[发明专利]一种流道间压差可控型燃料电池双极板

说明书

本发明属于质子交换膜燃料电池流道设计技术领域，涉及一种流道间压差可控燃料电池双极板，包括正方形的气体流道场且在气体流道场内平行设置有若干个平行“回”形肋条，用于固定双极板的孔分别位于流道场的边角处，内流道的进气孔设于双极板的一个侧面，内流道的出气孔设于内流道的进气孔的对边侧面；外流道的进气孔设于内流道的进气孔的相邻侧面，外流道的出气孔设于外流道的进气孔的对边侧面。本发明通过双通道组合配合不同入室气压促进质子交换膜燃料电池电极排水，提高物料传输速率；所产生不同气压的挤压效果促进膜电极内肋条下方的液态水向流道处排放并随气体流动排出电池从而减轻水淹，使得膜电极具有良好的导电率和孔隙率。

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池流道设计技术领域，涉及燃料电池双极板，尤其涉及一种流道间压差可控燃料电池双极板，能够为质子交换膜燃料电池流道间提供不同压差，提高燃料电池性能。

背景技术

燃料电池由于其清洁高效的设计理念有望成为现有内燃机动力设备的重要技术补充，其中采用氢气空气为燃料的质子交换膜燃料电池具有极大的商业化前景。在此类燃料电池中，发生在阴极的氧还原反应由于其较慢的动力学速率，一直是科研的重点所在。开发高效的催化剂可显著提高氧还原反应速率，但较快的电化学反应在阴极多孔电极内生成更多的水，阻塞气体传质通道，降低催化剂的效率，影响电池性能。从单电池极化曲线上可以看出，在高电流的时候，浓差极化是控制电池性能的主要因素。当电流密度较大时，生成的水需要及时排出方能降低反应物到催化剂表面的传质速率，提高电池性能。因此，燃料电池流道的设计专注点在于，强化气体在多孔电极内的传递和反应生成的液态水的排出。基于传统流道的结构特点，肋条下方的膜电极受挤压作用更加紧实，反应气扩散和液态水传递也更加困难，需要设计特殊的流道来解决这一问题。

常用的质子交换膜燃料电池流场主要有：蛇形流场、平行流场、交错形流场和点状流场，也有一些仿生结构的新型流道如蜂窝装流道、树叶经脉仿生流道和人体肺叶经脉仿生流道。蛇形流道中单一的流道能够形成较大的流速，相邻流道间产生的压差会挤压多孔介质内的水分，二者协同促进液态水的排出。但是随着膜电极面积变大，较长的蛇形流道会带来较大的压降和压力损失，会在电极后半段造成气压不足，液态水排出困难；平行流道拥有众多平行分支，较小的压力损失和介质流动阻力，在面积较大的流场上能够提供较好的气体扩散性，但是气体流速较低会导致液态水的排出困难，造成电极水淹，降低电池性能；交错形流道由于流道间并不通畅，通过多孔电极进行扩散排气，虽然有较好的排水功能，极易造成泵压损失，浪费输出功率；仿生结构大都具有良好的扩散性和管道输送，能够促进排水，提高电池性能。尽管上述流场均能提供均匀的反应物扩散作用，但是在液态水排出的问题上一直不能满足较高的要求。

Johnson等在US20036586128提出的非等宽平行流道，利用相邻流道间的压差可以促进反应气进入肋条下方的电极，并吹出多余的液态水；同时还将平行流道的管道边换成了波浪形，这样的形状能够在管道内形成气流扰动帮助反应气在多孔电极内扩散。这两种设计方案都有效提高了燃料电池性能。Bachman等人(Journal of Power Sources,2012,198, 143-148)将平行流道进行改进，设计了多出口的流道，其中3处出口连接大气作为低压管道，另外4处接背压作高压管道，通过对高压管道背压的调节使相邻管道产生压差，减少传质损失从而提高电池性能。Zhang等人(International Journal of Heat and MassTransfer, 2017,115,714-724)在他们的数值模型的流道中添加隔板，能够让反应气在流道中产生向多孔电极内扩散的力，同时检测到膜电极中的液态水饱和度有明显降低的趋势，整体电池性能相比没有隔板的电池在高电流区域有明显的提升。

这些已公开的流道设计，为了提高膜电极中的反应气含量均采用异型结构，在实际应用中会由于加工难度和损耗，利用率并不高。通过调节流道间气压，形成压力差来促进肋条下的液态水排出是目前较为理想的方案，另外气压调节比上也需要进一步研究。