CN113299942A - 一种具有阶梯排列导气凸台的双极板及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，公开一种具有阶梯排列导气凸台的双极板，包括双极板本体，双极板本体前端设置有反应气体入口和冷却液入口，双极板本体后端设置有反应气体出口和冷却液出口，双极板本体中部设置有使反应气体入口和反应气体出口相连通的流场，流场包括流场脊和与流场脊间隔排列的流场槽，流场槽底面固定设置有若干导气凸台，导气凸台设置有多级，导气凸台的高度沿气体流向逐级增大；此外本发明还公开了一种燃料电池，燃料电池包括上述具有阶梯排列导气凸台的双极板。本发明导气凸台使用范围广，能够合理利用气流动能，实现较小梯度压降，提高膜电极附近反应物浓度，减少液态水在气体扩散层内的积聚。

Description

一种具有阶梯排列导气凸台的双极板及燃料电池

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，特别是涉及一种具有阶梯排列导气凸台的双极板及燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池由双极板、膜电极、气体扩散层和端板密封而成，双极板是燃料电池的重要组件，每组双极板包括一个阴极板和一个阳极板，分别承担着把氧化气体和还原气体送入膜电极进行反应的任务。还原气体通常是氢气，氧化气体通常为氧气，氢气经过双极板的流场进入气体扩散层并通过膜电极，在膜电极发生氧化反应释放电子成为氢离子，氢离子穿过质子交换膜迁移至阴极并与氧气结合生成水，氧气发生还原反应得到经过外电路至阴极的电子。氧化气体与还原气体适时足量的供入膜电极以及及时排出产物液态水是保证燃料电池高效运行的关键。

合理的流场设计可使气体均匀充足的供入膜电极，避免由于气体的不均匀导致产物水分布不均引起膜的局部干涸或水淹，抑制燃料电池的性能。传统流场一般为平行流场或蛇形流场，此种流场一般由若干流场槽与流场脊交替排列而成，气体从入口分配至各个流场，流场内气体扩散进入气体扩散层，进而进入膜电极。图1为传统燃料电池双极板平行流场，流场上游气体流速快，气体扩散层内的水易被吹出，不易堵塞气体扩散层，效率高，反应迅速，随着气体流动，气体动能不断减弱，流场下游气体流速降低，气体扩散层内的水很难吹出甚至无法吹出，容易堵塞气体扩散层，降低燃料电池效率，严重可导致水淹。

相关技术中虽有在流场内设置扰流柱或挡板，但凸起结构常为等高布置，这会同样造成沿流场长度方向气体进入气体扩散层的不均匀，进而导致水热分布不均匀；同时凸起结构的截面形状未充分考虑气流特性，这会损失部分的气流动能。

为解决现有技术中的不足，需要设计一种新型流场，使得气体沿流场长度方向均匀的进入气体扩散层，同时保证充分利用气流动能，进一步提高燃料电池的排水性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有阶梯排列导气凸台的双极板，以解决上述现有技术存在的问题，充分利用气流动能，提高燃料电池的排水性能，保证燃料电池电流密度的均匀性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种具有阶梯排列导气凸台的双极板，包括双极板本体，所述双极板本体前端设置有反应气体入口和冷却液入口，所述双极板本体后端设置有反应气体出口和冷却液出口，所述双极板本体中部设置有使所述反应气体入口和反应气体出口相连通的流场，所述流场包括流场脊和与所述流场脊间隔排列的流场槽，所述流场槽底面固定设置有多级导气凸台，所述导气凸台的高度沿气体流向逐级增大。

优选的，每级所述导气凸台的数量为多个，相邻两级所述导气凸台的高度差为定值。

优选的，所述流场还包括设置有靠近所述反应气体入口和反应气体出口的两个分配区，两个所述分配区与所述流场槽连通，所述分配区为以下至少一种：所述分配区为扰流柱式，所述分配区设置有多个间隔布置的柱状凸起；所述分配区为分配式，所述分配区设置有多条分流槽。

