[发明专利]一种燃料电池变截面台阶形流道的金属双极板

说明书

本发明涉及一种燃料电池变截面台阶形的金属双极板，为解决金属双极板直线型流道气体扩散效率低、排水性差、电流密度分布不均等问题，提出一种燃料电池变截面台阶形流道的金属双极板结构，氧气流道和氢气流道槽底均呈台阶形，所述每条氧气流道和氢气流道均包括m个台阶；所述各个氧气流道深度从阴极单极板的外侧流道到中间流道呈逐渐增大特征，各个氢气流道深度从阳极单极板的外侧流道到中间流道呈逐渐减小特征；从流道入口到出口方向，所述氧气、氢气流道各台阶深度逐级减小，相邻两级台阶深度的差值相同；所述氧气、氢气流道垂直于气流方向各截面大小不同。本发明可有效提高后段流道的气体扩散性和电流密度的均匀性，并提高排水性能。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池变截面台阶形流道的金属双极板，它属于燃料电池技术领域。

背景技术

作为一种将氢化学能直接转化为电能的发电装置，金属双极板质子交换膜燃料电池的发电效率高于50％，且燃料反应发电的唯一产物是水，是一种环境友好型的供能装置。同时具有启动快、工作温度低、噪声小等特点，是未来汽车等行业的理想功能装置。双极板作为燃料电池核心部件，在整个电堆的质量和成本上占有很大比重。双极板的作用是用以隔离并分配反应气、收集并导出电流、串联各单电池以及支撑整个电堆结构等功能，所以对双极板的导热性、导电性、耐蚀性、机械强度、成本和加工难易程度有了一定的要求。金属双极板上形成的阴极流场与阳极流场的结构直接影响反应气的分布，而金属双极板上形成的冷却介质流场的结构直接影响冷却介质的分布。现有流道多采用直线型流道，如专利授权公布号CN106571472B公开的直线型渐变流道，这种流道具有加工制造性能好，各个流道内反应性能一致的优点，但相比其他复杂流道形式，存在流速不足，反应气扩散效率低，不利电池的电流密度，影响电池性能问题，如果反应气分布不均会导致局部供气不足，还可能导致电池性能降低；而冷却介质的分布不均造成电池局部过热，甚至损坏电堆，因此，有必要发明一种新型流道，既能具备直线型流道优点，还能使得气体流道与膜电极的接触面积的占比增大，提高电池性能。

发明内容

本发明的目的是克服以上现有技术存在的缺陷，提出一种燃料电池变截面台阶形流道的金属双极板结构，包括金属阴极板和金属阳极板，能有效提高流道后段的气体扩散性和电流密度的均匀性，并提高排水性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种燃料电池变截面台阶形流道的金属双极板，包括阳极单极板和阴极单极板，阳极单极板外侧设有氢气流道，阴极单极板外侧设有氧气流道，氢气流道和氧气流道均包括n条平行的直线型流道，阴极单极板与阳极单极板凸凹对称，其中，所述氧气流道和氢气流道槽底均呈台阶形，每条氧气流道和氢气流道均包括m个台阶；所述各个氧气流道深度从阴极单极板的外侧流道到中间流道呈逐渐增大特征，而各个氢气流道深度从阳极单极板的外侧流道到中间流道呈逐渐减小特征；从流道入口到出口方向，所述氧气流道和氢气流道各台阶深度逐级减小，相邻两级台阶深度的差值相同；所述氧气流道特征还包括：氧气流道深度、氧气流道槽底宽度、氧气流道各级台阶拔模角度、氧气流道壁与氧气流道槽底在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角、氧气流道壁与氧气流道顶部在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角，所述氢气流道特征还包括：氢气流道深度、氢气流道槽底宽度、氢气流道各级台阶拔模角度、氢气流道壁与氢气流道槽底在竖直YOZ坐标平面投影形成的夹角、氢气流道壁与氢气流道顶部在竖直YOZ坐标平面投影形成的夹角，所述氧气、氢气流道垂直于气流方向各截面大小不同，上述特征按如下模型确定：

1)氧气流道深度y_i(x,z)按如下模型确定：