CN118431501A - 一种新型燃料电池双极板及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种新型燃料电池双极板及燃料电池，所述双极板的流道上设置有至少1个高度敛散结构和1个宽度敛散结构。宽度和高度敛散结构的收缩段与扩张段的形状及尺寸相同或者不同；同一流道及不同流道的宽度和高度敛散结构的数目、位置、尺寸及周期相同或者不同。宽度和高度敛散结构的形状、尺寸和布置需根据电池的水汽传输、热管理及功率密度要求进行设计，以达到最佳的反应气体分配、排水和散热性能。本发明基于流场整体结构优化的设计理念，根据燃料电池的性能需求灵活设计敛散结构的具体尺寸与布置方式，可显著增强燃料电池阴极板内反应气体分布均匀性，并有效减轻气体扩散层和气体通道中液态水的积累，提升燃料电池的传质效率和输出性能。

Description

一种新型燃料电池双极板及燃料电池

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种新型燃料电池双极板及燃料电池。

背景技术

以氢气作为燃料的氢氧燃料电池是一种直接的电化学能量转换装置，其工作过程不受卡诺循环的限制，理论上能量转换效率可达83%，实际工作效率受极化现象等影响在40%-60%，是内燃机转换效率的1.5-2倍。除能量转换效率高之外，燃料电池在工作过程中还具备清洁无污染、模块化结构、无机械振动、噪音低、能适应不同功率要求、可持续发电、可靠性高等优点，被认为在移动电源、交通动力能源和分布式发电领域有非常广阔的应用前景。

燃料电池工作过程涉及复杂的内部传热、传质现象。燃料电池(PEMFC)在运行过程中氢气在阳极催化剂作用下分解为氢离子和电子，氢离子再通过质子交换膜到达阴极侧，与阴极侧的催化层(CL)氧气催化分解后得到的氧离子结合生成水，而阳极侧的电子通过外电路到达阴极产生电流并放出大量的热，生成的水通过气体扩散层(GDL)输送到膜电极(MEA)表面，最后沿着流道排出。造成燃料电池性能下降的因素有很多，其中浓差极化就是重要原因之一。浓差极化主要集中在高电流密度的工况中出现，导致该现象发生的主要原因是燃料电池中化学反应过程受阻。即过量的液态水堵塞流道和气体扩散层的孔隙，反应气体无法到达催化层表面，导致其浓差极化现象加剧。所以燃料电池阴极侧的水管理对电池性能的提高至关重要，需要通过改进流道结构等行为来促进排水，增强反应物向多孔气体扩散层和催化层的传输能力。

传统流场燃料利用率较低、水去除能力低，燃料电池电流密度和功率密度均不高。因此，需要设计新型的流场来对流道结构进行改进提高燃料的利用率和排水能力，进一步提升燃料电池的总体输出性能。

本专利发明人在实现本发明实施例技术方法的过程中，至少发现现有技术中存在如下技术问题：

传统流场如果阴极侧反应生成的水未能及时排除，造成气体扩散层堵塞，氧气无法到达催化层，浓差过电势将会快速增加，发电效率降低。

发明内容

针对现有技术的不足，在燃料电池中，希望获得在确保电池输出性能的同时，能够切实提高气体扩散层反应气体浓度并抑制水淹现象产生的结构，本发明提供了一种燃料电池新型流场及燃料电池，可显著增强燃料电池阴极板内反应气体分布均匀性，提高反应气体利用率，并有效减轻气体扩散层和气体通道中液态水的积累，提升燃料电池的输出性能。

为实现上述目的，本发明一方面提供一种新型燃料电池双极板，所述双极板的流道上设置有至少1个宽度敛散结构和至少1个高度敛散结构；所述宽度敛散结构和高度敛散结构的形状、尺寸和布置，根据电池的水汽传输、热管理及功率密度要求进行设计，以达到最佳的反应气体分配、排水和散热性能；其中，所述宽度敛散结构的几何特征为流道宽度方向截面先收缩再扩张，功能在于形成局部宽度方向的反应气体对流，促进反应气体在气体扩散层的分布均匀性；所述高度敛散结构的几何特征为流道高度方向截面先收缩再扩张，功能在于在其收缩段迫使反应气体流入气体扩散层和在扩张段形成负压区域迫使气体从气体扩散层往上流入流道，从而既增加气体扩散层反应物浓度，又促进气体扩散层内液态水的排出。

