燃料电池双极板、燃料电池及动力系统的制作方法

本实用新型涉及一种燃料电池，特别是一种双极板的流道结构、双极板及其于燃料电池中的应用。

背景技术：

双极板又称集流板，是燃料电池的重要部件之一。双极板的主要功能是提供气体流道，防止电池气室中的氢气与氧气串通，并在串联的阴阳两极之间建立电流通路。

目前常用的双极板材料大多选自炭质材料、金属材料或者金属与炭质的复合材料。其中，石墨双极板具有化学性质稳定、与mea之间接触电阻小等优点。

然而，现有的商业化燃料电池石墨板的流道基本都是u型走向，在纵向上深度相同，气体从石墨板一侧进入流道，从另一侧流出石墨板。当mea工作时，氢气和氧气会穿过扩散层进行反应发生消耗，这样可能会导致氢气和氧气在进气口处的压力及浓度高于出气口处的压力，从而造成整张mea(膜电极，membraneelectrodeassembly)上压力不均匀及气体浓度不均匀，进而降低mea的实际效率。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种燃料电池双极板、燃料电池及动力系统，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本实用新型采用的技术方案包括：

本实用新型实施例提供了一种燃料电池双极板，包括形成在双极板上的连续流道，所述连续流道的深度沿设定方向连续或阶梯式的增大，所述设定方向为流体在所述连续流道内的行进方向。

在一些实施方案中，所述连续流道的深度沿设定方向阶梯式的增大。

本实用新型实施例还提供了所述燃料电池双极板的应用，例如在制备燃料电池、动力系统及相应装置中的用途。

较之现有技术，本实用新型通过对燃料电池双极板的流道结构进行改良设计，使流道深度沿流体行进方向增大，特别是阶梯式增大，可以有效解决流体在双极板流道内流经过程中压力、浓度不均等问题，从而显著改善燃料电池的工作效率。

附图说明

图1是本实用新型一典型实施例中一种燃料电池双极板流道结构的俯视图。

图2是图1所示燃料电池双极板流道结构沿a-a向的剖视图。

图3是本实用新型实施例1中燃料电池双极板的部分流道结构俯视图；

图4是本实用新型实施例1中燃料电池双极板的部分流道结构立体图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

又及，需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本实用新型实施例提供了一种燃料电池双极板，包括形成在双极板上的连续流道，所述连续流道的深度沿设定方向连续或阶梯式的增大，所述设定方向为流体在所述连续流道内的行进方向。

其中，所述连续流道的流体入口和流体出口可以分布于所述双极板的同一侧或不同侧，例如相对的两侧，但不限于此。

在一些优选的方案中，所述连续流道的深度沿设定方向阶梯式的增大。

在一些更为具体的实施案例中，请参阅图1所示，所述燃料电池双极板1上的连续流道10包括曲线形流道，所述曲线形流道10包括多个沿设定方向延伸的多个平行段101和连接相邻平行段的连接段102。

进一步地，请参阅图2所示，所述多个平行段的深度沿设定方向呈阶梯式变化。

更进一步地，一平行段内所有区域的深度相同或不同，优选为相同，以利于更方便、准确的加工。

进一步地，沿所述的设定方向，所述多个平行段的深度变化满足如下计算公式：

hn＝α^n-1h1

其中，hn是第n个平行段的深度，h1是第一个平行段的深度，k为系数因子，l为单个平行段的长度，d为相邻平行段的间距，n为平行段的数量。

更进一步地，n、l、w、d还满足以下关系式：

(n-1)d+nw＝l

其中，w为单个平行段的宽度。

通过前述的设计，可以消除连续流道内有流体经过时，连续流道内不同区域流体压力、浓度不均匀的缺陷。

在一些应用例中，当将该实施例的燃料电池双极板与膜电极(mea)配合工作时，输入所述连续流道内的氢气、氧气等在流体入口(亦可定义为进气口)处的压力及浓度将与流体出口(可定义为出气口)处的基本相等，从而避免mea上不同部位压力、气浓度不均衡的问题，进而显著改善燃料电池的工作性能。

