[发明专利]一种具有阶梯排列导气凸台的双极板及燃料电池

说明书

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，公开一种具有阶梯排列导气凸台的双极板，包括双极板本体，双极板本体前端设置有反应气体入口和冷却液入口，双极板本体后端设置有反应气体出口和冷却液出口，双极板本体中部设置有使反应气体入口和反应气体出口相连通的流场，流场包括流场脊和与流场脊间隔排列的流场槽，流场槽底面固定设置有若干导气凸台，导气凸台设置有多级，导气凸台的高度沿气体流向逐级增大；此外本发明还公开了一种燃料电池，燃料电池包括上述具有阶梯排列导气凸台的双极板。本发明导气凸台使用范围广，能够合理利用气流动能，实现较小梯度压降，提高膜电极附近反应物浓度，减少液态水在气体扩散层内的积聚。

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，特别是涉及一种具有阶梯排列导气凸台的双极板及燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池由双极板、膜电极、气体扩散层和端板密封而成，双极板是燃料电池的重要组件，每组双极板包括一个阴极板和一个阳极板，分别承担着把氧化气体和还原气体送入膜电极进行反应的任务。还原气体通常是氢气，氧化气体通常为氧气，氢气经过双极板的流场进入气体扩散层并通过膜电极，在膜电极发生氧化反应释放电子成为氢离子，氢离子穿过质子交换膜迁移至阴极并与氧气结合生成水，氧气发生还原反应得到经过外电路至阴极的电子。氧化气体与还原气体适时足量的供入膜电极以及及时排出产物液态水是保证燃料电池高效运行的关键。

合理的流场设计可使气体均匀充足的供入膜电极，避免由于气体的不均匀导致产物水分布不均引起膜的局部干涸或水淹，抑制燃料电池的性能。传统流场一般为平行流场或蛇形流场，此种流场一般由若干流场槽与流场脊交替排列而成，气体从入口分配至各个流场，流场内气体扩散进入气体扩散层，进而进入膜电极。图1为传统燃料电池双极板平行流场，流场上游气体流速快，气体扩散层内的水易被吹出，不易堵塞气体扩散层，效率高，反应迅速，随着气体流动，气体动能不断减弱，流场下游气体流速降低，气体扩散层内的水很难吹出甚至无法吹出，容易堵塞气体扩散层，降低燃料电池效率，严重可导致水淹。

相关技术中虽有在流场内设置扰流柱或挡板，但凸起结构常为等高布置，这会同样造成沿流场长度方向气体进入气体扩散层的不均匀，进而导致水热分布不均匀；同时凸起结构的截面形状未充分考虑气流特性，这会损失部分的气流动能。

为解决现有技术中的不足，需要设计一种新型流场，使得气体沿流场长度方向均匀的进入气体扩散层，同时保证充分利用气流动能，进一步提高燃料电池的排水性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有阶梯排列导气凸台的双极板，以解决上述现有技术存在的问题，充分利用气流动能，提高燃料电池的排水性能，保证燃料电池电流密度的均匀性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种具有阶梯排列导气凸台的双极板，包括双极板本体，所述双极板本体前端设置有反应气体入口和冷却液入口，所述双极板本体后端设置有反应气体出口和冷却液出口，所述双极板本体中部设置有使所述反应气体入口和反应气体出口相连通的流场，所述流场包括流场脊和与所述流场脊间隔排列的流场槽，所述流场槽底面固定设置有多级导气凸台，所述导气凸台的高度沿气体流向逐级增大。

优选的，每级所述导气凸台的数量为多个，相邻两级所述导气凸台的高度差为定值。

优选的，所述流场还包括设置有靠近所述反应气体入口和反应气体出口的两个分配区，两个所述分配区与所述流场槽连通，所述分配区为以下至少一种：所述分配区为扰流柱式，所述分配区设置有多个间隔布置的柱状凸起；所述分配区为分配式，所述分配区设置有多条分流槽。

优选的，所述反应气体入口包括氧化气体入口和还原气体入口，所述双极板本体的前端沿逆时针依次设置有所述氧化气体入口、冷却液入口和还原气体入口，所述反应气体出口包括氧化气体出口和还原气体出口，所述双极板本体的后端沿逆时针依次设置有氧化气体出口、冷却液出口和还原气体出口。