优选的，所述反应气体入口包括氧化气体入口和还原气体入口，所述双极板本体的前端沿逆时针依次设置有所述氧化气体入口、冷却液入口和还原气体入口，所述反应气体出口包括氧化气体出口和还原气体出口，所述双极板本体的后端沿逆时针依次设置有氧化气体出口、冷却液出口和还原气体出口。

优选的，所述流场槽和流场脊为直通形或蛇形。

优选的，所述导气凸台为流线型，所述导气凸台包括尖端和圆端，所述尖端朝向气体来流方向，所述圆端朝向气体去流方向。

优选的，所述导气凸台沿气体流向的剖切面的曲线公式为：

式中，α为所述导气凸台的高度，χ为导气凸台的横坐标值，y为导气凸台的纵坐标值。

优选的，所述导气凸台的宽度与所述流场槽的宽度相等，所述导气凸台最大凸起高度不大于所述流场槽深度的0.8倍，沿气流方向任意相邻所述导气凸台间的距离与上游导气凸台的高度相等。

优选的，所述双极板本体四角呈矩形阵列分布有紧固通孔。

本发明还提供一种燃料电池，所述燃料电池包括上述的具有阶梯排列导气凸台的双极板。

本发明公开了以下技术效果：

(1)本发明的导气凸台可以用于多种类型和材质的质子交换膜燃料电池双极板，双极板既可以通过硬模冲压制备，也可以通过铸造工艺制备成型。

(2)本发明设置有阶梯排列的导气凸台，解决了传统流场气体扩散层和膜电极内沿气流方向液态水逐渐增多的问题，能够合理利用气流动能，实现较小梯度压降，使得燃料电池排水性能得以提升，电流密度更加均匀。

(3)本发明将气流导入气体扩散层，使更多的新鲜充量到达气体扩散层，进而提高膜电极附近反应物浓度；在凸台处的流道高度变窄可以增大气流压力，将气体扩散层内积聚的液态水吹出。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统燃料电池双极板流场结构示意图；

图2为本发明双极板实施例一示意图；

图3为图2中B区域的局部放大图；

图4为图2中C区域的局部放大图；

图5位导气凸台的示意图；

图6为本发明双极板实施例一俯视图

图7为图6沿A-A线的剖视图；

图8为图6中D区域的局部放大图；

图9为本发明双极板实施例二结构示意图；

图10为具有导气凸台的双极板与气体扩散层装配使用时的局部放大图。

附图标记：1、双极板本体；2、流场；3、氧化气体入口；4、还原气体入口；5、冷却液入口；6、氧化气体出口；7、还原气体出口；8、冷却液出口；9、紧固通孔；10、气体扩散层；11、水滴；21、分配区；22、流场槽；23、流场脊；213、柱状凸起；214、分流槽；221、导气凸台。

具体实施方式

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。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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

参照图2至8，本发明提供一种具有阶梯排列导气凸台的双极板，包括双极板本体1，双极板本体1前端设置有反应气体入口和冷却液入口5，双极板本体1后端设置有反应气体出口和冷却液出口8，双极板本体1中部设置有使反应气体入口和反应气体出口相连通的流场2，流场2包括流场脊23和流场槽22，流场脊23与流场槽22平行设置并间隔排列，流场槽22底面固定设置有多级导气凸台221，导气凸台221的高度沿气体流向逐级增大。

优选的，整个流场2的尺寸为60mm×50mm，流场槽22的长度为60mm，宽度为1mm，深度为1mm；流场脊23的长度为60mm，宽度为1mm。

本发明的导气凸台221应用范围广，可以用于多种类型和材质的质子交换膜燃料电池双极板，双极板既可以通过硬模冲压制备，也可以通过铸造工艺制备成型；本发明使得燃料电池排水性能得以提升，电流密度更加均匀；将气流导入气体扩散层，使更多的新鲜充量到达气体扩散层，进而提高膜电极附近反应物浓度，在凸台处的流场高度变窄可以增大气流压力，将气体扩散层内积聚的液态水吹出。

进一步优化方案，每级导气凸台221的数量为多个，由流场槽22的长度决定，相邻两级导气凸台221的高度差为定值。这样可以均匀增大气流压力，使得燃料电池密度更加均匀。

