CN111370728A - 一种燃料电池极板流场及燃料电池极板 - Google Patents

Abstract

本说明书公开一种燃料电池极板流场及燃料电池极板，其中，所述流场为蛇形流场，三个流场壁面的接触角按线性规律变化，且同一位置处三个流场壁面的接触角大小相同；流场分为三个流道区，分别为直线流道的第一流道区、靠近转角区的直线流道的第二流道区、转角流道的第三流道区；所述第二流道区的总流道长度为所述第三流道区的总流道长度的

第一流道区的每一壁面的接触角按线性规律逐渐增大，第二流道区的每一壁面的接触角按线性规律逐渐减小，第三流道区的每一壁面的接触角，以转角流道区内侧圆心为中心，按角度梯度逐渐减小；第一流道区的所有壁面的接触角的增加量之和与第二流道区和第三流道区的所有壁面的接触角的减小量之和相等。

Description

一种燃料电池极板流场及燃料电池极板

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池极板流场及燃料电池极板。

背景技术

当前，燃料电池正在向着高电压、高功率密度的方向发展，燃料电池阳极侧液态水过多，从而造成水淹问题，由于氢气密度较低，吹扫效果较差，难以有效解决阳极侧的排水问题，尤其是流场转角区域。燃料电池作为一种高效、清洁的能量转化装置，在固定式发电及汽车动力系统等领域具有广阔的应用前景。双极板是燃料电池的关键部件，具有反应气分配、排水、导电及导热等功能。其中，流场是影响双极板性能的关键因素。流场需要确保燃料电池工作过程中产生的液态水能够及时排出，避免阻碍反应气的传输，造成电池局部性能下降以及质子交换膜溶胀等问题。当前研究中，平行流场、蛇形流场及交指型流场是三种基本流场，为加快液态水排出，常在阴极流场内插入导水板等结构，但会造成泵气损失增大等问题。现有技术需要改变流场结构，造成生产成本上升。同时，现有技术仍以气体吹扫，增大流场内液态水所受的气体剪切力作为设计思路，会造成泵气损失升高，不利于燃料电池整体性能的提升，并且，现有技术对于阳极水淹问题作用不明显。

发明内容

本说明书提供一种燃料电池极板流场及燃料电池极板，用以克服现有技术中存在的至少一个技术问题。

根据本说明书实施例的第一方面，提供一种燃料电池极板流场，包括：三个方向的流场壁面，其中两个壁面相对，另一壁面连接相对的两个壁面，每一流场壁面的接触角按线性规律变化，在流场的同一位置处，三个流场壁面的接触角大小相同；

所述流场为蛇形流场，包括直线流道部分和转角流道部分，直线流道部分和转角流道部分分为三个流道区，分别为第一流道区、第二流道区、第三流道区；第三流道区为转角流道部分，第二流道区为与所述第三流道区相连接的直线流道部分，且所述第二流道区的总流道长度为所述第三流道区的总流道长度的

所述第二流道区包括两部分，分别为从直线流道进入转角流道的第一部分，以及从转角流道进入直线流道的第二部分，第一部分第二流道区的流道长度与第二部分第二流道区的流道长度相等，第一流道区为第二流道区以外的其他直线流道部分；第一流道区的每一壁面的接触角按线性规律逐渐增大，第二流道区的每一壁面的接触角按线性规律逐渐减小，第三流道区的每一壁面的接触角，以转角流道区内侧圆心为中心，按角度梯度逐渐减小；第一流道区的所有壁面的接触角的增加量之和与第二流道区和第三流道区的所有壁面的接触角的减小量之和相等。

可选地，所述第二流道区的流道总长度占整个流场流道总长度的1％。

可选地，所述流场的流道宽度为1毫米，转角流道部分的外侧转角半径为0.7毫米，内侧转角半径为0.5毫米。

可选地，所述流场包括：第一流道区与第一部分第二流道区交界处的接触角为第一角度，第一部分第二流道区与第三流道区交界处的接触角为第二角度，第三流道区与第二部分第二流道区交界处的接触角为第三角度，第二部分第二流道区与第一流道区交界处的接触角为第四角度，所述第一角度的范围取70°至90°，所述第二角度的范围取60°至70°，所述第三角度的范围取50°至60°，所述第四角度的范围取40°至50°。

可选地，所述第一角度小于多孔电极表面接触角。

可选地，所述流场包括：第一流道区的接触角梯度为0.05°/mm至1°/mm；第二流道区的接触角梯度为10°/mm至20°/mm；第三流道区的接触角以转角流道的内侧圆心为中心，按照角度变化，整体下降10°-20°。

