[發明專利]一種類荷葉仿生雙極板及其自排水方法和燃料電池

在審

• 申請號: 202210557834.7
• 申請日: 2022-05-19
• 公開（公告）號: CN115360375A
• 公開（公告）日: 2022-11-18
• 發明（設計）人: 孫宗華;崔龍;何仕豪;郭軒成
• 申請（專利權）人: 一汽解放汽車有限公司
• 主分類號: H01M8/0202
• 分類號: H01M8/0202;H01M8/026;H01M8/04119
• 代理公司: 北京遠智匯知識產權代理有限公司 11659
• 代理人: 韓承志

本發明涉及類荷葉仿生雙極板及其自排水方法和燃料電池，所述類荷葉仿生雙極板包括雙極板主體、流道脊部、流道、分流流道、合流流道、進氣口和出氣口；所述流道上設置有均勻分布的微流場；所述微流場包括均勻分布的類荷葉乳突結構。所述類荷葉仿生雙極板通過在流場內設置微流場以及微流場內設置的類荷葉乳突結構，使得反應生成的水不能浸潤在流場內部，而是被類荷葉乳突結構分隔成水滴的形式滑動排出雙極板，提高了排水效率，降低了燃料電池發生水淹的現象。

技術領域

本發明屬于氫燃料電池制造技術領域，涉及一種類荷葉仿生雙極板，尤其涉及一種類荷葉仿生雙極板及其自排水方法和燃料電池。

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且無污染高效的綠色發電裝置，產物只有電能、熱能以及水。它不受卡諾循環的限制，發電效率可達到60％左右。它具有功率密度高、常溫啟動快、靈活等特點，其在電動汽車、家庭發電站、空間站等方面具有廣闊的應用前景。

質子交換膜燃料電池結構主要包括雙極板、氣體擴散層、催化層和質子交換膜等。雙極板又稱為流場板，是燃料電池的重要組成部件之一，主要的功能包括均勻分配反應氣體、及時排出生成水、實現熱量傳導以及電子的傳遞。流場加工于雙極板上，流場結構設計的目的在于使反應氣體在極板各處均勻參與反應，同時也能將反應生成的水及時排除出。目前平行流場為常見的排水流場，平行流場通道數目較多而短，具有流動阻力小的優點，但在電池持續工作過程中，氣體流速不大，生成水容易在流道的邊緣聚集，從而導致“水淹現象”以及膜電極的局部溶脹現象，從而使電池的穩定性、耐久性以及高效性受到嚴重影響。

CN 109524684A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。

CN 213401255U涉及了一種質子交換膜燃料電池雙極板仿生自輸運排水流場，反應氣體入口和反應氣體出口之間設有多個流道，每個流道依次間隔設有多個輸運塊，沿反應氣體流動方向每個輸運塊依次設有前輸運塊和后輸運塊，前輸運塊和后輸運塊之間設有間隙，前輸運塊和后輸運塊之間形成凹坑，后輸運塊橫截面由上至下逐漸縮小，后輸運塊設有對應的第一側壁和第二側壁，第一側壁設于前輸運塊與第二側壁之間，第一側壁中部設有第一凹陷部，第二側壁中部設有第一突出部，第一突出部與第一凹陷部的朝向均與反應氣體流動方向相同，第二側壁垂直于流場本體表面，提高了質子交換膜燃料電池的性能及穩定性，為其在燃料電池汽車中的進一步廣泛應用奠定基礎。

以上技術方案均改進了雙極板的結構，但是CN 109524684A所述微流場的二級脊與三級脊結構為矩形，容易造成液態水在局部的聚集；其次三級脊的矩形結構導致其無法對液態水滴有較好的支撐作用，因而很難有效形成所謂的液態水薄膜，實際運用中，對液態水的及時排出作用并不是很理想。CN 213401255U首先運輸塊結構數量多且體積大，不利于加工且影響電池電流密度；其次運輸塊主要是依據毛細運輸實現自排水功能，實際效果并不是很理想。

因此，亟需提供一種雙極板結構改善上述技術問題。

發明內容

鑒于現有技術中存在的問題，本發明提供了一種類荷葉仿生雙極板及其自排水方法和燃料電池，通過在流場內設置微流場以及微流場內設置的類荷葉乳突結構，使得反應生成的水不能浸潤在流場內部，而是被類荷葉乳突結構分隔成水滴的形式滑動排出雙極板，提高了排水效率，降低了燃料電池發生水淹的現象。

為達此目的，本發明采用以下技術方案：