CN113270607A

CN113270607A - 一种用于氢氧燃料电池的双极板组件

Info

Publication number: CN113270607A
Application number: CN202110546676.0A
Authority: CN
Inventors: 李世安; 杨治; 沈秋婉; 杨国刚; 潘新祥; 马峻峰; 王皓
Original assignee: Dalian Maritime University
Current assignee: Dalian Maritime University
Priority date: 2021-05-19
Filing date: 2021-05-19
Publication date: 2021-08-17

Abstract

本发明提供一种用于氢氧燃料电池的双极板组件，包括双极板本体，所述双极板本体上设有流道，所述流道内设置有楔形结构，且所述楔形结构的斜面沿所述流道内气体流动方向向上倾斜；所述楔形结构上设有多个凸起，其所述凸起的顶端低于所述流道的顶端。本发明在实现沿气流方向流道内流通面积整体减小的同时改变了流道局部流通面积，提高流道整体气流分布均匀性，提高近出口处气流速度，增强流道局部扰动，促进反应气向电极的传输，提高双极板的排水能力。

Description

一种用于氢氧燃料电池的双极板组件

技术领域

本发明涉及燃料电池双极板技术领域，具体而言是一种用于氢氧燃料电池的双极板组件。

背景技术

随着化石燃料引起环境污染的加剧和能源危机的日益严重，寻找新兴能源已成为世界热点问题，在各种新能源中，氢这一高效、无污染的能源备受关注。氢氧燃料电池是一种无污染、高效率的能量转换装置，具有效率高、寿命长、能量密度高、快速启动等优点，广泛地被应用于发电站、电子设备、航空航天器、潜艇等领域。氢氧燃料电池由双极板、流道、扩散层、催化层和质子交换膜组成。双极板与膜电极组同为燃料电池的重要组件，燃料电池的性能在很大程度上取决于双极板。

双极板作为燃料电池核心部件之一，在支撑膜电极组，汇集电流，传输和分配反应气体的同时排水散热，对反应气体利用率及燃料电池的水管理和热管理至关重要。燃料电池多孔电极内产生的液态水需要及时的去除以实现反应气的有效传输和燃料电池的高效工作。燃料电池双极板上的流道是反应气和反应产物的重要传输通道，直接影响到整个燃料电池的传质效率和性能。隔离反应物、分配反应气体、汇集电流和提供膜电极支撑是燃料电池流场板的主要作用，除此以外，燃料电池系统热量和反应生成水的排出也需要双极板，双极板上的流道结构不仅直接影响反应气体向气体扩散层的扩散和传质，而且间接影响电化学反应。

设计良好的流道结构可以有效地提高燃料电池的输出性能，改善气体分布的均匀性，减少水淹的发生。流道结构直接影响着反应气体的利用效率以及燃料电池的排水及散热性能。反应气体在双极板中的不均匀分布会导致反应区域减少、局部电流密度过低及燃料电池性能的下降。

传统双极板上设置的流道一般是矩形等截面的，常见形式有平行直流道、蛇形流道和交指型流道。

平行直流道较短，气流速度低，且入口处气体浓度较大，随着气体的不断反应，沿流动方向上气体浓度不断降低，分布极为不均匀，不利于多孔电极内液态水的排除和反应气的传输，其优点是流道入口和出口间的压力差小，泵气损失小。

蛇形流道气流速度大，有利于多孔电极产生液态水的排除，有利于反应气在电极内的分布和传输，但其流道较长，流道入口与出口间的压力差大，泵气损失大，使反应气沿流道长度方向分布不均，导致电流密度和温度分布不均匀。

交指流道的特点是流道是不连续，反应气体在流动的过程中，由于通道一端封闭，迫使反应气向扩散层流动，有利于提高反应气传输效率，提高功率密度。同时在强制对流的作用下，会产生较大的压降，可能会损伤气体扩散层，甚至引起膜穿孔，破坏电池结构降低电池性能。

发明内容

根据上述技术问题，而提供一种用于氢氧燃料电池的双极板组件。

本发明采用的技术手段如下：

一种用于氢氧燃料电池的双极板组件，包括双极板本体，所述双极板本体上设有流道，所述流道内设置有楔形结构，且所述楔形结构的斜面沿所述流道内气体流动方向向上倾斜；可以使气体流道的横截面积沿气体流动方向逐渐减小，提高气体流动速度，尤其改善近出口的气体流动速度，使整个气体流道的气体浓度分布更加均匀，强化反应气传输，提高燃料电池的性能；所述楔形结构上设有多个凸起，其所述凸起的顶端低于所述流道的顶端。所述凸块，改变了流道局部的流通面积，可以增强局部气流速度，促进反应气向多孔层的传输，提高反应气传输效率，并将燃料电池反应产生的水及时排出，强化流道的排水能力，提高燃料电池的性能。

所述双极板本体、所述楔形结构和所述凸起为一体结构，加工便捷。

所述凸块数量为1～2500个。

所述流道长度为0.1m～10m。

所述楔形结构的最高点与所述流道的底面之间的距离h₁与所述流道高度H之间的关系为：h₁≤0.5H。

所述凸块的顶部与所述流道的底面之间的距离h₂与所述流道高度H之间的关系为：0.5H≤h₂≤H。

所述凸块的横向宽度w₁与所述流道的宽度W的关系为0.1W≤w₁≤W，所述凸块的纵向长度w₂与流道的宽度W的关系为0.1W≤w₂≤W。

多个所述凸块沿所述流道内气体流动方向等距排列，或者多个所述凸块沿所述流道内气体流动方向渐稀排列，或者多个所述凸块沿所述流道内气体流动方向渐密排列。沿流动方向逐渐加密对流道近出口处气流分布情况排水情况改善较好，沿流动方向逐渐稀疏对流道近入口处气流分布情况排水改善较好。