可选地，每一流场壁面表面涂覆有疏水性材料，在所述第一流道区，疏水性材料的涂覆量按照第一流道区对应的接触角梯度变化逐渐增加；在所述第二流道区，疏水性材料的涂覆量按第二流道区对应的接触角梯度变化逐渐减少；在所述第三流道区，疏水性材料的涂覆量按第三流道区对应的接触角梯度变化。

可选地，每一流场壁面的接触角按照权利要求1所述线性规律变化通过改变流场壁面的表面粗糙度实现。

可选地，所述流场与双极板的安装方向固定，以使液态水按照流场壁面接触角先增大后减小的方向流过所述流场。

根据本说明书实施例的第二方面，提供一种燃料电池极板，该燃料电池极板包含上述燃料电池极板流场。

本说明书实施例的有益效果如下：

本说明书实施例，提供一种燃料电池极板流场，通过对所述流场的壁面进行处理，使得流场壁面的接触角不再保持一致，而是按照预设的线性规律变化，从而为液态水的流动提供动力。所述流场分为三个流道区，在属于直线流道部分的第一流道区中，每一壁面的接触角按照对应的接触角梯度逐渐增大，在同属于直线流道部分但靠近转角流道的第二流道区中，每一壁面的接触角按照相应的接触角梯度逐渐减小，在属于转角流道的第三流道区，每一壁面的接触角以转角内侧圆心为中心，按照角度梯度逐渐减小。对流场壁面的接触角进行改造，使得液态水在流场中运动时受到的表面张力从阻力向驱动力转变。液态水流过第一流道区的时候受到的表面张力方向为阻力，但由于直线流道区较长，接触角增大的梯度较小，所受到的阻力影响小；当流至第二流道区和第三流道区时，液滴受到的表面张力转变为动力，从而有利于液滴流过转角区域，能够有效防止液态水在容易造成积水的转角区域停留。通过在流场壁面涂覆疏水性材料或者改变流场壁面的粗糙度，实现对流场每一壁面的接触角的改变。接触角作为衡量壁面润湿性的量度，在不改变流场结构的基础上，基于对流场壁面的改造，改变流场壁面的润湿性，形成润湿性梯度，利用液态水在流场中运动时所受的表面张力，作为液态水运动的驱动力，加快液态水运输，防止燃料电池阳极侧发生水淹，有效提升电池性能，解决了现有技术中流场结构改造带来成本提高的问题，以及基于气体吹扫排水效果不明显的问题，对燃料电池极板流场的改进具有进步性。

本说明书实施例的创新点包括：

1、本实施例中，通过对所述流场的壁面进行处理，使得流场壁面的接触角不再保持一致，而是按照预设的线性规律变化，从而为液态水的流动提供动力。所述流场分为三个流道区，在属于直线流道部分的第一流道区中，每一壁面的接触角按照对应的接触角梯度逐渐增大，在同属于直线流道部分但靠近转角流道的第二流道区中，每一壁面的接触角按照相应的接触角梯度逐渐减小，在属于转角流道的第三流道区，每一壁面的接触角以转角内侧圆心为中心，按照角度梯度逐渐减小。对流场壁面的接触角进行改造，使得液态水在流场中运动时受到的表面张力从阻力向驱动力转变。液态水流过第一流道区的时候受到的表面张力方向为阻力，但由于直线流道区较长，接触角增大的梯度较小，所受到的阻力影响小；当流至第二流道区和第三流道区时，液滴受到的表面张力转变为动力，从而有利于液滴流过转角区域，能够有效防止液态水在容易造成积水的转角区域停留。通过在流场壁面涂覆疏水性材料或者改变流场壁面的粗糙度，实现对流场每一壁面的接触角的改变。接触角作为衡量壁面润湿性的量度，在不改变流场结构的基础上，基于对流场壁面的改造，改变流场壁面的润湿性，形成润湿性梯度，利用液态水在流场中运动时所受的表面张力，作为液态水运动的驱动力，加快液态水运输，防止燃料电池阳极侧发生水淹，有效提升电池性能，解决了现有技术中流场结构改造带来成本提高的问题，以及基于气体吹扫排水效果不明显的问题，对燃料电池极板流场的改进具有进步性，是本说明书实施例的创新点之一。

2、本实施例中，根据蛇形流场中的流道的弧度以及相对位置将流道分为三个流道区，对直线流道区和转角流道区的接触角分别进行梯度处理，第一流道区的接触角上升，第二流道区和第三流道区的接触角下降，因此可以实现流场壁面整体的接触角不变，相较于接触角单向增大或者减小，本说明书实施例更利于应用在面积较大的双极板流场中，避免由于流场面积较大造成接触角梯度过小，导致排水效果不明显的情况，是本说明书实施例的创新点之一。

