[发明专利]一种流道内布设凸点的燃料电池双极板及其设计方法

说明书

本发明对双极板流场内，在流道底部增加凸点后，对凸点位置的选择，凸点数量的选择以及凸点的分布进行设计和优化。针对不同的板型，腔口设计，以及双极板水平及竖置摆放位置，将凸点的数量，位置及分布通过符合概率分布的设计排布。

技术领域

本发明涉及燃料电池双极板制造生产技术领域，具体而言，涉及一种流道内布设凸点的燃料电池双极板及其设计方法。

背景技术

燃料电池流场的功能是为电化学反应提供介质，包括氢气和空气，并且将反应过程中产生的水排出流场外。常见的双极板设计在板内明面上有直线型结构，蜿蜒型结构或蛇形结构，但在垂直于板面方向一般采用底部为平行于板面的平面沟底结构。平面沟底结构仅可以为进气和排水提供基本功能，不能为流体提供垂直于纸面的速度分量，并且平面沟底结构不能通过底部结构优化来促进排水。

在平面沟底结构的基础上增加凸点结构，是一种提高流体垂直于纸面流速的方法。将一些由基本形状构成的凸点，增加到石墨板、金属板或者复合材料底部，不仅可以提供垂直于板面方向的动量，进而提高传质能力，并且底部结构可以提高流体流速，极大提高排水能力，进而提高燃料电池性能。现有技术中CN110474065A，提供了燃料电池极板、双极板和氢燃料电池”，该发明是将极板朝向膜电极的侧面上设有点状凸起，点状凸起使得所述极板与膜电极之间形成流通通道，但是其双极板的流道完全由凸起构成，为点状流场；CN209374562U，提供了一种流道内具有楔形凸起的双极板，其中双极板的流场由多条相互平行的流道排列组成，流道包括流道沟槽和流道脊，在流道沟槽长度方向的等分点上均设置有楔形凸起，但是梯形体楔形凸起在加工时容易造成开裂(金属双极板)和崩角(石墨双极板)，布置位置也并未限制，不仅不可以起到强化传质的特点，流阻增加也不显著。且现有的双极板流场多为二维流场，即反应气流动平行于双极板平面和膜电极表面，主要存在以下问题：第一在平面流场底部增加凸点结构，是目前双极板设计的新趋势，其目的在于提高流体垂直于纸面方向的流速，借此提高传质阻力，但是设计重点在凸点三维形状，尺寸的设计，并没有对凸点在双极板平面内，尤其是流场内部的分布进行设计，且并没有对凸点的数量选择进行设计，多数设计方法属于随机试错。故现有技术对凸点数量及分布的综合影响没有明确定义，随机放置的凸点结构无法优化电堆性能。

因此如何优化双极板流道内凸点的分布，进一步优化流体在平面内分布，最终实现可定向优化电堆性能，缩短电池电堆性能优化时间是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一，本发明对双极板流场内，在流道底部增加凸点后，对凸点位置的选择，凸点数量的选择以及凸点的分布进行设计和优化。针对不同的板型，腔口设计，以及双极板水平及竖置摆放位置，将凸点的数量，位置及分布通过符合概率分布的设计排布。

有鉴于此，根据本发明的第一种目的，提出了一种凸点布设在燃料电池双极板流道内的设计方法，包括：

S1：提出燃料电池双极板性能需求；

S2：确认双极板活性区尺寸及长宽比；

S3：确定流道根数、尺寸和形状设计；

S4：选择相应的凸点在流道内的拟合分布函数；拟合分布函数包括但不限于正态分布函数、柯西分布函数、Chi-Square分布函数、Lognormal分布函数、Weibull分布函数、Beta分布函数、Binomial分布函数或泊松分布函数；

S5：选择评估标准；评估标准包括流量均一性、流速均一性、排水性、传质阻力中的一种或多种；

S6：确认是否满足S1中燃料电池双极板性能需求，是，进行S7；否，返回到S4；

S7：确定凸点分布方案，实验验证极化曲线及排水。

选择相应的凸点在流道内的拟合分布函数，可以通过数学仿真结果或实验方法确定。