CN114497613B

CN114497613B - 一种液态水自去除型燃料电池双极板

Info

Publication number: CN114497613B
Application number: CN202111518686.XA
Authority: CN
Inventors: 董非; 程子阳; 许晟; 尹必峰; 李泽锴; 贾和坤; 倪捷
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2021-12-13
Filing date: 2021-12-13
Publication date: 2023-09-22
Anticipated expiration: 2041-12-13
Also published as: CN114497613A

Abstract

本发明提供了一种液态水自去除型燃料电池双极板，所述双极板表面的进料口与双极板表面的出料口之间设有若干相互连通流道；每个所述流道表面内设有第一亲水区域，且所述第一亲水区域的分布宽度沿介质流动方向逐渐变大；垂直与所述第一亲水区域的两侧分别设有若干渐缩的第二亲水区域。本发明通过在燃料电池双极板流道表面多个复合三角形的亲水区域，能使得燃料电池反应产生的液态水移动到流道中间，并沿流道流动方向排出，而仅需小功率空压机或不需要吹扫，使得液滴流出燃料电池，达到自排水的目的。

Description

一种液态水自去除型燃料电池双极板

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种液态水自去除型燃料电池双极板。

背景技术

随着环保和有限能源资源意识的日益上升，燃料电池越来越受关注。质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有无污染、噪声低、转换效率高、可在室温下快速启动等优点被广泛应用在交通、能源等多个领域，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。

双极板作为PEMFC的一个关键部件，在电堆总质量、体积以及成本中占据着重要比重。相关研究表明，双极板占据着电堆总质量的80％和总成本的45％，最近研究表明其成本降低到电堆总成本的30％。双极板起着分隔和输送燃料和氧化剂、散热排水功能、传导电流和支撑膜电极的作用。

其中，流道作为燃料电池双极板中排水和输送燃料的通道，起着极其重要的作用。燃料电池在运行过程中，阴极表面会持续不断地生成，若生成物水无法及时排出，导致气体通道堵塞，减少生成物的输送量，降低电池的性能。因此燃料电池中的水管理极其重要，直接影响着燃料电池的性能、寿命和耐久。

现阶段有很多专利考虑到强化燃料电池流道传质以达到排水和优化性能的效果。现有技术公开了多个螺旋肋片沿所述流道的长度方向分布在所述流道内的双极板流道，用于改善气体在流道内的流动，增强流道内气体的对流输运效应。现有技术公开了流道底部增加凸点的双极板流道，提高了双极板的传质能力，从而提高电堆性能。现有技术公开了一种波纹状流场结构，用于增加电池内部气体的湍动程度，提升电池性能。以上专利均有助于提高燃料电池燃料传质进而提高燃料电池性能。但在燃料电池除水方面，均需空压机运行达到一定功率吹扫出去流道中液态水，这在一定程度上降低了燃料电池的效率、性能，浪费了能量。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种液态水自去除型燃料电池双极板，通过在燃料电池双极板流道表面多个复合三角形的亲水区域，能使得燃料电池反应产生的液态水移动到流道中间，并沿流道流动方向排出，而仅需小功率空压机或不需要吹扫，使得液滴流出燃料电池，达到自排水的目的。因此，本发明有助于消除电极水淹现象，同时仅允许适量的水接触膜电极来保持膜的湿润。同时，本发明加工简单，只需将表面改性，无需加工多余的结构。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种液态水自去除型燃料电池双极板，所述双极板表面的进料口与双极板表面的出料口之间设有若干相互连通流道；每个所述流道表面内设有第一亲水区域，且所述第一亲水区域的分布宽度沿介质流动方向逐渐变大；垂直与所述第一亲水区域的两侧分别设有若干渐缩的第二亲水区域。

进一步，若干渐缩的第二亲水区域沿介质流动方向间距逐渐变小。

进一步，所述流道包括水平流道和垂直流道，所述水平流道内第一亲水区域和第二亲水区域壁面的接触角沿流动方向线性递增；所述垂直流道内第一亲水区域和第二亲水区域壁面的接触角沿流动方向线性递减；所述水平流道内接触角增加量之和与垂直流道内接触角减小量之和相等。

