[发明专利]一种有利于降低燃料电池浓差损耗的双极板及加工方法

说明书

本发明公开了一种有利于降低燃料电池浓差损耗的双极板及加工方法，所述双极板的流场由多条相互平行的流道排列组成，所述流道包括沟槽和脊，先根据沟槽长度方向的等分点位上方的氧气浓度预期值计算出相应位置处的沟槽横截面积，再根据沟槽各等分点位的横截面积进行分段加工，每小段沟槽截面呈线性变化。本发明的双极板流道结构可以增强反应物向燃料电池催化层扩散以及生成物水的排出，能够显著的减小燃料电池在大电流密度工作条件下的浓差损耗，提高燃料电池性能。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，尤其涉及有利于降低燃料电池浓差损耗的双极板以及双极板流道尺寸的设计方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)被公认为是未来汽车理想的动力源。它的发展将有助于实现节能减排，缓解大气污染。作为PEMFC关键部件之一的双极板，不仅占据电堆重量的70％-80％，而且在电堆的生产成本中也占据相当大的比例。双极板的作用是分隔燃料及氧化剂，并通过流场将燃料反应气体导入燃料电池、收集并传导电流和支撑膜电极，同时还担负起整个电池系统的散热功能和排水功能。因此双极板质量的好坏将直接决定燃料电池堆输出功率的大小和寿命的长短。

燃料电池为了产生电流，必须不断地为燃料电池提供燃料和氧化物，同时，必须不断地排出生成物以防止燃料电池“窒息死亡”。燃料电池催化层内反应物的耗尽(或生成物的聚积)对性能有极为不利的影响，这种情况的燃料电池性能损耗被称为燃料电池的“浓差损耗”。通过对双极板流场的结构优化可将这种损耗降至最低，进而提升燃料电池的效率。

发明内容

本发明所要解决的问题是减小燃料电池在大电流密度工作条件下的浓差损耗，提高燃料电池性能，提供一种有利于增强反应物向燃料电池催化层扩散以及生成物排出的燃料电池双极板结构及双极板流道尺寸的设计方法。

本发明的技术原理是：燃料电池的浓差损耗出现于高电流密度区，且与整个流场的平均极限电流(iL)的大小直接相关，如式(1)所示。根据式(2)可以看出，极限电流的大小与双极板流道入口处的氧气浓度(△Cin)和出口处的氧气浓度(△Cout)直接相关，由此可知，提高沿流道方向的氧气浓度将有助于提高平均极限电流密度，可以减小浓差损耗(Uconc)。而根据式(3)和式(4)可以看出，流道某处的氧气浓度(Cm,x)与该处的流道截面积(Ax)直接相关，即减小截面积可提高该处(x)的氧气浓度和提高反应气的流速(wx)，提高反应气体流速有力于将反应生成的水分吹出，避免电堆水淹。

Uconc＝c·ln(iL/iL-i)……………………………………………………(1)

iL＝n·F·hm[(△Cin-△Cout)/ln(△Cin/△Cout)]………………(2)

Cm,x＝Cm,in×exp[-hm·x/vm·wx]………………………………………(3)

win·Ain＝wx·Ax…………………………………………………………(4)

Ax＝[(C·win·Ain/x)·ln(Cm,in/Cm,x)]……………………………………(5)

本发明的技术方案是，一种有利于降低燃料电池浓差损耗的双极板结构及流道尺寸的设计方法，其特征为反应气体所流经的流场为平行等宽度沟槽，沟槽的截面积从入口到出口横截面积尺寸不同，沟槽截面积(Ax)根据实际需求由式(5)和式(4)计算得出。

本发明所述的一种有利于降低燃料电池浓差损耗的双极板结构，其特征在于流道横截面积自入口至出口呈分段线性变化或阶梯变化。

本发明所述一种流道尺寸的设计方法，其特征在于所述双极板流场的沟槽截面积根据式(5)进行计算。