[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

本發明公開了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。本發明采用在雙極板主體上形成一級脊，在各個一級脊之間設置微流場，微流場具有部分圓臺的基底，在基底上具有二級脊、三級脊和微流道，三級脊和微流道構成底通道，微流場具有自排水機制；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被排出；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，水通過滑動的方式排出微流場；自排水機制減少液態水在流道之間的滯留現象，提高了排水效率，從而使反應氣體在各流道間分布更為均勻，氣體傳質效率進一步提高，提升燃料電池的性能與穩定性。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術，具體涉及一種具有仿生自排水功能的燃料電池雙極板及其自排水方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池是一種將儲存于燃料和氧化劑中的化學能通過電化學反應直接轉化為電能的發電裝置，它不經過熱機過程，因此不受卡諾循環的限制，能量轉換效率高，由于工作時不存在任何形式的燃燒過程，所以不會有氮和硫的氧化物等有害氣體的生成，產物只有電能、水、熱能，環境友好，是一種環保綠色的發電裝置，另外它還具有快速啟動、低溫運行、無噪聲等特點，被認為是未來清潔、高效發電技術的第一選擇，使其在移動電源、電動汽車、航空、軍事等領域有著及其重要的應用。

雙極板是燃料電池的重要組成部件之一。電池進行電化學反應過程中產生的水，能否順利排出是燃料電池穩定高效運行的保證，如果不能及時的把電池生成的水排出，隨著反應的進行，將會出現“電極水淹”現象，有時也會使膜局部出現溶脹現象，從而使電池的各項性能降低，甚至因無法穩定運行而停止工作。因此，電池反應生成的水能否順利排出，對燃料電池的穩定高效運行十分重要。目前平行流場可作為其排水裝置，而平行流場由于反應氣體在直流道中存留時間短，流速相對較低，使得生成的水大都在流道內形成液柱，堵塞流道，極大的影響電池性能。

發明內容

針對以上現有技術中存在的問題，本發明提出了一種具有仿生自排水功能的燃料電池雙極板及其自排水方法，仿豬籠草口緣區結構，使雙極板流場結構在電池工作時可將電化學反應生成的水通過兩種輸水模式排出，提升排水效率，保證電化學反應的順利進行，從而提高電池的性能。

本發明的一個目的在于提出一種具有仿生自排水功能的燃料電池雙極板。

本發明的具有仿生自排水功能的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，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；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，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，在與其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。