一种燃料电池双极板沟脊截面结构论文和设计-莫肇华

全文摘要

本实用新型提供了一种燃料电池双极板沟脊截面结构，属于燃料电池技术领域，具体技术方案如下：所述燃料电池双极板包括至少一个凹沟槽和至少一个凸脊背，所述凹沟槽和相邻凸脊背之间共用侧壁，所述侧壁所在平面与凹沟槽开口水平面的夹角为锐角，凹沟槽底面与侧壁之间的过渡面Ⅰ和凸脊背顶面与侧壁之间的过渡面Ⅱ均为弧面；由于凹沟槽采用开口宽、底面窄的结构，在相同流道断面面积情况下，这种沟槽结构的流动阻力比矩形截面沟槽的流动阻力小，且流体（气体和液体）与膜电极的接触面积比矩形截面沟槽的接触面积更大，有利于流体物质在膜电极与流道间的物质传输；弧面过渡则能降低液体在流道滞留和尖端效应。

主设计要求

1.一种燃料电池双极板沟脊截面结构，其特征在于：所述燃料电池双极板包括至少一个凹沟槽（1）和至少一个凸脊背（2），所述凹沟槽（1）和相邻凸脊背（2）之间共用侧壁（11），所述侧壁（11）与凹沟槽（1）开口的水平面之间的夹角为锐角θ，凹沟槽的底面（13）与侧壁（11）之间的过渡面Ⅰ（12）以及凸脊背的顶面（23）与侧壁（11）之间的过渡面Ⅱ（22）均为弧面。

设计方案

2.根据权利要求1中所述的一种燃料电池双极板沟脊截面结构，其特征在于：所述锐角θ的范围为30°~89°。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板沟脊截面结构，其特征在于：所述凹沟槽（1）沿凹陷的方向开口宽度逐渐减小，所述凸脊背（2）沿凸起的方向宽度逐渐减小。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板沟脊截面结构，其特征在于：所述每个凹沟槽（1）和每个凸脊背（2）均相对于各自的中心线呈左右对称结构。

5.根据权利要求1中所述的一种燃料电池双极板沟脊截面结构，其特征在于：所述凹沟槽的底面（13）和凸脊背的顶面（23）均为水平面。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板沟脊截面结构，其特征在于：所述凹沟槽的底面（13）为沿凹陷的方向深入的曲面Ⅰ，所述曲面Ⅰ的曲率半径范围为10.0~100.0 mm。

7.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板沟脊截面结构，其特征在于：所述凸脊背的顶面（23）为沿凸起的方向凸出的曲面Ⅱ，所述曲面Ⅱ的曲率半径范围为10.0~100.0 mm。

8.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板沟脊截面结构，其特征在于：所述凹沟槽（1）的开口面（14）宽度范围为0.3~10.0 mm，所述凸脊背的顶面（23）的宽度范围为0.1~8.0mm。

9.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板沟脊截面结构，其特征在于：当所述凹沟槽（1）的数量大于1时，所有的所述凹沟槽（1）开设在双极板的同一个表面上。

10.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板沟脊截面结构，其特征在于：所述凸脊背（2）的底面也开设有凹沟槽（1）。

11.根据权利要求1~10任一权利要求所述一种燃料电池双极板沟脊截面结构，其特征在于：所述过渡面Ⅰ（12）和过渡面Ⅱ（22）的曲率半径范围均为0.1~10.0 mm。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池双极板沟脊截面结构。

背景技术

燃料电池是一种将化学能高效地转换为电能的清洁能源转换装置。质子交换膜燃料电池作为一种低温燃料电池还具有操作温度低、便携、安全等特点，可以广泛应用于汽车、轮船、有轨电车、飞机等大型运输设备中，也可用于无人机、笔记本等小型设备上，其具有广阔的应用前景。

单片质子交换膜燃料电池是由中间的膜电极，以及将膜电极夹在中间的双极板组成。将多个单片电池堆叠组装在一起形成燃料电池电堆。膜电极的组成从中间到两边依次是以nafion膜为代表的质子交换膜、以Pt\/C催化剂为主材的催化层和以多孔碳纸或碳布为气体扩散通道的气体扩散层。由碳纸或碳布构成的气体扩散层作为膜电极的最外层将直接与双极板接触，并直接承受双极板的压应力。在燃料电池电堆中，双极板的一个表面接触膜电极的阴极，另一个表面接触膜电极的阳极，是连接两片膜电极的关键材料。

