[發明專利]一種流道內布設凸點的燃料電池雙極板及其設計方法

有效

• 申請號: 202110484881.9
• 申請日: 2021-04-30
• 公開（公告）號: CN113258092B
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發明（設計）人: 楊曦;侯中軍;石偉玉;方亮;董梁
• 申請（專利權）人: 上海捷氫科技有限公司
• 主分類號: H01M8/0258
• 分類號: H01M8/0258;H01M8/2465;H01M8/04119
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廉世坤

本發明對雙極板流場內，在流道底部增加凸點后，對凸點位置的選擇，凸點數量的選擇以及凸點的分布進行設計和優化。針對不同的板型，腔口設計，以及雙極板水平及豎置擺放位置，將凸點的數量，位置及分布通過符合概率分布的設計排布。

技術領域

本發明涉及燃料電池雙極板制造生產技術領域，具體而言，涉及一種流道內布設凸點的燃料電池雙極板及其設計方法。

背景技術

燃料電池流場的功能是為電化學反應提供介質，包括氫氣和空氣，并且將反應過程中產生的水排出流場外。常見的雙極板設計在板內明面上有直線型結構，蜿蜒型結構或蛇形結構，但在垂直于板面方向一般采用底部為平行于板面的平面溝底結構。平面溝底結構僅可以為進氣和排水提供基本功能，不能為流體提供垂直于紙面的速度分量，并且平面溝底結構不能通過底部結構優化來促進排水。

在平面溝底結構的基礎上增加凸點結構，是一種提高流體垂直于紙面流速的方法。將一些由基本形狀構成的凸點，增加到石墨板、金屬板或者復合材料底部，不僅可以提供垂直于板面方向的動量，進而提高傳質能力，并且底部結構可以提高流體流速，極大提高排水能力，進而提高燃料電池性能。現有技術中CN110474065A，提供了燃料電池極板、雙極板和氫燃料電池”，該發明是將極板朝向膜電極的側面上設有點狀凸起，點狀凸起使得所述極板與膜電極之間形成流通通道，但是其雙極板的流道完全由凸起構成，為點狀流場；CN209374562U，提供了一種流道內具有楔形凸起的雙極板，其中雙極板的流場由多條相互平行的流道排列組成，流道包括流道溝槽和流道脊，在流道溝槽長度方向的等分點上均設置有楔形凸起，但是梯形體楔形凸起在加工時容易造成開裂(金屬雙極板)和崩角(石墨雙極板)，布置位置也并未限制，不僅不可以起到強化傳質的特點，流阻增加也不顯著。且現有的雙極板流場多為二維流場，即反應氣流動平行于雙極板平面和膜電極表面，主要存在以下問題：第一在平面流場底部增加凸點結構，是目前雙極板設計的新趨勢，其目的在于提高流體垂直于紙面方向的流速，借此提高傳質阻力，但是設計重點在凸點三維形狀，尺寸的設計，并沒有對凸點在雙極板平面內，尤其是流場內部的分布進行設計，且并沒有對凸點的數量選擇進行設計，多數設計方法屬于隨機試錯。故現有技術對凸點數量及分布的綜合影響沒有明確定義，隨機放置的凸點結構無法優化電堆性能。

因此如何優化雙極板流道內凸點的分布，進一步優化流體在平面內分布，最終實現可定向優化電堆性能，縮短電池電堆性能優化時間是本領域技術人員亟需解決的技術問題。

發明內容

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一，本發明對雙極板流場內，在流道底部增加凸點后，對凸點位置的選擇，凸點數量的選擇以及凸點的分布進行設計和優化。針對不同的板型，腔口設計，以及雙極板水平及豎置擺放位置，將凸點的數量，位置及分布通過符合概率分布的設計排布。

有鑒于此，根據本發明的第一種目的，提出了一種凸點布設在燃料電池雙極板流道內的設計方法，包括：

S1：提出燃料電池雙極板性能需求；

S2：確認雙極板活性區尺寸及長寬比；

S3：確定流道根數、尺寸和形狀設計；

S4：選擇相應的凸點在流道內的擬合分布函數；擬合分布函數包括但不限于正態分布函數、柯西分布函數、Chi-Square分布函數、Lognormal分布函數、Weibull分布函數、Beta分布函數、Binomial分布函數或泊松分布函數；

S5：選擇評估標準；評估標準包括流量均一性、流速均一性、排水性、傳質阻力中的一種或多種；

S6：確認是否滿足S1中燃料電池雙極板性能需求，是，進行S7；否，返回到S4；

S7：確定凸點分布方案，實驗驗證極化曲線及排水。

選擇相應的凸點在流道內的擬合分布函數，可以通過數學仿真結果或實驗方法確定。