进一步的，所述宽度敛散结构和所述高度敛散结构均包括：收缩段和扩张段。

进一步的，在所述宽度敛散结构中，所述收缩段与所述扩张段的形状及尺寸相同或者不同，根据反应气体扩散性能要求而设定；在所述高度敛散结构中，所述收缩段与所述扩张段的形状及尺寸相同或者不同，根据排水性能要求而设定。

进一步的，在所述宽度敛散结构中，收缩段和扩张段结构壁面与直流道段壁面的夹角在10°-80°之间，宽度收缩比k满足0.1≤k≤0.9。

进一步的，在所述高度敛散结构中，收缩段和扩张段结构顶面与直流道段壁面的夹角在1°-70°之间，高度收缩比k满足0＜k≤0.5。

进一步的，所述宽度敛散结构和高度敛散结构在同一流道上数目、位置、尺寸及周期相同或者不同，根据整板流场特性和性能要求而定。

进一步的，所述宽度敛散结构和高度敛散结构在不同流道上的数目、位置、尺寸及周期相同或者不同，根据整板流场特性和性能要求而定。

进一步的，所述宽度敛散结构和高度敛散结构不仅适应于平行直流场，同时还适用于蛇形流场、交指流场、渐缩流场的流场结构。

另一方面，本发明提供一种燃料电池，包括：前述实施例所述的电池双极板。

本发明与现有技术相比，其有益效果有：

首先，通过在气体通道中设置宽度敛散结构，可使得供应的反应气体过流面积减小，流速上升，提高气体扩散能力的同时吹扫过程中将更容易带走大量的液态水，从而减少气体通道液态水的积累，最终提高燃料电池的发电效率。

其次，通过在气体通道中设置高度敛散结构，气体受阻后会产生竖直方向的速度分量，迫使气体进入到气体扩散层，进而扩散到催化层，提高催化层处反应气体的浓度并吹扫出气体扩散层中积累的液态水。

总之，本发明的宽度敛散结构和高度敛散结构分别具有宽度和高度方向的变截面，在高度和宽度方向能够产生显著收缩和扩散的局部流场。反应气体在流动过程中，气体流经宽度敛散结构时，流道的收缩使得流速增加，气体扩散动力增强，提升极板流场整体反应气体分布均匀性的同时吹扫出附着在气体通道中的液态水，进而提高了燃料电池的发电效率。反应气体流经高度敛散结构时，气流受阻扩散动力降低并产生竖直方向的分速度，可以提升催化层处反应气体的浓度并吹扫出气体扩散层中积累的液态水。因此，本发明不仅显著提升了反应气体的传质性能，而且更有效地排出燃料电池内部液态水。

本发明的极板上每一气体流道上都设置有至少1个高度敛散结构和1个宽度敛散结构，基于流场整体结构优化的设计理念，不仅适应于平行直流场，同时还适用于蛇形流场、交指流场、渐缩流场等其他需要改进的流场结构，通过调整两种敛散结构的具体尺寸和布置方式能够实现极板流场的传质性能以及燃料电池的输出性能的最大化。

