氢燃料电池可控形变双极板及流道结构动态调控方法

1.本发明属于氢燃料电池零件技术领域，具体涉及一种氢燃料电池可控形变双极板及流道结构动态调控方法。


背景技术：

2.氢燃料电池是一种把清洁能源氢气所具有的化学能直接转化为电能的典型电化学装置。氢燃料电池的关键部件是电极、质子交换膜与双极板(集流板)。双极板具有分隔氧化剂和还原剂、收集电流、引导反应气体均匀分布、导热、排水等重要作用，而其性能很大程度取决于流场结构。一般的流场结构形式是通过在金属板、石墨碳板或复合材料表面加工形成一片沟槽，即形成流场，传统的流场形状有直通道、蛇形和交指形等，相关科研机构和企业也对流场结构开展了广泛的研究，开发出仿生分形流场、阶梯式流场和三维网格型流场等新型流场结构，但由于其结构一经设计制造完成即定型，在实际使用过程中无法根据燃料电池实际运行工况需求改变双极板性能。
3.经研究表明，在氢燃料电池以较低功率运行时，传统双极板阴极侧由于在温度较低时容易造成水淹现象，导致反应物传输耗损的增加，从而降低了电流密度；当氢燃料电池以较高功率运行时，传统双极板由于流场传质效率低，会出现燃料饥饿现象，即阴极侧出现“真空效应”，将加速氢燃料电池的衰减，降低电池寿命，同时发热量增加，将严重影响氢燃料电池运行稳定性和可靠性。
4.针对上述问题，目前迫切需要开发出一种新型氢燃料电池双极板，其可以根据实际使用工况的变化，主动改变双极板阴极流道微结构，从而改善双极板排水、传质、散热性能。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种氢燃料电池可控形变双极板及流道结构动态调控方法，解决了上述背景技术中氢燃料电池电极阴极侧的水淹、“氧气饥饿”现象，导致燃料电池稳定性和可靠性较低问题。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：提供了一种氢燃料电池可控形变双极板，包括依次设置的阳极板体、基板、pmds介电膜和阴极板体；所述阳极板体在靠近基板的一侧设有冷却液流道，所述基板上设有若干通孔，所述pmds介电膜设置若干柔性球突，所述阴极板体上设有贯通流道；所述柔性球突的凸起面设置于贯通流道内，所述柔性球突的凹陷腔通过通孔与冷却液流道连通。
7.在本发明一较佳实施例中，所述pmds介电膜的厚度为100μm，所述柔性球突的球突高度为0.2mm。
8.在本发明一较佳实施例中，所述通孔呈阵列排布于基板的中央区域且与柔性球突的位置相适配，所述通孔的尺寸为0.4mm。
9.在本发明一较佳实施例中，所述阳极板体在远离基板的一侧设有交指型流道，所
述交指型流道的两端分别设置氢气进口导流槽和氢气出口凹槽。
10.在本发明一较佳实施例中，所述阴极板体设有氧气进气导流槽和氧气出口凹槽，所述氧气进口导流槽上均匀排列有若干凸起颗粒。
11.在本发明一较佳实施例中，所述阴极板体的厚度为0.4mm，所述贯通流道宽度0.5mm、深度0.4mm。
12.在本发明一较佳实施例中，还包括外壳，所述阳极板体、基板、pmds介电膜和阴极板体依次嵌设于外壳内，总厚度1.6～2.0mm。
13.在本发明一较佳实施例中，所述贯流通道在朝向外壳的一面敞开，敞开处通过外壳封闭，并与外壳设置的阴极反应物进口、阴极反应物出口连通。
14.在本发明一较佳实施例中，所述外壳还设有冷却液流道进口、冷却液流道出口，二者通过直连型流道连通至冷却液流道。
15.在本发明一较佳实施例中，所述冷却液进口至冷却液出口的各循流道距离相等，流道宽度 0.5mm,流道深度0.4mm，所述流道板脊呈均匀分布。