双极板作为燃料电池的关键材料之一，承担着收集阳极产生的电子并传到阴极，隔绝阳极的燃料与阴极的氧气或空气，引导和传输燃料、氧气或空气和水汽的作用；另外，燃料电池工作时会在膜电极上产生大量的热，这些热量也是由双极板收集并通过流经双极板的流体带出电池，使电池保持在一定的温度。因此，双极板需要具备高导电和导热性、良好的气液阻隔性以及良好的气液传输性。尽管双极板的导热、导电和阻隔性主要是由其材料决定，但在相同材料的情况下，双极板的流场结构以及流场中沟槽和脊背的截面结构对于导热、导电具有重要作用；而对于气体和液体传输除了双极板的流场结构外，流场中沟槽和脊背的截面结构也起着至关重要的作用。燃料气体或液体以及水汽在沟槽中流动，沟槽中的流体（气体、液体）通过沟槽的开口面与膜电极接触通过扩散、对流等方式进入到气体扩散层，最后到催化层参与反应，而反应产生的水则通过扩散层进入到沟槽中随流体排出电池；与沟槽相邻的凸脊背的脊背顶部则与扩散层的碳纸紧密接触，使阳极膜电极中产生的电子传递到阴极膜电极，同时膜电极产生的热量一部分通过沟槽中的气体带走，一部分传递到双极板上再通过气体或液体带走。

目前广泛应用的沟脊截面结构为矩形、半圆形或者三角形（参见《燃料电池》毛宗强等， 2005.4第一版34～45，化学工业出版社），这种沟脊结构存在以下不足：（1）气体与沟槽的接触面积大导致气体流动阻力大，使气体压降增加；（2）沟槽底部与侧壁有交角容易滞留水珠，阻碍气体流动增加压降，严重时造成水淹；（3）脊背与侧壁间的交角为尖角，这会引起尖端效应增加电池内阻，另外，尖角在压力作用下会对膜电极中的扩散层造成损伤，使膜电极性能下降。这些不足之处均会降低燃料电池的性能。在专利文献CN200520099368.4中报道了U形和半圆形的曲线型截面槽道双极板在一定程度上降低了气体阻力，提高了燃料电池性能，但是并没有解决脊背的尖端效应以及脊背对膜电极的损伤。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种燃料电池双极板沟脊截面结构，所述燃料电池双极板放置于燃料电池膜电极阴极与阳极之间，能够进一步降低沟槽内流体压力损失，同时解决脊背上的尖端效应和对膜电极的损伤问题。

为了实现上述目的，本实用新型采取如下的技术方案：

一种燃料电池双极板沟脊截面结构，所述燃料电池双极板包括至少一个凹沟槽和至少一个凸脊背，所述凹沟槽和相邻凸脊背之间共用侧壁，所述侧壁与凹沟槽开口的水平面之间的夹角为锐角θ，凹沟槽的底面与侧壁之间的过渡面Ⅰ以及凸脊背的顶面与侧壁之间的过渡面Ⅱ均为弧面。

