m中的(n+1-p)表示阳极单极板第(n+1-p)条氢气流道，m表示氢气流道入口处的第m个台阶；
公式(12)中：K6为第
Figure BDA0002388170780000146
条氢气流道坐标(X,Z)为(L,0)处与坐标(X,Z)为(0,0)处流道深度的比值，K6与K5的取值范围相等；
Figure BDA0002388170780000147
为第
Figure BDA0002388170780000148
条氢气流道坐标(X,Z)为(0,0)处的流道深度，
Figure BDA0002388170780000149
与
Figure BDA00023881707800001410
的取值范围相等。
所述氢气流道槽底17和氧气流道槽底14均包含两种形式的变化：一种是如图6～图9所示，当a、b不同时为0时，氢气流道槽底17和氧气流道槽底14均为曲面的结构；另一种是如图18～图21所示，当a＝0且b＝0时，氢气流道槽底17和氧气流道槽底14均为平面的结构。
当阳极单极板设有氢气流道个数为50、阴极单极板设有氧气流道个数为50、流道深度为0.4mm、流道宽度为1.5mm、流道壁与流道槽底夹角为15°、每条氧气流道和氢气流道均包括4个台阶，每级台阶的长度为50mm，金属双极板结构如图1～图3所示。
图1出示的金属双极板由阴极单极板A和阳极单极板B互相结合组成。阴极单极板A包括位于极板右下角的氧气流场入口1和氧气进气孔10、位于极板中部的一组氧气流道12、位于极板左上角的氧气流场出口5和氧气出气孔11，见图3。阳极单极板B包括位于极板左上角的氢气流场入口7和氢气进气孔8、位于极板中部的一组氢气流道9、位于极板右下角的氢气出气孔4和氢气流场出口3，见图2。
当式(1)中a＝0且b＝0时，沿氧气流道入口到出口方向，阴极单极板氧气流道槽底14呈台阶状结构，且氧气流道12各台阶深度逐级减小，相邻两级台阶深度的差值相同，且每级台阶本体流道深度保持不变，各台阶面槽底为平面，氧气流道左右两壁为斜面，氧气流道顶部16为平面，如图16、19、21所示；所述氧气流道12沿垂直于x轴方向的横截面面积逐渐减小，在流量不变的条件下，沿从氧气流道入口到出口方向，氧气流速增加，压力减小，能有效提升流道排水性。图19出示了阴极单极板上中间流道与其左右两侧部分流道的结构，各氧气流道深度从阴极单极板的外侧流道向中间流道呈逐渐增大特征，相邻流道间流道深度增加量相同，该结构能消除氧气经由氧气进气口通过过渡区传输到流道入口的路径不同而导致流速分布不均，提升极板各区域功率密度均匀性。氧气流道槽底14与氧气流道壁的交线形成收缩角θ，所述每级台阶本体的收缩角θ不变，从氧气流道入口到出口方向，各级台阶收缩角θ的值不同并逐渐减小，如图23所示；阴极单极板每条流道各级台阶拔模角度αi(x)从氧气流道入口到出口方向逐渐增大，氧气流道壁与氧气流道槽底在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角γi(x)随着台阶拔模角度αi(x)增大而增大，所述氧气流道壁与氧气流道顶部在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角βi(x)，所述夹角βi(x)随所述γi(x)的增大而减小，如图26～图27所示；所述流道收缩角θ、拔模角度αi(x)、夹角βi(x)、夹角γi(x)的变化和各级台阶深度逐渐减少，使得沿垂直于x坐标轴方向的流道横截面不断变化，所述氧气流道垂直于气流方向各截面大小不同，从而使流道内氧气发生扰动，有效增强气体扩散能力。
当式(4)中a＝0且b＝0时，从氢气流道入口到出口方向，阳极单极板氢气流道槽底17呈台阶状结构，且氢气流道各台阶深度逐级减小，相邻两级台阶深度的差值相同，且每级台阶本体流道深度保持不变，各台阶面槽底为平面，氢气流道左右两壁为斜面，氢气流道顶部19为平面，上述结构特征与阴极单极板结构相同，如图16、18、20所示；所述氢气流道沿垂直于X轴方向的横截面面积逐渐减小，在流量不变的条件下，沿从氢气流道入口到出口方向，压力减小，氢气流速增加。图18出示了阳极单极板上中间流道与其左右两侧部分流道的结构，各氢气流道深度从阳极单极板的外侧流道向中间流道呈逐渐减小特征，相邻流道间流道深度减小量相同，该结构可消除氢气经由氢气进气口通过过渡区传输到流道入口的路径不同而导致流速分布不均，提升极板各区域功率密度均匀性。