16.在本发明一较佳实施例中，所述阳极板体、基板、阴极板体和外壳采用金属材质，通过激光焊接工艺接合。
17.在本发明一较佳实施例中，作为阴极双极板或阳极双极板，当作为阴极双极板时，所述阴极板体和外壳间设有膜电极。本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：提供了一种双极板流道结构动态调控方法，在对应布置的阳极板体和阴极板体之间设置阵列分布有柔性球突的pmds介电膜，所述柔性球突的凸起面设置于反应流场流道内，所述柔性球突的凹陷腔与冷却液流道连通；通过调节柔性球突的凹陷腔连通的冷却液流场压力，利用柔性球突两侧的压力差产生的形变，实现流道结构的动态调整。
18.本发明解决其技术问题所采用的技术方案之四是：提供了一种双极板流道结构动态调控方法，采用如上述的可控形变双极板。
19.在本发明一较佳实施例中，还设置有控制模块，动态调控方法包括以下步骤：
20.步骤1、首先控制模块收到增大燃料电池输出功率p请求，增大反应气流量q，燃料电池电流密度j增大；
21.步骤2、控制模块实时获得燃料电池内部温度，当超过预设阈值t1时，增大冷却液流量q；
22.步骤3、冷却液流量q逐渐增大，冷却流场压力p不断增大，柔性球突的体积v不断膨胀，传质效果增强，电流密度j增大；
23.步骤4、当温度达到预设最大温度阈值t2时，控制模块实时调整燃料电池反应气流量q减小，冷却液流量q逐渐减小，柔性球突的体积v逐渐复原。
24.本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
25.1.本发明将阴极反应物流场、阳极反应物流场和冷却液流场集成于一体，实现“一板三流场”结构；
26.2.本发明冷却液流道由板脊分隔，多条平行流道由冷却液进口到出口距离均相等，更有利于将燃料电池内部热量通过冷却液流体向外部传导，从而使燃料电池双极板反应流场的温度保持均匀；
27.3.具有微结构的pmds介电膜，从而降低阴极反应物通过阴极流道输入口进入反应
流场的流速，以减少对膜电极的冲击。并且由于其具有较好的弹性模量，当冷却流场冷却液流量加大时，冷却液流场压力增大，pmds介电膜微结构体积增大，体积变化量与冷却液流量成正比，实现阴极流道结构的可控形变，提高燃料电池排水、散热性能，强化燃料电池传质效；
28.4.本发明的膜电极可设置于阳极板体外侧、阴极板体与外壳之间，具有球突微结构的pmds 介电膜单独设计和加工制造，通过激光焊接工艺将各金属板接合成为厚度1.8
±
0.2mm的整体；
29.5.本发明的控制方法：当燃料电池在较低功率条件下运行时，此时控制pmds介电膜球突微结构体积膨胀减小，利于将阴极形成的液滴快速吹扫出反应流道。较佳的，pmds介电膜具有强疏水性，液滴附着力小，有利于阴极反应气体将其吹扫出，以实现氢燃料电池良好的排水性。当燃料电池在较高功率条件下运行时，此时控制pmds介电膜球突微结构体积膨胀较大，利于加快阴极反应物流道表面流速，同时球突结构在阴极流道形成紊流结构，加快阴极反应物进入气体扩散层，以强化燃料电池的传质效果。
附图说明
30.图1为实施例1阳极板体阳极流场结构示意图；
31.图2为实施例1阳极板体冷却流场结构示意图；
32.图3为实施例1基板轴测视图；
33.图4为实施例1pmds介电膜轴测视图；
34.图5为实施例1阴极板体阴极流场结构示意图；
35.图6为实施例1阳极流场结构示意图；
36.图7为实施例1阴极流场结构示意图；
37.图8为实施例1双极板平面图；
38.图9为实施例1双极板剖面图；
