[發明專利]一種具有仿生自排水功能的燃料電池雙極板及自排水方法

有效

• 申請號: 201811340001.5
• 申請日: 2018-11-12
• 公開（公告）號: CN109524684B
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發明（設計）人: 劉鎮寧;樊文選;盧國龍;李致遠;鄭龍;孫航;梁嵩;李家億
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: H01M8/0258
• 分類號: H01M8/0258;H01M8/026;H01M8/0265;H01M8/04119
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

1.一種具有仿生自排水功能的燃料電池雙極板，其特征在于，所述燃料電池雙極板包括：雙極板主體、一級流道、一級脊、微流場、上流道、下流道、進氣孔和出氣孔；其中，所述雙極板主體為平板；在雙極板主體的前表面刻有多條周期性沿豎直方向平行排布的一級流道，在每相鄰的一級流道之間形成一級脊，一級流道為矩形，在每一個一級流道上設置有微流場；所述微流場包括微流場基底、二級脊、三級脊和微流道，微流場基底為圓臺的一部分，前表面為圓臺的側面，后表面位于一級流道的前表面為平面，其形狀為矩形，寬度與一級流道的寬度一致，微流場基底位于一級流道內，后表面的兩側與相鄰的一級脊相切，在微流場基底的前表面設置有多個周期性排列的二級脊，各個二級脊的截面為矩形，并且從上至下具有發散角，在相鄰的二級脊之間設置有多個周期性排列的三級脊，各個三級脊的截面為矩形，并且從上至下具有發散角，三級脊的高度低于二級脊的高度，在相鄰的三級脊之間或者二級脊與三級脊之間形成微流道，所述微流道和三級脊構成微流場的底通道；在雙極板主體的前表面，并且在一級脊的上端和下端，分別刻有連通各個微流場的上流道和下流道，微流場與上流道和下流道構成平行流場；在上流道的一個頂點設置有進氣孔，在與進氣孔相對的下流道的一個頂點設置有出氣孔；當燃料電池工作時，反應氣體從進氣孔進入平行流場，發生電化學反應，電化學反應生成水，當電化學反應生成的水集聚在微流場的底通道時，底通道上形成一層液態水薄膜，反應生成的水在底通道經由下流道排出出氣孔；當更多的水積聚在底通道之上，這些水就集聚在液態水薄膜上，沒有固-液接觸，此時排水方式發生了變化，積聚在液態水薄膜上的水通過滑動的方式排出微流場，通過下流道排出出氣孔，微流場的基底為部分圓臺，在此結構基礎上，液態水在液態水薄膜上的滑動為自排水機制，提高排水效率，最終提升燃料電池的性能和穩定性。

2.如權利要求1所述的燃料電池雙極板，其特征在于，所述雙極板主體的材料采用石墨、鈦、鈮、鋁、銅和不銹鋼中的一種。

3.如權利要求1所述的燃料電池雙極板，其特征在于，所述一級流道的寬度，即微流場基底的寬度為1mm～2mm。

4.如權利要求1所述的燃料電池雙極板，其特征在于，所述一級脊的高度為1mm～2mm。

5.如權利要求1所述的燃料電池雙極板，其特征在于，所述微流場基底的前表面高于下流道和上流道。

6.如權利要求1所述的燃料電池雙極板，其特征在于，所述微流場基底的兩端設有倒角。

7.如權利要求1所述的燃料電池雙極板，其特征在于，每一個微流場中包括4～6個二級脊。

8.如權利要求1所述的燃料電池雙極板，其特征在于，所述微流場中每兩個二級脊之間包括2～4個三級脊。

9.如權利要求1所述的燃料電池雙極板，其特征在于，所述二級脊和三級脊的發散角為5°～8°。

10.一種如權利要求1所述的具有仿生自排水功能的燃料電池雙極板的自排水方法，其特征在于，所述自排水方法包括以下步驟：

1)燃料電池工作，反應氣體從進氣孔進入平行流場；

2)氣體發生電化學反應，電化學反應生成水；

3)當電化學反應生成的水集聚在微流場的底通道時，底通道上形成一層液態水薄膜，反應生成的水在底通道上排出，并通過下流道排出出氣孔；

4)當更多的水積聚在底通道之上，這些水就集聚在液態水薄膜上，沒有固-液接觸，此時排水方式發生了變化，積聚在液態水薄膜上的水通過滑動的方式排出微流場，通過下流道排出出氣孔，微流場的基底為部分圓臺，在此結構基礎上，液態水在液態水薄膜上的滑動為自排水機制，提高排水效率，最終提升燃料電池的性能和穩定性。