进一步的，所述锐角θ的范围为30°~89°。

进一步的，所述凹沟槽沿凹陷的方向开口宽度逐渐减小，所述凸脊背（2）沿凸起的方向宽度逐渐减小。

进一步的，所述每个凹沟槽和每个凸脊背均相对于各自的中心线呈左右对称结构。

进一步的，所述凹沟槽的底面和凸脊背的顶面均为水平面。

进一步的，所述凹沟槽的底面为沿凹陷的方向深入的曲面Ⅰ，所述曲面Ⅰ的曲率半径范围为10.0~100.0 mm。

进一步的，所述凸脊背的顶面为沿凸起的方向凸出的曲面Ⅱ，所述曲面Ⅱ的曲率半径范围为10.0~100.0 mm。

进一步的，所述过渡面Ⅰ和过渡面Ⅱ的曲率半径范围均为0.1~10.0 mm。

进一步的，当所述凹沟槽的数量大于1时，所有的所述凹沟槽开设在双极板的同一个表面上。

进一步的，所述凸脊背的底面也开设有凹沟槽。

进一步的，所述凹沟槽的开口面宽度范围为0.3~10.0 mm，所述凸脊背的顶面的宽度范围为0.1~8.0 mm。

本实用新型提供的燃料电池双极板相对于常规的矩形沟槽和脊背截面结构双极板具有以下优点：

1）脊背顶面与侧壁弧形过渡，脊背对气体扩散层的尖端应力少，对气体扩散层的损伤小，提高燃料电池使用寿命；

2）脊背顶面与侧壁弧形过渡使脊背顶面的尖端效应小，且与气体扩散层的接触面积大，提高双极板的电导率；

3）凹沟槽与气体接触面积小，阻力小，气体压力损失小；

4）凹沟槽窄的底面与侧壁弧形过渡，减少生成水的滞留；

5）凹沟槽宽的开口，提高气体与气体扩散层的接触面积大，流体与气体扩散层间的物质传输效率高。

附图说明

图1是根据实施例1中双极板的凹沟槽和凸脊背的截面形状的概略截面图；

图2是根据实施例2中双极板的凹沟槽和凸脊背的截面形状的概略截面图；

图3是根据实施例3中双极板的凹沟槽和凸脊背的截面形状的概略截面图；

图4是根据实施例4中双极板的凹沟槽和凸脊背的截面形状的概略截面图；

图5是根据实施例5中双极板的凹沟槽和凸脊背的截面形状的概略截面图；

图6是根据实施例6中双极板的凹沟槽和凸脊背的截面形状的概略截面图；

图7是根据对比例1中双极板的凹沟槽和凸脊背的截面形状的概略截面图；

图中：1、凹沟槽，11、侧壁，12、过渡面Ⅰ，13、凹沟槽的底面，14、凹沟槽的开口面，2、凸脊背，22、过渡面Ⅱ，23、凸脊背的顶面，r_{1<\/sub>、过渡面Ⅰ曲率半径；r_{2<\/sub>、过渡面Ⅱ曲率半径；r_{3<\/sub>、曲面Ⅰ曲率半径；r_{4<\/sub>、曲面Ⅱ曲率半径；a_{1<\/sub>、凹沟槽的开口面宽度；a_{2<\/sub>、凸脊背的顶面宽度；θ、锐角。}}}}}}

具体实施方式

具体实施方式一：

一种燃料电池双极板沟脊截面结构，所述燃料电池双极板放置在燃料电池的阴极与阳极之间，具有至少一个凹沟槽1和至少一个凸脊背2，凹沟槽1和相邻凸脊背2之间共用侧壁11，所述侧壁11与凹沟槽1开口的水平面之间的夹角为锐角θ，凹沟槽的底面13与侧壁11之间的过渡面Ⅰ12以及凸脊背的顶面23与侧壁11之间的过渡面Ⅱ22均为弧面。

进一步的，所述锐角θ的范围为30°~89°。

进一步的，所述凹沟槽1相对于双极板表面向下凹陷，凹陷方向即为凹沟槽1的深度方向；凸脊背2相对于凹沟槽1底部平面向上凸起，凸起方向为凸脊背2的高度方向；术语“双极板表面”是指面对膜电极并且与膜电极接触的表面，即凸脊背的顶面23与凹沟槽的开口面14所形成的平面。所述凹沟槽1和凸脊背2均存在窄部和宽部，凹沟槽的开口面14处为宽部且沿着凹陷的方向开口宽度逐渐减小，凹沟槽的底面13为窄部；凸脊背2则相反，即凸脊背2的底部为宽部且沿着凸起高度方向宽度逐渐减小，凸脊背的顶面23为窄部。所述凹沟槽1开口方向和凸脊背2凸起方向面对并接触阴极或阳极气体扩散层，流体在所述凹沟槽1内流动，膜电极中的电子通过所述凸脊背2收集和传导。