3、本实施例中，流场包含的三个壁面的接触角，在流场同一位置处的接触角保持一致，确保了流场内液态水受到的表面张力变化是一致的，避免由于表面张力的变化不一致而造成的液态水向亲水性更强的区域集中，影响排水，是本说明书实施例的创新点之一。

4、本实施例中，第一角度为流场壁面接触角中的最大值，第一角度小于多孔电极表面接触角，使得液态水从多孔电极表面向流场壁面运动时，所受到的表面张力与液滴运动的方向一致，确保了液态水更容易向流场壁面移动，避免液态水在多孔电极表面移动，堵塞多孔电极，影响氢气从流场向多孔电极的扩散或渗透，是本说明书实施例的创新点之一。

5、本实施例中，通过在流场壁面涂覆疏水性材料或者改变流场壁面的粗糙度，实现对流场每一壁面的接触角的梯度改造，从而形成流场壁面的润湿性梯度，利用表面张力作为水滴运动的驱动力，所述实施方式可行性高，能够保证对壁面进行处理后接触角的精度，具有较高可靠性，有利于加快液态水运输，防止燃料电池阳极侧发生水淹，是本说明书实施例的创新点之一。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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。

图1为本说明书实施例提供的一种燃料电池极板流场的结构示意图；

图2为本说明书实施例提供的一种燃料电池极板的结构示意图；

图2中，1-阳极双极板，2-多孔电极，3-阴极双极板。

具体实施方式

下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本说明书实施例及附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本说明书实施例公开了一种燃料电池极板流场及燃料电池极板。以下进行详细说明。

图1为本说明书实施例提供的一种燃料电池极板流场的结构示意图。图1示出了一种单流道的蛇形流场，本说明书实施例中的流场不限于单流道流场。如图1所示，燃料电池极板流场包括：三个方向的流场壁面，其中两个壁面相对，另一壁面连接相对的两个壁面，每一流场壁面的接触角按线性规律变化，在流场的同一位置处，三个流场壁面的接触角大小相同。

流场包括三个流场壁面，另一侧为多孔电极的表面。为增强流场的排水性，为达到改变流场的润湿性的目的，需要对流场三个壁面进行表面改性。

所述流场为蛇形流场，包括直线流道部分和转角流道部分，直线流道部分和转角流道部分分为三个流道区，分别为第一流道区、第二流道区、第三流道区；第三流道区为转角流道部分，第二流道区为与所述第三流道区相连接的直线流道部分，且所述第二流道区的总流道长度为所述第三流道区的总流道长度的

所述第二流道区包括两部分，分别为从直线流道进入转角流道的第一部分，以及从转角流道进入直线流道的第二部分，第一部分第二流道区的流道长度与第二部分第二流道区的流道长度相等，第一流道区为第二流道区以外的其他直线流道部分。

本实施例中的流场，根据流道的弧度以及位置，整个流场流道划分为三个区域，分别是直线流道的第一流道区、靠近转角的直线流道的第二流道区以及转角流道的第三流道区，如此划分的好处在于，转角区域以及邻近转角的区域是最易积水的流道位置，在液滴最易积聚的位置改变流道表面的润湿性，使得液态水易流动易排出，能直接有效地解决液态水在流道中积聚导致的水淹问题，排水效果明显。

第一流道区的每一壁面的接触角按线性规律逐渐增大，第二流道区的每一壁面的接触角按线性规律逐渐减小，第三流道区的每一壁面的接触角，以转角流道区内侧圆心为中心，按角度梯度逐渐减小。

表面张力为影响液态水运动的主要变量，当接触角为恒定值或沿液态水运动方向逐渐增大时，表面张力是液态水运动的阻力，即表面张力的方向与液态水运动方向相反，且接触角增大的梯度越大，阻力越大；而当接触角沿液态水运动方向逐渐减小时，表面张力的方向改变，与液态水运动方向一致，此时，其成为液态水运动的驱动力，且接触角减小的梯度越大，其推动力越大。

在一个具体实施例中，所述第二流道区的流道总长度占整个流场流道总长度的1％。本实施例中，第二流道区的流道总长度占整个流场流道总长的1％，那么第三流道区的流道总长占整个流场流道总长的2％，第一流道区的流道长度占97％。