氢气流道槽底17与氢气流道壁的交线形成收缩角θ，所述每级台阶本体的收缩角θ不变，从氢气流道入口到出口方向，各级台阶收缩角θ的值不同并逐渐减小，如图22所示；阳极单极板每条流道各级台阶拔模角度αp(X)从氢气流道入口到出口方向逐渐增大，氢气流道壁与氢气流道槽底在竖直YOZ坐标平面投影形成的夹角γp(X)随着台阶拔模角度αp(X)增大而增大，所述氢气流道壁与氢气流道顶部在竖直YOZ坐标平面投影形成的夹角βp(X)，所述夹角βp(X)随所述γp(X)增大而减小，如图24～图25所示。所述流道收缩角θ、拔模角度αp(X)、夹角βp(X)、夹角γp(X)的变化和各级台阶深度减少使得沿垂直于X坐标轴方向的流道横截面不断变化，所述氢气流道垂直于气流方向各截面大小不同，从而使流道内氢气发生扰动，有效增强气体扩散性。
当式(1)中a、b不同时为0时，从氧气流道入口到出口方向，阴极单极板氧气流道槽底14呈台阶状结构，且氧气流道各台阶深度逐级减小，相邻两级台阶深度的差值相同，各台阶槽底是曲面，流道左右两壁是曲面。每级台阶本体流道深度沿着x轴方向以正弦函数形式变化，沿着z轴方向流道深度以抛物线形式变化，如图4、7、9所示；所述流道特征使得氧气压力由流道中部向流道两侧逐渐减小，氧气流速由流道中部向流道两侧逐渐增大。使得流道内气体扰流特性增加，有效促进气体扩散，提高氧气利用率。图7出示了阴极单极板上中间流道与其左右两侧部分流道的结构，各氧气流道深度从阴极单极板的外侧流道向中间流道呈逐渐增大特征，相邻流道间流道深度增加量相同，该结构能消除氧气经由氧气进气口通过过渡区传输到流道入口的路径不同而导致流速分布不均，提升极板各区域功率密度均匀性。氧气流道槽底与氧气流道壁的交线形成收缩角θ，所述每级台阶本体的收缩角θ沿x坐标轴方向先增大，后减小，再增大，从氧气流道入口到出口方向，各台级阶收缩角θ的值不同并整体减小，如图14所示；阴极单极板每条流道各级台阶拔模角度αi(x)沿着由氧气流道入口到出口方向逐渐增大，氧气流道壁与氧气流道槽底在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角γi(x)随着台阶的拔模角度αi(x)增大而增大，所述氧气流道壁与氧气流道顶部在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角βi(x)，所述夹角βi(x)随所述γi(x)的增大而减小，如图14～图15所示。所述氧气流道垂直于气流方向各截面大小不同，所述流道收缩角θ、拔模角度αi(x)、夹角βi(x)、夹角γi(x)的变化和各级台阶深度减少使得沿氧气流道入口到出口方向的流道横截面不断变化，从而使流道内氧气发生扰动，有效增加气体扩散能力。
当式(4)中a、b不同时为0时，从氢气流道入口到出口方向，阳极单极板氢气流道槽底17呈台阶状结构，且氢气流道各台阶深度逐级减小，相邻两级台阶深度的差值相同，各台阶槽底是曲面，流道左右两壁是曲面。每级台阶本体流道深度沿着X轴方向以与阴极板相对应的正弦函数形式变化，沿着Z轴方向流道深度以抛物线形式变化，如图4、6、8所示；所述流道特征使得氢气压力由流道中部向流道两侧逐渐减小，氢气流速由流道中部向流道两侧逐渐增加，使得流道内气体向流道脊所对应区域扩散性增强，提高电流密度分布的均匀性。图6出示了阳极单极板上中间流道与其左右两侧部分流道的结构，各氢气流道深度从阳极单极板的外侧流道向中间流道呈逐渐减小特征，相邻流道间流道深度减小量相同，该结构能消除氢气经由氢气进气口通过过渡区传输到流道入口的路径不同而导致流速分布不均，提升极板各区域功率密度均匀性。氢气流道槽底与氢气流道壁的交线形成收缩角θ，所述每级台阶本体的收缩角θ沿X坐标轴方向先增大，后减小，再增大，从氢气流道入口到出口方向，各台级阶收缩角θ的值不同并整体减小，如图10所示；阳极单极板每条流道各级台阶拔模角度αp(X)沿着由氢气流道入口到出口方向逐渐增大，氢气流道壁与氢气流道槽底在竖直YOZ坐标平面投影形成的夹角γp(X)随着台阶拔模角度αp(X)增大而增大，所述氢气流道壁与氢气流道顶部在竖直YOZ坐标平面投影形成的夹角βp(X)，所述夹角βp(X)随所述γp(X)的增大而减小，如图12～图13所示。所述氢气流道垂直于气流方向各截面大小不同，所述流道收缩角θ、拔模角度αp(X)、夹角βp(X)、夹角γp(X)的变化和各级台阶深度减少使得沿氢气流道入口到出口方向的流道横截面不断变化，从而使流道内氧气发生扰动，有效增加气体扩散能力。
对本发明提出的不同的流道结构形式进行仿真，流道基本结构参数为：流道个数为50，流道深度为0.4mm，流道宽度为1.5mm，流道壁与流道槽底夹角为15°，与直线型流道和直线型渐变流道对比，仿真结果见表1。