进一步的，所述每个凹沟槽1和每个凸脊背2均相对于各自的中心线呈左右对称结构。

进一步的，所述凹沟槽的底面13和凸脊背的顶面23均为水平面。

进一步的，所述凹沟槽的开口面14处的宽度范围为0.3~10.0 mm，所述凸脊背的顶面23宽度范围为0.1~8.0 mm。

进一步的，所述凹沟槽的底面13为沿深度方向深入的曲面Ⅰ，所述曲面Ⅰ的曲率半径r_{3<\/sub>范围为10.0~100.0 mm。}

进一步的，所述凸脊背的顶面23为沿高度方向凸出的曲面Ⅱ，所述曲面Ⅱ的曲率半径r_{4<\/sub>范围为10.0~100.0 mm。}

进一步的，所述过渡面Ⅰ12和过渡面Ⅱ22的曲率半径r_{1<\/sub>、r_{2<\/sub>的范围均为0.1~10.0mm，过渡面Ⅰ12和过渡面Ⅱ22的曲率半径r_{1<\/sub>和r_{2<\/sub>可以相同也可以不同。}}}}

进一步的，当所述凹沟槽1的数量大于1时，所有的所述凹沟槽1开设在双极板的同一个表面上。

进一步的，所述凸脊背2的底面也开设有凹沟槽1。

由于凸脊背2与侧壁11采用弧面过渡，燃料电池组装时双极板对扩散层的尖端应力明显减小，减少双极板对扩散层的损伤从而提高燃料电池寿命；所述凸脊背2与侧壁11的过渡面Ⅱ22还能减少尖端效应即减少电子在凸脊背2与侧壁11交角处的富集从而提高电导率。由于凹沟槽1是沿凹陷方向变窄，在相同开口宽度，即气体与扩散层接触面积相同的情况下，所述凹沟槽1截面的周长比矩形小，也就是说沟槽内气体与双极板的接触面积减小，这使得气体流动阻力比矩形截面流道的小，从而减小气体的压力损失，降低燃料电池的浓度损耗；在具有相同凹沟槽截面面积时，所述凹沟槽1与扩散层接触面积比矩形截面凹沟槽的接触面积大，可以提高气体向扩散层扩散的效率，从而提高燃料电池性能；凹沟槽的底面13与侧壁11为弧面过渡、无交角，可以减少燃料电池中水的滞留，从而减小气体压力损失和水淹的可能。

下述具体实施例中所参照的截面图均为双极板的截面结构，所述的截面结构是指正交于流体流动方向的截面的形状。

实施例1

参照图1 所示燃料电池双极板的凹沟槽和凸脊背的截面形状的概略截面图，所述燃料电池双极板包含至少一个凹沟槽1和至少一个凸脊背2，凹沟槽1和凸脊背2之间共用侧壁11，侧壁11与凹沟槽的底面13之间的过渡面Ⅰ12以及凸脊背的顶面23与侧壁11之间的过渡面Ⅱ22均为弧面，过渡面Ⅰ12和过渡面Ⅱ22的曲率半径分别为r _{1<\/sub>和r_{2<\/sub>，其值可以相同也可以不同，r_{1<\/sub>和r_{2<\/sub>的取值范围均为0.1~10.0 mm，优选0.3~8.0 mm，更优选为0.5~5.0 mm。所述凹沟槽1相对于双极板表面向下凹陷，凸脊背2相对于凹沟槽的底面13向上凸起。术语“双极板表面”是指面对膜电极并且与膜电极接触的表面，即凸脊背的顶面23与凹沟槽的开口面14所形成的面。所述凹沟槽开口面14方向和凸脊背的顶面23面对并接触阴极或阳极气体扩散层，流体在所述凹沟槽1内流动，膜电极中的电子通过所述凸脊背2收集和传导。}}}}

凹沟槽1和凸脊背2均存在窄部和宽部，凹沟槽1的宽部为凹沟槽的开口面14处，其宽度为a_{1<\/sub>，凹沟槽1的宽部沿着凹陷方向宽度逐渐减小，形成凹沟槽1的窄部，即凹沟槽的底面13；凸脊背2则相反，即凸脊背的顶面23为窄部，其宽度为a_{2<\/sub>，凸脊背2的窄部沿着凸起的相反方向宽度逐渐增大。由于凹沟槽1和凸脊背2均存在窄部和宽部，使侧壁11与凹沟槽开口面14存在锐角θ，其范围为30°~89°，优选40°~80°，更优选45°~75°。}}