在第一流道区，壁面接触角沿液态水运动方向逐渐增大，表面张力为液态水运动的阻力，尽管疏水性的增强会增大液态水的运动阻力，但由于该区域流道为直线，且距离长占到流道总长的97％，因此，接触角上升的梯度很小，对液滴流动的影响较小；而当液态水进入第二流道区后，该区域靠近转角区域，壁面接触角迅速减小，为水滴提供与其运动方向相同的表面张力，促进液滴运动，不易在转角流道区附近形成积水；第三流道区为转角区域，常规情况下液态水运动阻力大，在本说明书实施例中，该区域壁面接触角也迅速下降，当液态水进入第三流道区后，受到与液滴运动方向相同的表面张力，确保液态水顺利通过转角流道。

在一个具体实施例中，所述流场的第一流道区的接触角梯度为0.05°/mm至1°/mm；第二流道区的接触角梯度为10°/mm至20°/mm；第三流道区的接触角以转角流道的内侧圆心为中心，按照角度变化，整体下降10°-20°。流场三类区域的梯度设置，有利于顺利通过流场。

在一个具体实施例中，所述流场包括：第一流道区与第一部分第二流道区交界处的接触角为第一角度，第一部分第二流道区与第三流道区交界处的接触角为第二角度，第三流道区与第二部分第二流道区交界处的接触角为第三角度，第二部分第二流道区与第一流道区交界处的接触角为第四角度，所述第一角度的范围取70°至90°，所述第二角度的范围取60°至70°，所述第三角度的范围取50°至60°，所述第四角度的范围取40°至50°。

在三类区域的交界处的接触角梯度的方向发生变化，四个角度的范围有利于避免接触角的梯度过大造成接触角的不合理变化，能够在合理条件下获得良好的排水性能。

在一个具体实施例中，所述第一角度小于多孔电极表面接触角。

流场包含三个壁面，另一侧为多孔电极的表面，由于液态水在运动时可能接触的壁面包括流场的三个壁面以及多孔电极表面，第一角度是流场壁面接触角的最大值，第一角度小于多孔电极表面的接触角确保了液态水更容易向流场壁面移动，避免液态水在多孔电极表面移动，堵塞多孔电极，影响氢气从流场向多孔电极的扩散或渗透。

第一流道区的所有壁面的接触角的增加量之和与第二流道区和第三流道区的所有壁面的接触角的减小量之和相等。

由于流场壁面接触角在第一流道区上升，在第二流道区和第三流道区下降，因此，可以实现流场壁面整体的接触角不变，相较于接触角单向增大或者减小，避免在面积较大的双极板流场内造成接触角梯度过小、排水效果不明显的情况。

为使流场壁面的接触角按照对应流道区域的线性规律变化，可以采用梯度表面改性处理。

在一个具体实施例中，每一流场壁面表面涂覆有疏水性材料，在所述第一流道区，疏水性材料的涂覆量按照第一流道区对应的接触角梯度变化逐渐增加；在所述第二流道区，疏水性材料的涂覆量按第二流道区对应的接触角梯度变化逐渐减少；在所述第三流道区，疏水性材料的涂覆量按第三流道区对应的接触角梯度变化。

通过表面改性处理，在流道壁面上梯度涂覆疏水性材料以实现对应区域的接触角梯度，此外，采用改变流道壁面粗糙度的方式，亦可实现接触角的梯度变化。

在一个具体实施例中，每一流场壁面的接触角按照权利要求1所述线性规律变化通过改变流场壁面的表面粗糙度实现。

可以采用以下两种方法改变流道壁面粗糙度，一是在加工双极板流场时，将模具内表面做成具有一定的粗糙度梯度，粗糙度梯度对应实现各壁面相应的接触角梯度；二是对常规流场进行激光刻蚀处理，使流场壁面具备需求的粗糙度梯度，通过相应的粗糙度实现流场各壁面的接触角梯度。

在一个具体实施例中，所述流场与双极板的安装方向固定，以使液态水按照流场壁面接触角先增大后减小的方向流过所述流场。基于本说明书实施例对流场壁面的改造，液滴必须以固定方向进入流场以实现良好的排水效果，从而所述流场应用于双极板时，须以固定方向安装。

本实施例中，液滴进入流场后，与流场壁面接触，先进入第一流道区，第一流道区的接触角上升但由于上升梯度小，对液滴的运动影响较小。接着液滴进入第二流道区的第一部分，由于第二流道区的接触角下降，液滴受到与运动方向相同的表面张力，顺利进入第三流道区。第三流道区的接触角继续下降，液滴受到的表面张力利于液滴向前运动，于是液滴顺利进入第二流道区的第二部分，壁面接触角继续下降，液滴顺利通过转角区域以及邻近转角的直线区域，再次进入第一流道区，直到顺利流出流场。本说明书实施例利用表面张力作为液态水运动的驱动力，加快液态水运输，防止燃料电池阳极侧发生水淹，能够有效提升电池性能。