优选的，导气凸台221的高度沿气体流向以递增次序阶梯排列，梯度为0.1mm，梯级为6级。

进一步优化方案，流场2还包括设置有靠近反应气体入口和反应气体出口的两个分配区21，两个分配区21与流场槽22连通，分配区21为扰流柱式，分配区21设置有多个间隔布置的柱状凸起213，分配区21的作用是将反应气体均匀的分配到各个流场槽22内。

进一步优化方案，反应气体入口包括氧化气体入口3和还原气体入口4，双极板本体1的前端沿逆时针依次设置的氧化气体入口3、冷却液入口5和还原气体入口4，反应气体出口包括氧化气体出口6和还原气体出口7，双极板本体1的后端沿逆时针依次设置有氧化气体出口6、冷却液出口8和还原气体出口7。

反应气体入口和反应气体出口沿双极板对角线设置，图2展示的双极板中的阴极板，流场槽22分别与氧化气体入口3和氧化气体出口6连通，这样是布置方式可以提升流场槽22的使用效率。

进一步优化方案，流场槽22和流场脊23为直通形，即流场2为平行流场。优选的，导气凸台221的高度沿气体流向以递增次序阶梯排列，梯级为6级，每级导气凸台221个数为5个。需要说明的是，平行流场的整个流场从气体入口到气体出口是贯通的，气体压降小，更适合阶梯型凸台的设计，本发明不适用于非贯通的流场，例如交指形流场或部分仿生流场，交指形流场通道中部流场的流道会被隔断，隔断使流场内的气体压力形成较大压降，无法实现本方案。

进一步优化方案，导气凸台221为流线型，截面形状为半水滴形，导气凸台221由尖端和圆端拼接而成，尖端为直角三角形，圆端为四分之一圆形，直角三角形靠近圆形一侧边的边长与圆形半径相等，结合图10，尖端朝向气体来流方向，具有导气的作用，能够将部分气体的气流产生竖直方向的速度分量，由于导气凸台221的高度沿气体流向逐级增大，实现了竖直方向气流速度梯度变化的效果，能够将气体扩散层10内积聚液态水滴11吹出，并随气流方向保持对气体扩散层10一定的吹扫能力，保证沿流场槽22长度方向压降的均匀性，即使流场下游，在气体动能降低的情况下，也可以实现将新鲜充量导入气体扩散层10，并将气体扩散层10内产生的水及时吹出，应当理解是，本专利所述的上游和下游是相对位置比较的结果，并不表示特定位置；圆端朝向气体去流方向，两个导气凸台221之间设置有腔室，气体通过圆端后在腔室内产生紊流，气流破碎成小尺度的涡，可以保证两个导气凸台221之间有足够的反应气体进入气体扩散层10。

进一步优化方案，导气凸台221沿气体流向的剖切面的曲线公式为：

式中，α为导气凸台的高度，χ为导气凸台221的横坐标值，y为导气凸台221的纵坐标值。

进一步优化方案，导气凸台221的宽度与流场槽22的宽度相等，导气凸台221设置有多级，级数的数量有流场槽22内的气流特性决定，如气流动能大时，可适当减少导气凸台221级数；相反，如气流动能小时，可适当增加导气凸台221的级数，应当理解的是，本专利所述的动能大和动能小是相对比较的结果。导气凸台221最大凸起高度不大于流场槽22深度的0.8倍，任意相邻导气凸台221间的沿气流方向的距离与上游导气凸台221的高度相等。

优选的，导气凸台221的高度由流场槽22深度的0.4倍递增到流场槽22深度的0.8倍。

进一步优化方案，双极板本体1四角呈矩形阵列分布有紧固通孔9。燃料电池封装时，可以通过紧固通孔9进行固定。

实施例二：

参照图9，本实施例与实施例一的区别在于：流场槽22和流场脊23为蛇形，即流场2为蛇形流场，蛇形流场的整个流场从气体入口到气体出口是连通的，设置有两个转弯，气体压降小，更适合阶梯型凸台的设计，其原理与平行流场相同，此处不再赘述，分配区21为分配式，分配区21设置有多条分流槽214。