表1金属双极板采用不同的流道设计方式取得的不同的效果
电流密度(A/cm^2) 最大流速(m/s) 氧气浓度变化(mol/m^3)
直线型流道 1.2 36.2 1.4
直线型渐变流道 1.21 54.5 1.6
台阶形流道 1.23 81.9 2.7
如表1所示，当金属双极板采用本发明变截面台阶形方式设计流道时，在同样的条件下，变截面台阶形流道能对反应气的流动进行扰动，使流经流道的气体产生紊流，增强台阶流道的气体扩散效率，从表1中可以看出，台阶形流道流速明显大于直线型流道流速，最大流速是直线型流道流速的2倍多，证明了变截面台阶形流道在提高流道的排水性能方面取得了良好的效果；变截面台阶形流道促进了后段流道的反应气扩散效率，使台阶形的后段流道的电流密度相对于直线型渐变流道的电流密度提高了1.5％左右，相对于直线型流道的电流密度提高了2％～5％；从而证明了本发明的变截面台阶形流道结构在提高电池性能方面的优越性。

Claims (4)

1.一种燃料电池变截面台阶形流道的金属双极板，包括阳极单极板和阴极单极板，阳极单极板外侧设有氢气流道，阴极单极板外侧设有氧气流道，氢气流道和氧气流道均包括n条平行的直线型流道，阴极单极板与阳极单极板凸凹对称，其特征在于：所述氧气流道和氢气流道槽底均呈台阶形，每条氧气流道和氢气流道均包括m个台阶；所述各个氧气流道深度从阴极单极板的外侧流道到中间流道呈逐渐增大特征，而各个氢气流道深度从阳极单极板的外侧流道到中间流道呈逐渐减小特征；从流道入口到出口方向，所述氧气流道和氢气流道各台阶深度逐级减小，相邻两级台阶深度的差值相同；所述氧气流道特征还包括：氧气流道深度、氧气流道槽底宽度、氧气流道各级台阶拔模角度、氧气流道壁与氧气流道槽底在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角、氧气流道壁与氧气流道顶部在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角，所述氢气流道特征还包括：氢气流道深度、氢气流道槽底宽度、氢气流道各级台阶拔模角度、氢气流道壁与氢气流道槽底在竖直YOZ坐标平面投影形成的夹角、氢气流道壁与氢气流道顶部在竖直YOZ坐标平面投影形成的夹角，所述氧气、氢气流道垂直于气流方向各截面大小不同，上述特征按如下模型确定：
1)氧气流道深度yi(x,z)按如下模型确定：
Figure FDA0002388170770000011
公式(1)中：hi1为阴极流场第i条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处的流道深度；Δh为同一条氧气流道坐标x＝0处与坐标x＝l处氧气流道深度的差值；l为每级台阶的长度，取值范围为50mm到100mm；i为氧气流道编号，阴极流场各氧气流道从1到n依次编号，编号为1和n的流道位于阴极流场两边最外侧；j为台阶编号，每条氧气流道的台阶从1到m依次编号，m＞3，编号为1的台阶位于氧气流道入口处，编号为m的台阶位于氧气流道出口处，j与x的关系式可以用向下取整函数
Figure FDA0002388170770000012
表示，其表示j为不大于
Figure FDA0002388170770000013
的最大整数；a和b为每级台阶的幅值系数，a∈[-1,1]，b∈[0,0.3]，自变量x∈[0,L]，
Figure FDA0002388170770000014
L为流道全长，L＝lm，w2(x)为距离氧气流道入口x处的氧气流道槽底宽度；
2)距离氧气流道入口x处的氧气流道槽底宽度w2(x)按如下模型确定：
Figure FDA0002388170770000015
公式(2)中：w2为氧气流道入口处的槽底宽度，其值范围是0.9mm到1.8mm；θ为氧气流道槽底与氧气流道壁交线所成的角；
3)氧气流道各级台阶拔模角αi(x)、氧气流道壁与氧气流道槽底在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角γi(x)、氧气流道壁与氧气流道顶部在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角βi(x)按如下模型确定：
Figure FDA0002388170770000021
公式(3)中：w1为氧气流道入口处的顶部宽度，w1＝w2+0.2；yi(x,w2(x))为第i条氧气流道坐标(x,w2(x))处的流道深度；