前述膜电极(mea)的定义如本领域技术人员已知的，可以理解为是包含阳极、阴极及电解质隔膜的一体结构。

本实施例的燃料电池双极板包括石墨板等，但不限于此，例如还可以为金属材料、金属与炭质的复合材料的双极板等。

相应的，本实用新型的一些实施例还提供了一类改良的燃料电池双极板，它具有前述改良的燃料电池双极板流道结构。

进一步地，本实用新型的一些实施例还提供了一类燃料电池，包括电极、电解质隔膜与双极板等组件，其中所述的双极板采用所述改良的燃料电池双极板。

更进一步地，在所述燃料电池中，电极与电解质隔膜可以一体设置，形成前述的膜电极(mea)结构。

进一步地，本实用新型的一些实施例还提供了一类动力系统，包括电机及电源，所述的电源包括所述的燃料电池。

进一步地，本实用新型的一些实施例还提供了一类装置，包括所述的燃料电池或所述的动力系统。所述的装置包括但不限于电动车、电动船舶、电动飞行器等交通工具，亦可以是铲车、推土机、采矿机等工程机械，还可以是机械、电子加工设备等等。而所述燃料电池或所述动力系统在这些装置内的安装方式及使用方式均可以是已知的，此处不再赘述。

以下将结合若干更为具体的实施例对本实用新型的技术方案作更为详尽的说明。

实施例1：该实施例提供的燃料电池双极板的基本结构如图1、图2所示，其具有连续的曲线形流道，该曲线形流道包括多个沿流体流动方向延伸的n个平行段和连接相邻平行段的连接段。该n个平行段的深度沿设定方向呈阶梯式变化。

进一步的，若定义该n个平行段的深度分别为h1、h2、...、hn，则第n个平行段与第一个平行段的关系满足以下公式：

hn＝α^n-1h1

其中，k为系数因子，且

在α中的各个参数均为常数时，系数α为常数。

优选的，n、l、w、d应满足以下关系式：

(n-1)d+nw＝l。

同时请参阅图3及图4，前列各个公式中，各符号的含义及其单位分别如下：

v[ml·s^-1]：进气口气体流速；

u[mol·cm^-2·s^-1]：燃料电池中单位面积气体消耗速率；

r＝8.314j·mol^-1·k^-1，气体常数；

t[k]：流道内气体温度；

p[kpa]：流道内气体压力；

l[cm]：单个平行段的长度；

w[cm]：单个平行段的宽度；

d[cm]：相邻平行段的间距；

h[cm]：单个平行段的深度。

在该实施例中，当v→+∞，δt→0，nexc＝ncons→0，α→1。

在该实施例中，当α→0，则最小进气流速应满足以下关系：vmin＞w(l+d)vm。即时，α→0。

本实施例提供的双极板流道结构设计，可以有效地消除连续流道内有流体经过时，连续流道内不同区域流体压力、浓度不均匀等缺陷。

实施例2：该实施例提供的燃料电池双极板为1cm²流道石墨板，其结构与实施例1基本相同，但n＝9，l＝1cm，w＝0.08cm，d＝0.035cm，进口处气体流速＝0.8ml/s。单位面积气体通量u可根据法拉第定律由实验测得，即：

其中i[acm^-2]为电流密度，n为转移电荷数，f为法拉第常数，其值等于94685cmol^-1。取u＝0.0005mol·cm^-2·s^-1，计算得到α＝0.9987。

实施例3：该实施例提供的燃料电池双极板为5cm²流道石墨板，n＝15、l＝2.25cm、w＝0.08cm、d＝0.075cm、进口处气体流速＝1.2ml/s。取u＝0.0005mol·cm^-2·s^-1，计算得到a＝0.9981。

实施例4：该实施例提供的燃料电池双极板为25cm²流道石墨板，n＝31、l＝5cm、w＝0.08cm、d＝0.084cm、进口处气体流速＝2ml/s。取u＝0.0005mol·cm^-2·s^-1，计算得到α＝0.9975。

实施例5：该实施例提供的燃料电池双极板为100cm²流道石墨板，n＝56、l＝10cm、w＝0.1cm、d＝0.08cm、进口处气体流速＝2ml/s。取u＝0.0005mol·cm^-2·s^-1，计算得到α＝0.9938。

应当理解，上述实施例仅为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。