实施例2

参照图2所示的双极板的凹沟槽和凸脊背的截面形状的概略截面图，将实施例1中燃料电池双极板的凸脊背2的底部开有与凹沟槽1相同的凹沟槽，使双极板的两面开相同的凹沟槽，且凹沟槽1和凸脊背2重叠，每一个凹沟槽1与相对应的凸脊背2之间由板材隔开，其他结构与实施例1相同。

实施例3

图3所示的双极板的凹沟槽和凸脊背的截面形状的概略截面图，参照实施例1的燃料电池双极板，将实施例1中燃料电池双极板的凹沟槽的底面13由平面改为曲率半径为r_{3<\/sub>的曲面Ⅰ，r_{3<\/sub>的取值范围是10.0 ~100.0 mm，优选20.0~80.0 mm，更有选30.0~50.0 mm；其他结构与实施例1相同。}}

实施例4

图4所示的双极板的凹沟槽和凸脊背的截面形状的概略截面图，参照实施例1的燃料电池双极板，将实施例1中燃料电池双极板的凸脊背的顶面23由平面改为曲率半径为r_{4<\/sub>的曲面Ⅱ，r_{4<\/sub>的取值范围是10.0~100.0 mm，优选20.0~80.0 mm，更有选30.0~50.0 mm；其他结构与实施例1相同。}}

实施例5

图5所示的双极板的凹沟槽和凸脊背的截面形状的概略截面图，参照实施例1的燃料电池双极板，将实施例1中燃料电池双极板的凹沟槽的底面13由平面改为曲率半径为r_{3<\/sub>的曲面Ⅰ，r_{3<\/sub>的取值范围是10.0 ~100.0 mm，优选20.0~80.0 mm，更有选30.0~50.0 mm；将实施例1中双极板的凸脊背的顶面23由平面改为曲率半径为r _{4<\/sub>的曲面Ⅱ，r_{4<\/sub>的取值范围是10.0~100.0 mm，优选20.0~80.0 mm，更有选30.0~50.0 mm；r _{3<\/sub>和r_{4<\/sub>可以相同也可以不同，其他结构与实施例1相同。}}}}}}

实施例6

图6所示的双极板的凹沟槽和凸脊背的截面形状的概略截面图，将实施例5中燃料电池双极板的凸脊背2的底面开与凹沟槽1相同的凹沟槽，使双极板的两面开凹沟槽且凹沟槽1和凸脊背2重叠，两者中间由板材隔开。其他结构与实施例5相同。

对比例1

图7所示双极板的凹沟槽和凸脊背的截面形状的概略截面图，所述双极板包含至少一个凹沟槽1和一个凸脊背2，凹沟槽和凸脊背之间共用侧壁11，侧壁11垂直于双极板表面，且侧壁与底面或顶面无弧面过渡。所述凹沟槽的开口面14方向和凸脊背顶面23面对并接触阴极或阳极气体扩散层，流体在所述凹沟槽1内流动，膜电极中的电子通过所述凸脊背2收集和传导。

测试实例1

根据以上实施例中的双极板截面形状，采用蛇形流场设计制作了不同凹沟槽1和凸脊背2截面形状的双极板。将双极板组装进多个燃料电池电堆中在相同条件下测试一段时间后拆开电池观察双极板上水残留情况和膜电极上的压痕情况。双极板截面具体参数和测试结果详见表1。

表1 双极板截面具体参数和测试结果

从表1中的结果可以看出，采用实施例1~4时，侧壁11与凹沟槽1开口的水平面之间的夹角锐角θ角度小于75°且过渡面Ⅰ的曲率半径r_{1<\/sub>大于0.2 mm时凹沟槽1内无水残留，过渡面Ⅱ的曲率半径r _{2<\/sub>大于0.2 mm时凸脊背2不会对膜电极造成压损伤；对于实施例5和6由于凹沟槽的底面13和凸脊背的顶面23采用弧形面，曲率半径在10.0 mm时出现微量水残留，但均对膜电极无压痕。与对比例相比，实施例可以达到本实用新型的目的。}}

设计图

一种燃料电池双极板沟脊截面结构论文和设计

一种燃料电池双极板沟脊截面结构论文和设计-莫肇华

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