4)氢气流道深度Yp(X,Z)按如下模型确定：
Figure FDA0002388170770000022
公式(4)中：Hp1为阳极流场第p条氢气流道坐标(X,Z)为(0,0)处的流道深度；ΔH为同一条氢气流道坐标X＝0处与坐标X＝l处氢气流道深度的差值，ΔH与Δh相等；l为每级台阶的长度；p为氢气流道编号，阳极流场氢气流道从1到p依次编号，编号为1和p的流道位于阳极流场两边最外侧；q为台阶编号，每条氢气流道的台阶从1到q依次编号，q＞3，编号为1的台阶位于氢气流道入口处，编号为q的台阶位于氢气流道出口处，q与X的关系式可以用向下取整函数
Figure FDA0002388170770000023
表示，其表示q为不大于
Figure FDA0002388170770000024
的最大整数；a和b为每级台阶的幅值系数，自变量X∈[0,L]，
Figure FDA0002388170770000025
L为流道全长，w2(X)为距离氢气流道入口X处的氢气流道槽底宽度；
所述距离氢气流道入口X处的氢气流道槽底宽度w2(X)的计算公式和距离氧气流道入口x处的氧气流道槽底宽度w2(x)的计算公式除自变量以外均相同，其中自变量在氢气流道中表示的意义对应地和在氧气流道中表示的意义相同；
所述氢气流道各级台阶拔模角αp(X)的计算公式和氧气流道各级台阶拔模角αi(x)的计算公式除自变量以外均相同，其中自变量在氢气流道中表示的意义对应地和在氧气流道中表示的意义相同；
所述氢气流道壁与氢气流道槽底在竖直YOZ坐标平面投影形成的夹角γp(X)的计算公式和氧气流道壁与氧气流道槽底在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角γi(x)的计算公式除自变量以外均相同，其中自变量在氢气流道中表示的意义对应地和在氧气流道中表示的意义相同；
所述氢气流道壁与氢气流道顶部在竖直YOZ坐标平面投影形成的夹角βp(X)的计算公式和氧气流道壁与氧气流道顶部在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角βi(x)的计算公式除自变量以外均相同，其中自变量在氢气流道中表示的意义对应地和在氧气流道中表示的意义相同。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池变截面台阶形流道的金属双极板，其特征在于：所述阴极流场第i条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处的流道深度hi1按如下模型确定：
Figure FDA0002388170770000031
Figure FDA0002388170770000041
当氧气流道n为奇数且
Figure FDA0002388170770000042
时采用公式(5)计算；当氧气流道n为奇数且
Figure FDA0002388170770000043
时采用公式(6)计算；当氧气流道n为偶数且
Figure FDA0002388170770000044
时采用公式(7)计算；当氧气流道n为偶数且
Figure FDA0002388170770000045
时采用公式(8)计算；
公式(5)中：k1为第1条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处与第
Figure FDA0002388170770000046
条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处流道深度的比值，取值范围是0.5到0.8；
Figure FDA0002388170770000047
为第
Figure FDA0002388170770000048
条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处的流道深度，取值范围是0.2mm到0.6mm，其中
Figure FDA0002388170770000049
中的
Figure FDA00023881707700000410
表示阴极单极板第
Figure FDA00023881707700000411
条氧气流道，1表示氧气流道入口处的第一个台阶；
公式(6)中：k2为第n条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处与第