本发明可以改善平行流场和蛇形流场因入口处气流流速过快导致的膜趋于干涸和出口处气流压力不足引起的膜趋于水淹的不利现象。使得气体压降更均匀，进而使得膜内水分布更均匀，从而达到电流密度均匀分布的效果。

优选的，导气凸台221梯级仍为6级，不同的是，每级导气凸台221的个数为8个，导气凸台221的高度沿气体流向逐级增大。

实施例三：

一种燃料电池，燃料电池包括实施例一或实施例二中具有阶梯排列导气凸台的双极板。

需要说明的是，本发明中阶梯排列的导气凸台所具有的导气、恒压的作用并不限于半水滴状的构形，也可采取其他已有的具有更好的导气、恒压作用的设计构形，以兼顾双极板的流场结构和双极板本体的尺寸。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“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，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。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有阶梯排列导气凸台的双极板，包括双极板本体(1)，所述双极板本体(1)前端设置有反应气体入口和冷却液入口(5)，所述双极板本体(1)后端设置有反应气体出口和冷却液出口(8)，所述双极板本体(1)中部设置有使所述反应气体入口和反应气体出口相连通的流场(2)，所述流场(2)包括流场脊(23)和与所述流场脊(23)间隔排列的流场槽(22)，其特征在于：所述流场槽(22)底面固定设置有多级导气凸台(221)，所述导气凸台(221)的高度沿气体流向逐级增大。

2.根据权利要求1所述的具有阶梯排列导气凸台的双极板，其特征在于：每级所述导气凸台(221)的数量为多个，相邻两级所述导气凸台(221)的高度差为定值。

3.根据权利要求1所述的具有阶梯排列导气凸台的双极板，其特征在于：所述流场(2)还包括设置有靠近所述反应气体入口和反应气体出口的两个分配区(21)，两个所述分配区(21)与所述流场槽(22)连通，所述分配区(21)为以下至少一种：所述分配区(21)为扰流柱式，所述分配区(21)设置有多个间隔布置的柱状凸起(213)；所述分配区(21)为分配式，所述分配区(21)设置有多条分流槽(214)。

4.根据权利要求1所述的具有阶梯排列导气凸台的双极板，其特征在于：所述反应气体入口包括氧化气体入口(3)和还原气体入口(4)，所述双极板本体(1)的前端沿逆时针依次设置有所述氧化气体入口(3)、冷却液入口(5)和还原气体入口(4)，所述反应气体出口包括氧化气体出口(6)和还原气体出口(7)，所述双极板本体(1)的后端沿逆时针依次设置有氧化气体出口(6)、冷却液出口(8)和还原气体出口(7)。

5.根据权利要求1所述的具有阶梯排列导气凸台的双极板，其特征在于：所述流场槽(22)和流场脊(23)为直通形或蛇形。

6.根据权利要求1所述的具有阶梯排列导气凸台的双极板，其特征在于：所述导气凸台(221)为流线型，所述导气凸台(221)包括尖端和圆端，所述尖端朝向气体来流方向，所述圆端朝向气体去流方向。

7.根据权利要求6所述的具有阶梯排列导气凸台的双极板，其特征在于：所述导气凸台(221)沿气体流向的剖切面的曲线公式为：

式中，α为所述导气凸台(221)的高度，χ为导气凸台(221)的横坐标值，y为导气凸台(221)的纵坐标值。

8.根据权利要求7所述的具有阶梯排列导气凸台的双极板，其特征在于：所述导气凸台(221)的宽度与所述流场槽(22)的宽度相等，所述导气凸台(221)最大凸起高度不大于所述流场槽(22)深度的0.8倍，沿气流方向任意相邻所述导气凸台(221)间的距离与上游导气凸台(221)的高度相等。

9.根据权利要求1至8任意一项所述的具有阶梯排列导气凸台的双极板，其特征在于：所述双极板本体(1)四角呈矩形阵列分布有紧固通孔(9)。

10.一种燃料电池，其特征在于：所述燃料电池包括权利要求1至9任意一项所述的具有阶梯排列导气凸台的双极板。

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