进一步，所述水平流道与垂直流道交界处的接触角为第一角度θ₁＝70-90°。

进一步，所述第一亲水区域和第二亲水区域均为三角形，且第二亲水区域为直角三角形。

进一步，所述第一亲水区域接触角θ_b＝30-90°；所述第二亲水区域接触角θ_b＝30-90°；所述流道表面的疏水区域接触角θ_o＝95-170°。

进一步，所述双极板表面的进料口与双极板表面的出料口之间设有2条水平流道，在2条水平流道之间设有若干等距分布的垂直流道，所述第一亲水区域最大宽度W_b＝50-1000μm；所述第二亲水区域最大宽度W_s＝10-300μm；所述第二亲水区域面积占所述流道表面面积的5％-50％。

进一步，所述双极板表面的进料口与双极板表面的出料口之间设有2条水平流道，在2条水平流道之间设有若干等距分布的垂直流道，且所述垂直流道壁面呈波浪状；所述第一亲水区域最大宽度W_b＝50-500μm；所述第二亲水区域最大宽度W_s＝10-500μm；所述第二亲水区域面积占所述流道表面面积的5％-60％。

进一步，所述双极板表面的进料口与双极板表面的出料口之间设有蛇形流道，所述蛇形流道包括交替分布的水平流道和垂直流道；所述第一亲水区域最大宽度W_b＝50-1000μm；所述第二亲水区域最大宽度W_s＝10-300μm；所述第二亲水区域面积占所述流道表面面积的5％-50％。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的液态水自去除型燃料电池双极板，通过对流道壁面处理，使得流道壁面接触角按照线性规律变化，从而为液态水的流动提供动力。所述水平流道内第一亲水区域和第二亲水区域壁面的接触角沿流动方向线性递增；所述垂直流道内第一亲水区域和第二亲水区域壁面的接触角沿流动方向线性递减，使得液态水在流场中运动的表面张力由阻力转向驱动力。液态水流过水平流道时受到的表面张力为阻力，但水平流道较长，接触角增大的较少；当水流至垂直流道时，液滴受到的表面张力转变为动力，有利于液滴流过交界区域，从而有效防止液态水在转角区域停留造成积水，燃料电池双极板表面上沿气体流动方向分布宽度由小到大的三角形第一亲水区域。垂直于气体流动方向的三角形第一亲水区域的两侧分布着多个越靠近侧壁宽度越小的直角三角形第二亲水区域，并且间隔随流动方向变小，从而使液态水能够自动流向流道中间区域，并流出流道，大大减少了液态水在流道侧壁和流道内部区域的堆积，阻止了燃料电池水淹情况的出现。

2.本发明所述的液态水自去除型燃料电池双极板，通过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加快液态水的运输，由于表面液态水大部分已排出，因此在低温环境下其表面结冰量变小，从而大大提高了燃料电池的冷启动性能和寿命。

3.本发明所述的液态水自去除型燃料电池双极板，加工制造简单，仅需在双极板流道表面特定区域进行表面改性，即可达到相应的效果。有效提升电池性能，解决了现有技术流场结构改造带来成本提高的问题和通过吹扫排水效果不明显的效果，对流场改进具有进步性。

附图说明

图1为本发明实施例1的液态水自去除型燃料电池双极板示意图；

图2为图1中Ⅱ处放大图；

图3为本发明实施例2的液态水自去除型燃料电池双极板示意图；

图4为图3中Ⅳ处放大图；

图5为本发明实施例3的液态水自去除型燃料电池双极板示意图；

图6为图5中Ⅵ处放大图；

图7为液态水自运动原理图；

图8为传统流道与本发明流道的液滴运动行为比较；

图9为传统流道与本发明流道的液滴移动距离比较；

图10为传统流道与本发明流道液滴移动最大速度比较。

图中：

1-双极板表面；2-流道表面；3-复合三角形亲水区域；4-出料口；5-进料口。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1和图2所示，本发明所述的液态水自去除型燃料电池双极板，所述双极板表面的进料口与双极板表面的出料口之间设有若干相互连通流道；每个所述流道表面内设有第一亲水区域，且所述第一亲水区域的分布宽度沿介质流动方向逐渐变大；垂直与所述第一亲水区域的两侧分别设有若干渐缩的第二亲水区域。若干渐缩的第二亲水区域沿介质流动方向间距逐渐变小。所述第一亲水区域和第二亲水区域均为三角形，且第二亲水区域为直角三角形。所述第一亲水区域接触角θ_b＝30-90°；所述第二亲水区域接触角θ_s＝30-90°；所述流道表面的疏水区域接触角θ_o＝95-170°。