Figure FDA00023881707700000412
条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处流道深度的比值，k2与k1的取值范围相等；
公式(7)中：k3为第1条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处与第
Figure FDA00023881707700000413
条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处流道深度的比值，取值范围是0.5到0.8；
Figure FDA00023881707700000414
为第
Figure FDA00023881707700000415
条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处的流道深度，取值范围是0.2mm到0.6mm；
公式(8)中：k4为第n条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处与第
Figure FDA00023881707700000416
条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处流道深度的比值，k4与k3的取值范围相等。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池变截面台阶形流道的金属双极板，其特征在于：所述同一条氧气流道x＝0处与x＝l处氧气流道深度的差值Δh按如下模型确定：
Figure FDA0002388170770000051
Figure FDA0002388170770000052
当氧气流道n为奇数时采用公式(9)计算；当氧气流道n为偶数时采用公式(10)计算；
公式(9)中：k5为第
Figure FDA0002388170770000053
条氧气流道坐标(x,z)为(L,0)处与坐标(x,z)为(0,0)处流道深度的比值，取值范围是0.5到0.8；
公式(10)中：k6为第
Figure FDA0002388170770000054
条氧气流道坐标(x,z)为(L,0)处与坐标(x,z)为(0,0)处流道深度的比值，k6与k5的取值范围相等。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池变截面台阶形流道的金属双极板，其特征在于：所述第p条氢气流道坐标(X,Z)为(0,0)处的流道深度Hp1按如下模型确定：
Figure FDA0002388170770000055
Figure FDA0002388170770000056
当氢气流道n为奇数时采用公式(11)计算；当氢气流道n为偶数时采用公式(12)计算；
公式(11)中：K5为第
Figure FDA0002388170770000057
条氢气流道坐标(X,Z)为(L,0)处与坐标(X,Z)为(0,0)处流道深度的比值，K5与k5的取值范围相等；
Figure FDA0002388170770000058
为第
Figure FDA0002388170770000059
条氢气流道坐标(X,Z)为(0,0)处的流道深度，
Figure FDA0002388170770000061
与
Figure FDA0002388170770000062
的取值范围相等；H(n+1-p)m为第(n+1-p)条氢气流道坐标(X,Z)为(L,0)处的流道深度，取值范围是0.2mm到0.6mm，其中H(n+1-p)m中的(n+1-p)表示阳极单极板第(n+1-p)条氢气流道，m表示氢气流道入口处的第m个台阶；
公式(12)中：K6为第
Figure FDA0002388170770000063
条氢气流道坐标(X,Z)为(L,0)处与坐标(X,Z)为(0,0)处流道深度的比值，K6与K5的取值范围相等；
Figure FDA0002388170770000064
为第
Figure FDA0002388170770000065
条氢气流道坐标(X,Z)为(0,0)处的流道深度，
Figure FDA0002388170770000066
与
Figure FDA0002388170770000067
的取值范围相等。
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