CN112786913B - 双极板及包含其的燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双极板及包含其的燃料电池。该双极板包括：本体；所述本体的一个表面上形成多条沿着同一方向延伸的流道；所述流道沿着其延伸方向形成为波浪形；所述流道从第一端口朝向第二端口逐渐变窄。双极板在形成为波浪形的同时，还形成从第一端口朝向第二端口逐渐变窄的流道，这样的双极板可以应用于石墨双极板、金属双极板以及复合材料双极板，同时也保证了流道中的气体的流速，使流道尾端产生的水能够较快的蒸发，有效解决了该形式流道的第二端口排水困难、容易发生堵水的情况；同时也解决了气体在流道尾端的浓度过低，使膜电极整体反应不均匀的情况，有效提升膜电极及电堆的寿命。

Description

双极板及包含其的燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，特别涉及一种双极板及包含其的燃料电池。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是以氢气为燃料，氧气或空气为氧化剂，将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的发电装置。双极板在PEMFC中具有隔断反应介质、集流导电、支撑膜电极、导热及为反应气体提供通道，均匀分布反应气体以及排水等作用，被称为燃料电池电堆的“骨架”，双极板合理的流场设计可以有效提高燃料电池的性能。
目前常用的流场的类型有直流道、S型流道、蛇形流道、交指型流道，其中S型流道因具有较好的性能而被越来越多的应用，但是目前应用的S型流道均为平行流道，双极板中气体入口处气体浓度较高，随着反应的进行，气体的浓度随着流道逐渐降低，气体的流速也会变小，所以会出现膜电极在两端反应不均匀的现象，第一端口反应充分温度、电压会比较高，第二端口会比较低，而反应生成的水会积在第二端口，如果不及时排出会发生流道堵塞情况，严重影响膜电极乃至电堆的寿命，所以，通过流道的设计来解决反应气体不均匀及排水的问题是非常关键的。
现有技术中，专利号CN101651217A提出了渐缩的流道结构，该结构为应用为平行直流道，第二端口截面小于进口截面，流道沿着流体流动方向线性递减，该方案可有效解决第二端口排水难得问题，但其不足之处在于：仅提出了应用于直流道，并没有提及其他形式的流道；目前主流的流道形式应用直流道越来越少，而且该流道形式如果用于石墨板其成本较高，如果用于金属双极板其成型过程中的平整度很难保证。
专利CN104037426B提出了一种应用于交指型流道的渐缩结构流道，交指流场结构由于流阻过大很少应用，而且专利中的极板形式工艺上实现起来过于困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术的上述缺陷，提供一种双极板及包含其的燃料电池。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种双极板，其包括：本体；
所述本体的一个表面上形成多条沿着同一方向延伸的流道；
所述流道沿着其延伸方向形成为波浪形；
所述流道从第一端口朝向第二端口逐渐变窄。
在本方案中，双极板在形成为波浪形的同时，还形成从第一端口朝向第二端口逐渐变窄的流道，这样的双极板可以应用于石墨双极板、金属双极板以及复合材料双极板，同时也保证了流道中的气体的流速，使流道尾端产生的水能够较快的蒸发，有效解决了该形式流道的第二端口排水困难、容易发生堵水的情况；同时也解决了气体在流道尾端的浓度过低，使膜电极整体反应不均匀的情况，有效提升膜电极及电堆的寿命。
优选地，所述流道的形状为弯角圆滑的“S”型波浪。
优选地，所述流道的形状为弯角尖锐的折线型波浪。
优选地，所述流道的长度为300-600mm。
优选地，所述流道的第一端口与所述流道的第二端口的截面积比为2.2-4.1。
在同样的工况下，截面比为2.2-4.1的电池的性能更佳。
优选地，所述流道的波浪形构造的槽深为2-6mm。
优选地，所述双极板为金属双极板或石墨双极板。
优选地，所述双极板为复合材料双极板。
一种燃料电池，其包括如上所述的双极板。
优选地，所述燃料电池为质子交换膜燃料电池或固体氧化物燃料电池。
本发明的积极进步效果在于：
1、气体在S型流道向GDL层传输介质的性能较好，随着气体不断反应消耗，流道中的气体浓度逐渐降低，渐缩结构使流道中的局部容腔逐渐变小，保证了第二端口的气体浓度，在第二端口也能实现有效传质，使电堆在较低的计量比下也能具有较好性能，从而提高燃料利用率，节省系统附件的功耗。
2、避免了尾端气体浓度低，实现膜电极整体均匀反应，使膜电极整体电压、温度分布均匀，有效提高了膜电极的使用寿命。
3、渐缩结构保证了第二端口气体的也具有较高的流速，从而带走积在第二端口的液态水，具有较好的排水功效。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的双极板的结构示意图。
图2为根据本发明的一个实施例的双极板的部分截面结构示意图。
图3为根据本发明的一个实施例的双极板的另一部分截面示意图。
图4为根据本发明的另一个实施例的双极板的截面结构示意图。
图5为在相同工况下，三种不同的双极板的电池性能的曲线示意图。