图2、图4和图6为不同实施例的流道局部放大图，可以看出三角形第一亲水区域和直角三角形第二亲水区域表面涂敷疏水性相同的亲水材料，图中用正斜线表示亲水区域。图中反斜线为流道中除第一亲水区域和第二亲水区域外的疏水区域。使用激光加工双极板表面的流道，使得相邻的流道之间存在间隔区域，防止相邻流道之间自去除水过程的相互影响。防止液态水脱离三角区域而在侧壁堆积，从而阻塞流道。

所述流道包括水平流道和垂直流道，所述水平流道内第一亲水区域和第二亲水区域壁面的接触角沿流动方向线性递增；所述垂直流道内第一亲水区域和第二亲水区域壁面的接触角沿流动方向线性递减；所述水平流道内接触角增加量之和与垂直流道内接触角减小量之和相等。所述水平流道与垂直流道交界处的接触角为第一角度θ₁＝70-90°。

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，使得液态水易流动和排出，能有效解决液态水在流道中积聚导致的水淹问题，排水效果明显。通过调整水平流道和垂直流道交界处的接触角梯度变化方向，有利于避免接触角梯度过大造成接触角的不合理变化，以获得良好的排水性能。而通过涂敷疏水性材料可以实现此效果，该流场应用于双极板时，须以固定方向安装。

如图7所示，液态水自运动的原理为液滴移动方向前后的粘附力不平衡，使得液滴往粘附力大的区域运动，进料口为对准三角形第一亲水区域的顶点，出料口对准三角形第一亲水区域的底边，从而使液态水自去除。如图8所示，液态水自去除型流道能使靠近侧壁的液滴自行排出流道，直角三角形第二亲水区域的顶点对准流道壁面，将壁面产生的水引入该亲水区域，通过第二亲水区域面积变化的粘附力往第一亲水区域的方向流动。从双极板表面结构尺寸和实际自去除水效果进行综合考虑，沿着进料口向出料口方向相邻第二亲水区域的间距比例呈现1.2：1逐步缩小，而对于常规流道，则会在侧壁堆积，阻塞流道。图9为传统流道和液态水自运动流道的液滴移动距离比较，可以很明显看出液态水自去除型流道的液滴移动距离比传统流道更快，从而能更快去除液态水。图10为传统流道和液态水自运动流道的液滴移动最大速度比较。从图中可以看出，液态水自去除型流道的液滴移动最大速度比传统流道更快。

另外，在实际应用中本发明的复合三角亲水区域3，由于表面液态水大部分已排出，因此在低温环境下其表面结冰量变小，从而大大提高了燃料电池的冷启动性能和寿命。同时，本发明只需通过表面改性技术加工出复合三角形区域3，以直接在现有产品基础上进行加工，方法简便；易于实现，无需对双极板结构进行再设计，操作简便，稳定性高。

实施例1：

如图1和2所示，一种燃料电池双极板，双极板材料为钛合金，长度50mm，宽度为50mm，厚度为2mm。所述双极板表面1的进料口5与双极板表面1的出料口4之间设有2条水平流道，在2条水平流道之间设有若干等距分布的垂直流道，水平流道和垂直流道的宽度为0.5mm，流道深度为0.5mm。每个所述流道表面2内设有第一亲水区域，且所述第一亲水区域的分布宽度沿介质流动方向逐渐变大；垂直与所述第一亲水区域的两侧分别设有若干渐缩的第二亲水区域，使不管在流道任一区域的液态水都能够自运动排出。所述水平流道内第一亲水区域和第二亲水区域壁面的接触角沿流动方向线性递增；所述垂直流道内第一亲水区域和第二亲水区域壁面的接触角沿流动方向线性递减；所述水平流道内接触角增加量之和与垂直流道内接触角减小量之和相等。复合三角亲水区域3可以使液态水自运动离开燃料电池内部，消除水淹现象。同时大大降低表面的结冰量，大大提高了燃料电池的冷启动性能和寿命。所述第一亲水区域最大宽度W_b＝500μm；所述第二亲水区域最大宽度W_s＝100μm；所述第二亲水区域面积占所述流道表面面积的30％。所述第一亲水区域接触角θ_b＝60°；所述第二亲水区域接触角θ_s＝60°；所述流道表面的疏水区域接触角θ_o＝95-170°。