图2为本说明书实施例提供的一种燃料电池极板的结构示意图。如图2所示，一种燃料电池极板，包括：1-阳极双极板，2-多孔电极和3-阴极双极板，1-阳极双极板包含所述燃料电池极板流场。其中，阳极流场和阴极流场分别位于阳极和阴极双极板上，流场下方即为多孔电极。

在一个具体实施例中，所述流场的流道宽度为1毫米，转角流道部分的外侧转角半径为0.7毫米，内侧转角半径为0.5毫米。

综上所述，本说明书实施例提供一种燃料电池极板流场及燃料电池极板，通过对流场壁面接触角进行梯度改造，形成流场壁面的润湿性梯度，利用表面张力作为水滴运动的驱动力，加快液态水运输，防止燃料电池阳极侧发生水淹，在不提高成本的同时，有效提升电池性能，解决了现有技术中燃料电池阳极侧发生水淹的问题，具有进步性。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池极板流场，其特征在于，包括：三个方向的流场壁面，其中两个壁面相对，另一壁面连接相对的两个壁面，每一流场壁面的接触角按线性规律变化，在流场的同一位置处，三个流场壁面的接触角大小相同；

所述流场为蛇形流场，包括直线流道部分和转角流道部分，直线流道部分和转角流道部分分为三个流道区，分别为第一流道区、第二流道区、第三流道区；第三流道区为转角流道部分，第二流道区为与所述第三流道区相连接的直线流道部分，且所述第二流道区的总流道长度为所述第三流道区的总流道长度的

所述第二流道区包括两部分，分别为从直线流道进入转角流道的第一部分，以及从转角流道进入直线流道的第二部分，第一部分第二流道区的流道长度与第二部分第二流道区的流道长度相等，第一流道区为第二流道区以外的其他直线流道部分；第一流道区的每一壁面的接触角按线性规律逐渐增大，第二流道区的每一壁面的接触角按线性规律逐渐减小，第三流道区的每一壁面的接触角，以转角流道区内侧圆心为中心，按角度梯度逐渐减小；第一流道区的所有壁面的接触角的增加量之和与第二流道区和第三流道区的所有壁面的接触角的减小量之和相等。

2.根据权利要求1所述的流场，其特征在于，所述第二流道区的流道总长度占整个流场流道总长度的1％。

3.根据权利要求1所述的流场，其特征在于，所述流场的流道宽度为1毫米，转角流道部分的外侧转角半径为0.7毫米，内侧转角半径为0.5毫米。

4.根据权利要求1所述的流场，其特征在于，包括：

第一流道区与第一部分第二流道区交界处的接触角为第一角度，第一部分第二流道区与第三流道区交界处的接触角为第二角度，第三流道区与第二部分第二流道区交界处的接触角为第三角度，第二部分第二流道区与第一流道区交界处的接触角为第四角度，所述第一角度的范围取70°至90°，所述第二角度的范围取60°至70°，所述第三角度的范围取50°至60°，所述第四角度的范围取40°至50°。

5.根据权利要求4所述的流场，其特征在于，所述第一角度小于多孔电极表面接触角。

6.根据权利要求1所述的流场，其特征在于，包括：

第一流道区的接触角梯度为0.05°/mm至1°/mm；第二流道区的接触角梯度为10°/mm至20°/mm；第三流道区的接触角以转角流道的内侧圆心为中心，按照角度变化，整体下降10°-20°。

7.根据权利要求1所述的流场，其特征在于，每一流场壁面表面涂覆有疏水性材料，在所述第一流道区，疏水性材料的涂覆量按照第一流道区对应的接触角梯度变化逐渐增加；在所述第二流道区，疏水性材料的涂覆量按第二流道区对应的接触角梯度变化逐渐减少；在所述第三流道区，疏水性材料的涂覆量按第三流道区对应的接触角梯度变化。

8.根据权利要求1所述的流场，其特征在于，每一流场壁面的接触角按照权利要求1所述线性规律变化通过改变流场壁面的表面粗糙度实现。

9.根据权利要求1所述的流场，其特征在于，所述流场与双极板的安装方向固定，以使液态水按照流场壁面接触角先增大后减小的方向流过所述流场。

10.一种燃料电池极板，其特征在于，包含权利要求1-9中任意一项所述的燃料电池极板流场。

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