[發明專利]一種燃料電池金屬雙極板流場流道結構

有效

• 申請號: 201911287480.3
• 申請日: 2019-12-14
• 公開（公告）號: CN110993985B
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發明（設計）人: 艾軍;侯明;鄭利民;邵志剛
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/026
• 分類號: H01M8/026;H01M8/0263
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 毛薇;李馨

本發明提供了一種燃料電池金屬雙極板，所述雙極板包括燃料氣進口、燃料氣出口、氧化劑進口、氧化劑出口、氧化劑流場和燃料氣流場，所述氧化劑流場和燃料氣流場分別位于雙極板的左右兩側，所述氧化劑流場和燃料氣流場均包括M條流道，M取整數，M≥1；所述每條流道內設置N個離散型凸起部，所述凸起部由位于流道底部的雙極板凸起形成，N取整數，N≥1；所述氧化劑進口和氧化劑出口通過氧化劑流場中的流道相連通；所述燃料氣進口和燃料氣出口通過燃料氣流場中的流道相連通。通過流場流道內設置的多個凸起部，提高了燃料電池的傳質能力，進而提高了燃料電池的性能。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，具體涉及一種旨在提高燃料電池性能的雙極板流場流道結構及其在燃料電池中的應用。

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFC)(以下簡稱燃料電池)依靠電化學反應，將儲存在燃料氣(如氫氣)中的化學能直接轉變為電能。燃料電池發電過程具有常溫啟動快、能量轉換效率高、尾氣綠色無污染、安全等特點，可以廣泛應用于固定電站、移動電站、航空(天)發電、水下設備發電、航海發電機、車載發電機、野外應急電源、便攜電源等領域。在世界范圍內，隨著環保意識不斷增強，各個國家都在大力推廣環境友好能源的利用，從而推進燃料電池發電技術在近年也取得了突飛猛進的發展。燃料電池金屬雙極板電堆，由于其在更高的功率密度方面有著更大的優勢，在燃料電池電堆中有著非常多的應用

燃料電池工作時，其內部需要燃料氣(如氫氣)和氧化劑氣體(如空氣)參與在燃料電池膜電極上進行的電化學反應。燃料氣和氧化劑氣體分別通過陽極側流場和陰極側流場進入對應的氣體擴散層并最終到達陽極和陰極，共同參與燃料電池內的電化學反應并生產水。電化學反應產生的尾氣及生成水通過膜電極的陽極、陰極及對應的擴散層排入陽極側流場或陰極側流場排出燃料電池。當前，對燃料電池功率密度和性能提高的需求不斷增強，在提高燃料電池膜電極性能的同時，還需要燃料電池內部傳質能力進一步提高，燃料氣和氧化劑氣體進入燃料電池陽極和陰極以及燃料電池尾氣和生成水排出能力的要求相應提高。當燃料電池工作在大電流高功率狀態時，需要大量燃料氣和氧化劑氣體進入燃料電池膜電極，同時要從膜電極排出大量電化學反應產生的尾氣和生成水。如果不能及時的將燃料電池電化學反應所需燃料氣和氧化劑氣體及時送入膜電極，不能及時將燃料電池尾氣和生成水排出膜電極，燃料電池就會發生傳質極化現象，影響燃料電池性能的進一步提高，甚至劣化燃料電池的性能。因此，提高燃料電池內部的傳質能力，對于大電流高功率運行的燃料電池是非常重要的。

TOYOTA公司的一種金屬雙極板(美國專利，公開號：US 20140045101 A1)，其為了實現增強燃料電池內部的傳質，除了設置有兩個單極板之外，還在陰極側設置了一塊專門用于增強傳質的流場板，用于提高陰極側的傳質。這種為了增強陰極側傳質而設置陰極側流場板的方式，雖然提高了燃料電池內部的傳質，但同時增加了零件的數量，還增加了流場板與陰極側單極板匹配的問題，增加了電池內部的接觸電阻。這種設置流場板其提高了燃料電池的制造成本，還增加了燃料電池安裝及維護的難度。

湖南理工學院開發的一種質子交換燃料電池平行三維波浪形流場(申請號：201910191814.0),其在流場流道中設置上表面縱向截面形狀為連續波浪形曲線連續突起。雖然強化了燃料電池內部物質的混合和傳遞，但由于其在流道內設置的連續突起數量眾多，在增加了加工制造難度的同時，其造成的流體阻力相對更大。尤其在空氣側，其造成的壓降更顯著，會導致對空壓機等增壓設備的性能要求明顯提高，會造成能量損失更大，使設備選型要求更高，成本也同時增加。

發明內容

為解決現有技術中存在的上述問題，本發明提供了一種燃料電池金屬雙極板，所述雙極板具有新的流場流道結構，通過流場流道內設置多個凸起部，強化了流道內流體進出膜電極的能力，促進了氣體(燃料氣或氧化劑氣體)進入膜電極并使電化學反應生成的尾氣及生成水離開膜電極，提高了燃料電池的傳質能力，進而提高了燃料電池的性能。

本發明技術方案如下：