[發明專利]燃料電池雙極板及具有其的燃料電池

在審

• 申請號: 202210499877.4
• 申請日: 2022-05-09
• 公開（公告）號: CN114759208A
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發明（設計）人: 李金成;韓令海;潘興龍;趙洪輝;盛夏;許德超;丁磊;劉穎;金守一;汝春宇;孟繁雨
• 申請（專利權）人: 中國第一汽車股份有限公司
• 主分類號: H01M8/0202
• 分類號: H01M8/0202;H01M8/0258
• 代理公司: 北京博浩百睿知識產權代理有限責任公司 11134
• 代理人: 謝湘寧

本發明提供了一種燃料電池雙極板及具有其的燃料電池。燃料電池雙極板包括：板體結構，板體結構開設有多個流道，沿板體結構的第一預設方向依次設置流場入口、分流區、中間流動區、匯流區、流場出口，板體結構關于板體結構的幾何中心對稱地設置；中間流動區包括多個平行流動區和多個折彎流動區，折彎流動區與平行流動區沿板體結構的第一預設方向交替地設置；分流區與其中一個平行流動區相鄰地設置，匯流區與其中一個平行流動區相鄰地設置。應用本發明的技術方案，多個平行流動區和折彎流動區交替設置，在保證雙極板整體壓降處于合理范圍內的同時，也保證了氣體擴散的速度和氣體分別的均勻性，使得雙極板的流場氣體分布均勻，排氣效果更好。

技術領域

本發明涉及燃料電池設計制造技術領域，具體而言，涉及一種燃料電池雙極板及具有其的燃料電池。

背景技術

燃料電池是將氫氣和空氣的化學能轉化電能并生成水的裝置。它是由膜電極和雙極板等零部件組成。膜電極是由質子交換膜和涂覆于質子交換膜兩側的催化劑組成，是氫氣和氧氣發生電化學反應的核心區域。雙極板是燃料電池電堆的核心部件，雙極板由陰極單極板和陽極單極板組成，可以將燃料氣體均勻的分配到膜電極表面進行電化學反應，同時還可以起到收集和傳導電流的作用。氫氣在膜電極陽極側發生氧化反應(H²＝2H⁺+2e^-)，陽極氧化反應產生的質子通過質子交換膜傳遞到陰極，而反應產生的電子則通過外電路傳導至陰極。陰極的氧氣在催化劑的作用下發生還原反應，與質子和電子結合生成水(4H⁺+O²+4e^-＝2H₂O)。由于氧氣的擴散速度只有氫氣的四分之一，所以陰極氣體的傳質速率在一定程度上決定了電化學反應的效率。車用燃料電池的膜電極面積通常在250cm²～320cm²之間，若陰陽極氣體分布不均勻，可能會導致膜電極出現局部熱點和反極，導致膜電極性能降低和壽命縮短。陰極的氧氣還原反應會生成液態水，若不及時將液態水排出，會導致流場中的流道阻塞，影響傳質。因此，雙極板流場的設計時應考慮燃料氣體分布、傳質及排水等問題。

雙極板流場通常分為介質入口、氣體分配區、主流區和介質出口四個部分。介質入口和出口是燃料氣體進入和流出雙極板流場的接口，其形狀及面積大小影響流場的整體壓降；氣體分配區是連接介質出入口和主流區的過渡區域，影響主流區燃料氣體分布的均勻性；主流區是燃料氣體傳質的核心區域，影響燃料氣體的傳質速率。

燃料電池雙極板基本的流場類型包括平行流場、蛇形流場、叉指式流場和銷型流場，另外還有一些其他的仿生型流場結構。平行流場是由多根平行的流道組成，具有氣體分布均勻和流動阻力小的優點，但由于氣體在流道中流動多為層流，并不利于氣體傳質，導致燃料利用率較低，同時由于流道中的氣流流速較低，會導致流道的后半段出現水淹的情況。蛇形流場是由一根或多根蛇形流道組成，其優點在于排水效果好，不易出現水淹的情況；但是對于活性面積較大的燃料電池，蛇形流道會因為流道過長造成氣體壓損較大，導致流道后半段的氣體濃度過小，電流密度降低。叉指式型和銷型流道存在壓損過大、排水效果差、工藝復雜以及成本較高等問題，故而實際用的較少。

如圖1所示，現有的燃料電池雙極板流場包括流場進口1、中間流場2、流場出口3、前流場直行段4、后流場直行段5、進口通道6、出口通道7、參加反應物進口歧管8和參加反應物出口歧管9。該流場整體為非對稱異形結構，由多根平行的蛇形流道構成。燃料氣體從進口通道6進入流場后，分別進入流場進口1的上下兩部分，經過分流后，進入平行直流道，然后經過90°折彎后再次進入平行直流道，最后從出口流出。現有的燃料電池雙極板流場中，由于空氣的密度較大，雙極板陰極側容易出現空氣濃度分布不均勻以及傳質速率慢等問題，會嚴重影響電化學反應效率。

發明內容

本發明的主要目的在于提供一種燃料電池雙極板及具有其的燃料電池，以解決現有技術中的問題。