附图说明

图1为本发明的交错排列布置敛散结构的阴极板的立体图；

图2为本发明的具有两种敛散结构流道的燃料单电池示意图；

图3为本发明的燃料电池新型流场的宽度敛散结构分布平面图；

图4为本发明的燃料电池新型流场的高度敛散结构局部剖视图；

图5为本发明的燃料电池新型流场的气体跨流道传输的局部剖视图；

图6为本发明的燃料电池新型流场梯度布置敛散结构流场的扩散能力对比图；

图7为本发明的燃料电池新型流场宽度敛散结构不同宽度收缩比效果对比图；

图8为本发明的燃料电池新型流场宽度敛散结构不同尺度收缩段和扩张段结构示意图；

图9为本发明的燃料电池新型流场的高度敛散结构的收缩段和扩张段结构顶面与直流道段壁面的不同夹角效果对比图；

图10为本发明的燃料电池新型流场高度敛散结构不同尺度收缩段和扩张段结构示意图；

图11为本发明的燃料电池新型流场的宽度敛散结构和高度敛散结构组合排列流道立体图；

图12为本发明的燃料电池新型流场的宽度敛散结构和高度敛散结构连续排列流道立体图；

图13为本发明的燃料电池新型流场的宽度敛散结构和高度敛散结构交错排列流道立体图；

图14为本发明的具有组合排列流场结构的燃料电池性能效果对比图；

图15为本发明的有组合排列流场结构的燃料电池催化层和气体扩散层交界面氧气分布对比图；

图16为本发明的有组合排列流场结构的燃料电池气体扩散层与阴极板交界面液态水含量分布对比图；

图17为本发明的极板流场整体结构优化流程框架图；

其中，示意图中标号说明：1、阴极板气体入口；2、阴极板；3、直流道段；4、宽度敛散结构；5、高度敛散结构；6、阴极板气体出口；7、气体扩散层；8、膜电极；9、阳极板气体入口；10、阳极板。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，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，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，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申请保护范围的限制。

在本申请的描述中，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申请和简化描述，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申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

请参阅图1-图15，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

本发明中公开了一种燃料电池新型流场及燃料电池，如图1所示，在阴极板上的气体流道内设有直流道段3、宽度敛散结构4、高度敛散结构5，其中高度敛散结构和宽度敛散结构可以布置在流道的同一区域或不同区域。

在一些实施例中，如图2所示，燃料单电池由阴极板2、一对气体扩散层7、膜电极8和阳极板10组成，其中阴极板上每一气体流道上都设置有至少1个宽度敛散结构4和1个高度敛散结构5。

在一些实施例中，如图3-图4所示，气体流经宽度敛散结构4时，流道的收缩使得流速增加，气体扩散能力增强，提升流场整体反应气体分布均匀性的同时吹扫出附着在气体通道中的液态水。气体在流动过程中，流经高度敛散结构5时，气流受阻扩散动力降低并产生竖直方向的分速度，可以提升催化层处反应气体的浓度并吹扫出气体扩散层中积累的液态水。

在一些实施例中，如图5所示，宽度敛散结构错位布置可以产生邻道压差，利用强制对流和脊下对流效应使通道内部气体扩散加快让反应气体更加有效、均匀地向气体扩散层7和催化层扩散，同时由于受到阴极板2的极板肋的遮挡，相比流道区域，肋下液态水的传输要更加困难，容易产生液态水聚积，气体的跨流道流动能够吹扫出肋下积累的液态水。

在一些实施例中，如图6所示，燃料电池工作时，氧气由泵输送从阴极板入口进入，沿着氧气进入方向（Y轴方向），各个通道入口氧气浓度逐渐降低；同时沿着气体流动方向（X轴方向），部分氧气扩散到催化层参与化学反应被消耗，气体扩散能力逐渐下降。因此，靠近阴极板入口的气体流道氧气浓度最高，气体流速较快可以在流道的后沿程段（后沿程段意为靠近流道出口的单段流道）布置敛散结构；远离阴极板入口的气体流道氧气浓度最低，气体吹扫能力不强导致生成的液态水排出困难，可以在流道各个沿程段（沿程段意为将流道沿着气体流动方向，划分出来的单段流道）布置敛散结构。通过在阴极板气体流道内梯次布置高度敛散结构（未画出）和宽度敛散结构，提高流场整体扩散能力和气体吹扫能力。

在一些实施例中，宽度敛散结构4流道宽度相比与直流道段3宽度，最窄处宽度收缩比k满足0.1≤k≤0.9。宽度敛散结构的收缩段与扩张段的尺寸可以相同，也可不同，部分示意图如图7-图8所示。宽度收缩比k越小，流道最窄处宽度越小，流道的横截面积越小，气体流经截面时流速增加，压力降低，吹扫过程中将更容易带走气体通道中大量的液态水；但是气体流动的阻力将增大，导致燃料电池寄生功耗增加。本发明通过在气体通道中设置宽度敛散结构，限制了两侧气体的流动，提升流场整体反应气体分布均匀性的同时吹扫出附着在气体通道中的液态水。

在一些实施例中，高度敛散结构5的收缩段和扩张段结构顶面与直流道段壁面的夹角θ可以在1°-70°范围内选择。宽度敛散结构的收缩段与扩张段的尺寸可以相同，也可不同，部分示意图如图9-图10所示，角度θ越大，气体在竖直方向上的速度分量越大，从而增强了竖直方向上的对流氧输运效果；但是它减小了对流面积，同时也降低了通道中氧气的输送效率。本发明通过在气体通道中设置高度敛散结构，气流受阻后将进入到气体扩散层并吹扫出气体扩散层中积累的液态水，提高传质效率。