凸块的截面可选取梯形等四边形和曲面形状，所述凸块靠近所述流道的入口一侧侧壁呈沿所述流道内气体流动方向向上倾斜的斜面或者弧面，能够起到更好的导流作用，减少流道中涡流的产生，强化气流。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供一种用于氢氧燃料电池的双极板组件，区别于传统等截面流道双极板，通过在双极板流道中设置带凸块的楔形结构的方法，在实现沿气流方向流道内流通面积整体减小的同时改变了流道局部流通面积，提高流道整体气流分布均匀性，提高近出口处气流速度，增强流道局部扰动，促进反应气向电极的传输，提高双极板的排水能力。本发明中楔型结构角度、凸块的结构、数量及分布均可调控，提高反应气体传输效率和排水能力。本发明可以提高燃料电池的工作性能和稳定性。

基于上述理由本发明可在双极板等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明具体实施方式中一种用于氢氧燃料电池的双极板组件结构示意图。

图2为本发明具体实施方式中一种用于氢氧燃料电池的双极板组件的纵向截面示意图。

图3为本发明具体实施方式中单个凸块流道示意图。

图4为本发明具体实施方式中单个凸块局部横向图。

图5为本发明具体实施方式中单个凸块局部俯视图。

图6为本发明具体实施方式中四边形凸块截面示意图。

图7为本发明具体实施方式中弧面凸块截面示意图。

图8为本发明具体实施方式中多个凸块渐稀排列方式示意图。

图9为本发明具体实施方式中多个凸块渐密排列方式示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1～9所示，一种用于氢氧燃料电池的双极板组件，包括双极板本体1，所述双极板本体1上设有流道，所述流道内设置有楔形结构2，且所述楔形结构2的斜面沿所述流道内气体流动方向向上倾斜；可以使气体流道的横截面积沿气体流动方向逐渐减小，提高气体流动速度，尤其改善近出口的气体流动速度，使整个气体流道的气体浓度分布更加均匀，强化反应气传输，提高燃料电池的性能；所述楔形结构2上设有多个凸起3，其所述凸起3的顶端低于所述流道的顶端。所述凸块3，改变了流道局部的流通面积，可以增强局部气流速度，促进反应气向多孔层的传输，提高反应气传输效率，并将燃料电池反应产生的水及时排出，强化流道的排水能力，提高燃料电池的性能。

所述双极板本体1、所述楔形结构2和所述凸起3为一体结构，加工便捷。

所述凸块3数量为1～2500个。

所述流道长度为0.1m～10m。

所述楔形结构2的最高点与所述流道的底面之间的距离h₁与所述流道高度H之间的关系为：h₁≤0.5H。

所述凸块3的顶部与所述流道的底面之间的距离h₂与所述流道高度H之间的关系为：0.5H≤h₂≤H。

所述凸块3的横向宽度w₁与所述流道的宽度W的关系为0.1W≤w₁≤W，所述凸块3的纵向长度w₂与流道的宽度W的关系为0.1W≤w₂≤W。

多个所述凸块3沿所述流道内气体流动方向等距排列(如图1～3)，或者多个所述凸块3沿所述流道内气体流动方向渐稀排列(如图8)，或者多个所述凸块3沿所述流道内气体流动方向渐密排列(如图9)。沿流动方向逐渐加密对流道近出口处气流分布情况排水情况改善较好，沿流动方向逐渐稀疏对流道近入口处气流分布情况排水改善较好。

凸块3的截面可选取梯形等四边形(如图6)和曲面形状(如图7)，所述凸块3靠近所述流道的入口一侧侧壁呈沿所述流道内气体流动方向向上倾斜的斜面或者弧面，能够起到更好的导流作用，减少流道中涡流的产生，强化气流。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种用于氢氧燃料电池的双极板组件，其特征在于，包括双极板本体，所述双极板本体上设有流道，所述流道内设置有楔形结构，且所述楔形结构的斜面沿所述流道内气体流动方向向上倾斜；所述楔形结构上设有多个凸起，其所述凸起的顶端低于所述流道的顶端。

2.根据权利要求1所述的一种用于氢氧燃料电池的双极板组件，其特征在于，所述双极板本体、所述楔形结构和所述凸起为一体结构。

3.根据权利要求1所述的一种用于氢氧燃料电池的双极板组件，其特征在于，所述流道长度为0.1m～10m。

4.根据权利要求1所述的一种用于氢氧燃料电池的双极板组件，其特征在于，所述楔形结构的最高点与所述流道的底面之间的距离h₁与所述流道高度H之间的关系为：h₁≤0.5H。

5.根据权利要求4所述的一种用于氢氧燃料电池的双极板组件，其特征在于，所述凸块的顶部与所述流道的底面之间的距离h₂与所述流道高度H之间的关系为：0.5H≤h₂≤H。

6.根据权利要求4所述的一种用于氢氧燃料电池的双极板组件，其特征在于，所述凸块的横向宽度w₁与所述流道的宽度W的关系为0.1W≤w₁≤W，所述凸块的纵向长度w₂与流道的宽度W的关系为0.1W≤w₂≤W。

7.根据权利要求1所述的一种用于氢氧燃料电池的双极板组件，其特征在于，多个所述凸块沿所述流道内气体流动方向等距排列，或者多个所述凸块沿所述流道内气体流动方向渐稀排列，或者多个所述凸块沿所述流道内气体流动方向渐密排列。

8.根据权利要求1所述的一种用于氢氧燃料电池的双极板组件，其特征在于，所述凸块靠近所述流道的入口一侧侧壁呈沿所述流道内气体流动方向向上倾斜的斜面或者弧面。