实施例2：

如图3和4所示，一种燃料电池双极板，双极板材料为不锈钢，长度60mm，宽度为60mm，厚度为4mm。所述双极板表面1的进料口5与双极板表面1的出料口4之间设有蛇形流道，流道宽度为0.8mm，流道深度为0.8mm。所述蛇形流道包括交替分布的水平流道和垂直流道；所述第一亲水区域最大宽度W_b＝800μm；所述第二亲水区域最大宽度W_s＝200μm；所述第二亲水区域面积占所述流道表面面积的40％。所述第一亲水区域接触角θ_b＝45°；所述第二亲水区域接触角θ_s＝60°。

实施例3：

如图5和6所示，一种燃料电池双极板，双极板材料为石墨，长度80mm，宽度为80mm，厚度为5mm。所述双极板表面1的进料口5与双极板表面1的出料口4之间设有2条水平流道，在2条水平流道之间设有若干等距分布的垂直流道，且所述垂直流道壁面呈波浪状；流道宽度为1mm，流道深度为1mm。所述第一亲水区域最大宽度W_b＝300μm；所述第二亲水区域最大宽度W_s＝50μm；所述第二亲水区域面积占所述流道表面面积的50％。所述第一亲水区域接触角θ_b＝80°；所述第二亲水区域接触角θ_s＝80°。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种液态水自去除型燃料电池双极板，其特征在于，所述双极板表面（1）的进料口（5）与双极板表面（1）的出料口（4）之间设有若干相互连通流道；每个所述流道表面（2）内设有第一亲水区域，且所述第一亲水区域的分布宽度沿介质流动方向逐渐变大；垂直于所述第一亲水区域的两侧分别设有若干渐缩的第二亲水区域；所述流道包括水平流道和垂直流道，所述水平流道内第一亲水区域和第二亲水区域壁面的接触角沿流动方向线性递增；所述垂直流道内第一亲水区域和第二亲水区域壁面的接触角沿流动方向线性递减；所述水平流道内接触角增加量之和与垂直流道内接触角减小量之和相等；所述第一亲水区域和第二亲水区域均为三角形，且第二亲水区域为直角三角形。

2.根据权利要求1所述的液态水自去除型燃料电池双极板，其特征在于，若干渐缩的第二亲水区域的间隙沿介质流动方向逐渐变小。

3.根据权利要求1所述的液态水自去除型燃料电池双极板，其特征在于，所述水平流道与垂直流道交界处的接触角为第一角度θ₁=70-90°。

4.根据权利要求1-3任一项所述的液态水自去除型燃料电池双极板，其特征在于，所述第一亲水区域接触角θ_b=30-90°；所述第二亲水区域接触角θ_s=30-90°；所述流道表面的疏水区域接触角θ_o=95-170°。

5.根据权利要求4所述的液态水自去除型燃料电池双极板，其特征在于，所述双极板表面（1）的进料口（5）与双极板表面（1）的出料口（4）之间设有2条水平流道，在2条水平流道之间设有若干等距分布的垂直流道，所述第一亲水区域最大宽度W_b=50-1000μm；所述第二亲水区域最大宽度W_s=10-300μm；所述第二亲水区域面积占所述流道表面面积的5%-50%。

6.根据权利要求4所述的液态水自去除型燃料电池双极板，其特征在于，所述双极板表面（1）的进料口（5）与双极板表面（1）的出料口（4）之间设有2条水平流道，在2条水平流道之间设有若干等距分布的垂直流道，且所述垂直流道壁面呈波浪状；所述第一亲水区域最大宽度W_b=50-500μm；所述第二亲水区域最大宽度W_s=10-500μm；所述第二亲水区域面积占所述流道表面面积的5%-60%。

7.根据权利要求4所述的液态水自去除型燃料电池双极板，其特征在于，所述双极板表面（1）的进料口（5）与双极板表面（1）的出料口（4）之间设有蛇形流道，所述蛇形流道包括交替分布的水平流道和垂直流道；所述第一亲水区域最大宽度W_b=50-1000μm；所述第二亲水区域最大宽度W_s=10-300μm；所述第二亲水区域面积占所述流道表面面积的5%-50%。