图6为根据本发明的一个实施例的双极板的流道长度分别为300mm、450mm、600mm情况下，进出口截面积比-电池性能曲线图。
附图标记说明：
双极板100
间隔部110
脊111
槽112
流道120
第一端口121
第二端口122
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在的实施例范围之中。
图1-3根据本发明的一个实施例示意了一种双极板100。
该双极板100包括本体。本体的一个表面上形成多条沿着同一方向延伸的流道120；流道120沿着其延伸方向形成为波浪形；流道120从第一端口121朝向第二端口122逐渐变窄。本体为板体，本体的表面上设有多个间隔部110，相邻的两个间隔部110之间形成流道120。该流道120用于流通反应气体，以下简称为“气体”。反应气体从第一端口121流入，从第二端口122流出。
双极板100在形成为波浪形的同时，还形成从第一端口121朝向第二端口122逐渐变窄的流道120，这样的双极板100可以应用于石墨双极板100、金属双极板100以及复合材料双极板100，同时也保证了流道120中的气体的流速，使流道120尾端产生的水能够较快的蒸发，有效解决了该形式流道120的第二端口122排水困难、容易发生堵水的情况；同时也解决了气体在流道120尾端的浓度过低，使膜电极整体反应不均匀的情况，有效提升膜电极及电堆的寿命。
另外，参见图5，图5显示了在相同工况下，三种不同的双极板100——波浪形渐变流道的双极板A、波浪形流道无渐变的双极板B、直线型渐变流道的双极板C的电池性能。在一般情况下，电压值越高，电池性能越优异。从图5中可以明显看出，波浪形渐变流道的双极板A的电池性能要远远大于另外两种双极板B和C的电池性能，这种叠加效应是超出预期的。同时，利用fluent仿真软件对该流道120仿真分析结果显示，波浪形渐缩结构流道相比无渐缩的流道进出口的流速一致性要好，流道整体的反应效率提高8.6％，未发生水淹现象。样件试验结果显示，无渐缩的流道进出口电压值相差约为11mV，温度相差5-6℃，波浪形渐缩结构流道出口电压值相差5-6mV，温度相差3-4℃；进出口的均一性有较好的提升。
以上的“渐缩”、“渐变”均是指流道120从第一端口121朝向第二端口122逐渐变窄的特征。
流道120的形状为弯角圆滑的“S”型波浪。
流道120的长度为300-600mm。
流道120的第一端口121与流道120的第二端口122的截面积比为2.2-4.1。
参见图6，一般电压高于0.65V时判断为性能较好，可见，在同样的工况下，在截面积比为2.2-4.1范围内时，电池性能较佳。
间隔部110具有脊111和槽112，流道120的脊111和槽112为互相补偿的关系，从脊111的最高点到槽112的最低点为一个周期。该周期在流道120的延伸方向上的长度为1.2mm-2.3mm。
如图4所示，流道120的波浪形构造的槽112深及间隔部110的槽112深为2-6mm。图4示意的截面与图3示意的截面相互垂直。
如图2所示，通过调整相邻的间隔部110的脊111的最高点连成的直线的夹角α可以调整上述截面积比。
优选地，双极板100为金属双极板或石墨双极板。
优选地，双极板100为复合材料双极板。
如图4所示，流道120的形状还可以为弯角尖锐的折线型波浪。
上述双极板100可以应用于燃料电池。该燃料电池可以为质子交换膜燃料电池或固体氧化物燃料电池。
上述双极板100可以同时应用于阴极(空气或者氧气)和阳极(氢气)，当阴阳极同时应用该双极板100时，氢气和空气的进出口的方向相反。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种双极板，其特征在于，其包括：本体；
所述本体的一个表面上形成多条沿着同一方向延伸的流道；
所述流道沿着其延伸方向形成为波浪形；
所述流道从第一端口朝向第二端口逐渐变窄；
所述流道的长度为300-600 mm；
所述流道的第一端口与所述流道的第二端口的截面积比为2.2-4.1；
所述双极板的表面上形成多个间隔部，相邻的两个间隔部之间形成所述流道；
所述间隔部具有脊和槽，所述流道的脊和槽为互相补偿的关系，从所述脊的最高点到所述槽的最低点为一个周期；
所述周期在所述流道的延伸方向上的长度为1.2mm-2.3mm；所述流道的波浪形构造的所述槽深及所述间隔部的所述槽深为2-6 mm。
2.如权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述流道的形状为弯角圆滑的“S”型波浪。
3.如权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述流道的形状为弯角尖锐的折线型波浪。
4.如权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述双极板为金属双极板、石墨双极板或复合材料双极板。
5.一种燃料电池，其特征在于，其包括如权利要求1-4中任一项所述的双极板。
6.如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池为质子交换膜燃料电池或固体氧化物燃料电池。
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