[发明专利]一种燃料电池金属双极板流场流道结构

说明书

本发明提供了一种燃料电池金属双极板，所述双极板包括燃料气进口、燃料气出口、氧化剂进口、氧化剂出口、氧化剂流场和燃料气流场，所述氧化剂流场和燃料气流场分别位于双极板的左右两侧，所述氧化剂流场和燃料气流场均包括M条流道，M取整数，M≥1；所述每条流道内设置N个离散型凸起部，所述凸起部由位于流道底部的双极板凸起形成，N取整数，N≥1；所述氧化剂进口和氧化剂出口通过氧化剂流场中的流道相连通；所述燃料气进口和燃料气出口通过燃料气流场中的流道相连通。通过流场流道内设置的多个凸起部，提高了燃料电池的传质能力，进而提高了燃料电池的性能。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种旨在提高燃料电池性能的双极板流场流道结构及其在燃料电池中的应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)(以下简称燃料电池)依靠电化学反应，将储存在燃料气(如氢气)中的化学能直接转变为电能。燃料电池发电过程具有常温启动快、能量转换效率高、尾气绿色无污染、安全等特点，可以广泛应用于固定电站、移动电站、航空(天)发电、水下设备发电、航海发电机、车载发电机、野外应急电源、便携电源等领域。在世界范围内，随着环保意识不断增强，各个国家都在大力推广环境友好能源的利用，从而推进燃料电池发电技术在近年也取得了突飞猛进的发展。燃料电池金属双极板电堆，由于其在更高的功率密度方面有着更大的优势，在燃料电池电堆中有着非常多的应用

燃料电池工作时，其内部需要燃料气(如氢气)和氧化剂气体(如空气)参与在燃料电池膜电极上进行的电化学反应。燃料气和氧化剂气体分别通过阳极侧流场和阴极侧流场进入对应的气体扩散层并最终到达阳极和阴极，共同参与燃料电池内的电化学反应并生产水。电化学反应产生的尾气及生成水通过膜电极的阳极、阴极及对应的扩散层排入阳极侧流场或阴极侧流场排出燃料电池。当前，对燃料电池功率密度和性能提高的需求不断增强，在提高燃料电池膜电极性能的同时，还需要燃料电池内部传质能力进一步提高，燃料气和氧化剂气体进入燃料电池阳极和阴极以及燃料电池尾气和生成水排出能力的要求相应提高。当燃料电池工作在大电流高功率状态时，需要大量燃料气和氧化剂气体进入燃料电池膜电极，同时要从膜电极排出大量电化学反应产生的尾气和生成水。如果不能及时的将燃料电池电化学反应所需燃料气和氧化剂气体及时送入膜电极，不能及时将燃料电池尾气和生成水排出膜电极，燃料电池就会发生传质极化现象，影响燃料电池性能的进一步提高，甚至劣化燃料电池的性能。因此，提高燃料电池内部的传质能力，对于大电流高功率运行的燃料电池是非常重要的。

TOYOTA公司的一种金属双极板(美国专利，公开号：US 20140045101 A1)，其为了实现增强燃料电池内部的传质，除了设置有两个单极板之外，还在阴极侧设置了一块专门用于增强传质的流场板，用于提高阴极侧的传质。这种为了增强阴极侧传质而设置阴极侧流场板的方式，虽然提高了燃料电池内部的传质，但同时增加了零件的数量，还增加了流场板与阴极侧单极板匹配的问题，增加了电池内部的接触电阻。这种设置流场板其提高了燃料电池的制造成本，还增加了燃料电池安装及维护的难度。

湖南理工学院开发的一种质子交换燃料电池平行三维波浪形流场(申请号：201910191814.0),其在流场流道中设置上表面纵向截面形状为连续波浪形曲线连续突起。虽然强化了燃料电池内部物质的混合和传递，但由于其在流道内设置的连续突起数量众多，在增加了加工制造难度的同时，其造成的流体阻力相对更大。尤其在空气侧，其造成的压降更显著，会导致对空压机等增压设备的性能要求明显提高，会造成能量损失更大，使设备选型要求更高，成本也同时增加。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种燃料电池金属双极板，所述双极板具有新的流场流道结构，通过流场流道内设置多个凸起部，强化了流道内流体进出膜电极的能力，促进了气体(燃料气或氧化剂气体)进入膜电极并使电化学反应生成的尾气及生成水离开膜电极，提高了燃料电池的传质能力，进而提高了燃料电池的性能。

本发明技术方案如下：