在上述的实施例中，其主要基本工作原理为：在燃料电池开始工作时，氧气从阴极流道气体入口1进入，氢气从阳极流道气体入口9进入，两种反应气体的流动方向相反，通过在阴极板2的气体通道内设置宽度敛散结构，减小流道的横截面积，气体流经截面时将提高流速，同时设计高度敛散结构来令气流产生竖直方向的分速度。因此，可以在该基本原理的范围内适当的设定结构具体尺寸和布置方式，实现极板流场的传质性能以及燃料电池的输出性能最大化的目的。

在一些实施例中，宽度敛散结构和高度敛散结构在同一流道上，按照组合排列、连续排列、交错排列等方式进行布置。如图9-图11所示，分别为宽度敛散结构和高度敛散结构的组合排列、连续排列、交错排列布置方式，现具体说明不同布置方式的特点：

图11为宽度敛散结构和高度敛散结构的组合排列方式。

相同尺寸组合排列在同一流道区域范围设置宽度方向和高度方向的敛散，且敛散尺寸相同。该结构在宽度和高度方向同时影响到气体的流动，相较于传统流场，这种双向敛散结构流场具有更加均匀的气体分布性和更为高效的排水能力，但由于气体流动在宽度和高度方向同时受限，相比其他布置方式的结构，气体压降最大，会消耗更多的功。

不同尺寸组合排列在同一流道区域中心位置设置宽度方向和高度方向的敛散，且敛散尺寸不同。相比相同尺寸组合排列的结构，此结构适用于对电流密度有更高需求的燃料电池，通过调整高度方向（或宽度方向）的尺寸，来进一步提高燃料电池的传质效率和输出性能。

图12为宽度敛散结构和高度敛散结构的连续排列方式。

相同尺寸连续排列在不同区域设置宽度方向和高度方向的敛散，且连续布置尺寸相同的敛散结构（高度敛散结构或宽度敛散结构）。该结构先连续布置宽度敛散结构，气流可以实现多次加速，提高气体的扩散能力，再连续布置高度敛散结构，迫使反应气体充分进入到气体扩散层。相比组合排列结构，此结构的布置方式适用于远离阴极板入口的气体流道，能够有效解决远离阴极板入口的气体流道氧气扩散能力低，气体吹扫能力不强的问题。同理，也可以先连续布置高度敛散结构，再连续布置水平敛散结构，此结构适用于靠近阴极板入口的气体流道。

不同尺寸连续排列在不同区域设置宽度方向和高度方向的敛散，且连续布置尺寸不同的敛散结构（高度敛散结构或宽度敛散结构）。此结构在相同尺寸连续排列结构的基础上，通过调整高度方向（或宽度方向）的尺寸，进一步提高燃料电池的传质效率和输出性能。

图13为宽度敛散结构和高度敛散结构的交错排列方式。

相同尺寸交错排列在不同区域设置宽度方向和高度方向的敛散结构，且敛散结构尺寸相同。该相同尺寸交错排列方式在宽度方向和高度方向先后影响到气体的流动，气流经过宽度方向上的敛散结构时流速增加，经过高度方向上的敛散结构受阻后将有更多的反应气体进入到气体扩散层，具有高效排水能力的同时也显著提高了传质效率。相比组合排列结构，此结构适用于泵功率较小的燃料电池，通过交错分布来减小流道阻力，从而实现在小功率气体泵的燃料电池工况中的传质效率与排水能力的提升。

不同尺寸交错排列在不同区域设置宽度方向和高度方向的敛散结构，且敛散结构的尺寸不同。该不同尺寸交互排列方式同样在宽度方向和高度方向影响到气体的流动。此结构在相同尺寸交错排列结构的基础上，通过调整高度方向（或宽度方向）的尺寸，来进一步提高燃料电池传质效率和输出性能。

在一些实施例中，所述宽度敛散结构和高度敛散结构在不同流道上的数目和位置可以相同，也可以不同，两种敛散结构的具体尺寸和布置方式根据极板流场的传质性能以及燃料电池的输出性能需要来确定。

在一些具体实施例中，如图14所示，给出具有组合排列结构流道与具有传统平行流道的燃料电极的极化曲线和输出功率密度的对比图。从图14可以看出，当工作电压为0.6V时，具有组合排列结构的新型流场的功率密度为1.68W/cm²，传统平行流场的功率密度为1.49W/cm²，改进后的功率密度提升了12.75%，说明具有组合排列结构的新型流场结构可以有效地提高燃料电池的性能。

在一些具体实施例中，如图15所示，给出了具有组合排列结构流道与具有传统平行流道的燃料电极在0.6V工作电压下，阴极扩散层与催化层界面中氧气浓度的分布情况。从图15可以看出，具有组合排列结构流道的氧气分布不仅更加均匀，而且从整体氧气浓度上升看也说明有更多的氧气进入催化层。

在一些具体实施例中，如图16所示，给出了具有组合排列结构流道与具有传统平行流道的燃料电极在0.6V工作电压下，阴极扩散层与催化层界面中液态水含量的分布情况。从图16可以看出，具有组合排列结构的新型流场显著低于传统平行流道液体水饱和度。而气体流速是去除液态水的一个主要因素，更高的流速将产生更大的剪切力吹动液态水，同时也更有利于液态水的蒸发。具有组合排列结构的新型流场的气体扩散层内部存在横向对流，使得肋板下的液态水被吹扫至流道下并被高速气流排出流场减少了燃料电池的流道内部的液态水，除水能力显著增强。

在一些具体实施例中，如图17所示，给出了极板流场整体结构优化流程框架图。新型流场结构不仅包含流道尺寸，敛散结构尺寸等连续变量外，还有流道的数量，敛散结构位置等整数变量。因此，结合算法工具进行优化需要对流场结构参数化后进行数字化建模，在联合仿真的基础上，对仿真结果进行适应度评估。若适应度值未满足条件则通过交叉、变异的方式更新种群，重新进行仿真分析，若适应度值满足条件则直接输出最优解，最后再次通过仿真实验验证流场结构的优异性。

Claims (9)

1.一种新型燃料电池双极板，其特征在于，所述双极板的流道上设置有至少1个宽度敛散结构和至少1个高度敛散结构；

所述宽度敛散结构和高度敛散结构的形状、尺寸和布置，根据电池的水汽传输、热管理及功率密度要求进行设计，以达到最佳的反应气体分配、排水和散热性能；

其中，所述宽度敛散结构的几何特征为流道宽度方向截面先收缩再扩张，功能在于形成局部宽度方向的反应气体对流，促进反应气体在气体扩散层的分布均匀性；

所述高度敛散结构的几何特征为流道高度方向截面先收缩再扩张，功能在于在其收缩段迫使反应气体流入气体扩散层和在扩张段形成负压区域迫使气体从气体扩散层往上流入流道，从而既增加气体扩散层反应物浓度，又促进气体扩散层内液态水的排出。

2.根据权利要求1所述的电池双极板，其特征在于，所述宽度敛散结构和所述高度敛散结构均包括：收缩段和扩张段。

3.根据权利要求2所述的电池双极板，其特征在于，

在所述宽度敛散结构中，所述收缩段与所述扩张段的形状及尺寸相同或者不同，根据反应气体扩散性能要求而设定；

在所述高度敛散结构中，所述收缩段与所述扩张段的形状及尺寸相同或者不同，根据排水性能要求而设定。

4.根据权利要求2所述的电池双极板，其特征在于，在所述宽度敛散结构中，收缩段和扩张段结构壁面与直流道段壁面的夹角在10°-80°之间，宽度收缩比k满足0.1≤k≤0.9。

5.根据权利要求2所述的电池双极板，其特征在于，在所述高度敛散结构中，收缩段和扩张段结构顶面与直流道段壁面的夹角在1°-70°之间，高度收缩比k满足0＜k≤0.5。

6.根据权利要求1所述的电池双极板，其特征在于，所述宽度敛散结构和高度敛散结构在同一流道上数目、位置、尺寸及周期相同或者不同，根据整板流场特性和性能要求而定。

7.根据权利要求1所述的电池双极板，其特征在于，所述宽度敛散结构和高度敛散结构在不同流道上的数目、位置、尺寸及周期相同或者不同，根据整板流场特性和性能要求而定。

8.根据权利要求1所述的电池双极板，其特征在于，所述宽度敛散结构和高度敛散结构不仅适应于平行直流场，同时还适用于蛇形流场、交指流场、渐缩流场的流场结构。

9.一种燃料电池，其特征在于，包括：如权利要求1-8任一项所述的电池双极板。