39.图10为图9的a处放大图；
40.图11为实施例1作为阴极双极板的结构图；
41.图12为实施例2动态调控方法图。
42.其中：
43.1-阳极板体，1a-氢气进口导流槽，1b-交指型流道，1c-氢气出口凹槽，1d-冷却液进口，1f
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冷却液出口，1e-冷却液流道；
44.2-基板，2a-(圆形)通孔；
45.3-pmds介电膜，3a-柔性球突；
46.4-阴极板体，4a-贯通流道，4b-氧气进口导流槽，4c-氧气出口凹槽，4d-凸起颗粒；
47.5-外壳，5a-氧气进口流道，5b-氧气出口流道，5c-冷却液流道进口，5d-冷却液流道出口， 5e-阴极反应物进口，5f-阴极反应物出口；
48.6-膜电极(mea)。
具体实施方式
49.为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，结合附图对本发明做进一步的具体说
明，其目的仅在于更好理解本发明的内容而非限制本发明的保护范围。
50.本发明氢燃料电池双极板可用作阴极双极板，也可用作阳极双极板，下述实施例以阴极双极板加以说明：
51.实施例1
52.本实施例一种可控形变双极板，包括阳极板体1、基板2、pmds介电膜3和阴极板体4，还包括外壳5，所述阳极板体1、基板2、pmds介电膜3和阴极板体4依次嵌设于外壳5内，所述阳极板体1、基板2、阴极板体4和外壳5采用金属材质，通过激光焊接工艺接合，总厚度1.6～2.0mm。
53.所述阳极板体1在靠近基板2的一侧设有冷却液流道1e，在远离基板2的一侧中部设有交指型流道1b，所述交指型流道1b的两端分别设置氢气进口导流槽1a和氢气出口凹槽1c。
54.所述基板2上设有若干通孔2a，所述pmds介电膜3设置若干柔性球突3a，所述pmds 介电膜3的厚度为100μm，所述柔性球突3a呈半圆球形，球突高度为0.2mm。所述通孔2a 呈阵列排布于基板2的中央区域且与柔性球突3a的位置相适配，所述通孔2a为圆形，直径为 0.4mm，数量为20
×
18。所述阴极板体4上设有贯通流道4a，所述贯通流道4a沿阴极板体4 厚度方向贯穿阴极板体4，所述柔性球突3a的凸起面设置于贯通流道4a内，所述柔性球突3a 在与基板2热胶合后，凹陷腔通过通孔2a与冷却液流道1e连通并实现良好密封，pmds介电膜 3球突微结构会随着冷却流道内压力增大而体积相应膨胀。
55.所述阴极板体4贯通流道4a的两端开设氧气进气导流槽和氧气出口凹槽4c，所述氧气进口导流槽4b上均匀排列有若干凸起颗粒4d。所述阴极板体4的厚度为0.4mm，所述贯通流道 4a宽度0.5mm、深度0.4mm。所述贯流通道在朝向外壳5的敞开处通过外壳5封闭，并与外壳 5设置的阴极反应物进口5e、阴极反应物出口5f连通。
56.所述外壳5还设有冷却液流道进口5c、冷却液流道出口5d，二者通过直连型流道连通至冷却液流道1e。所述阳极氢气进口导流槽1a、氢气出口凹槽1c，冷却液进口1d、冷却液出口 1f，阴极氧气进口导流槽4b，氧气出口凹槽4c，外壳5的氧气进口流道5a、氧气出口流道5b，冷却液流道进口5c、冷却液流道出口5d，两两一组设于所述阳极板体1的长度方向的两端处；交指型流道1b内均匀分布有平行排布的多条反应流道，相邻两条反应流道之间通过板脊隔开，每条反应流道的输入口与所述阴极反应物进口5e或所述反应物进口相连通，每条反应物流道的输出口与所述阴极反应物出口5f或所述阳极反应物出口相连通；冷却液流道1e内亦内均匀分布有若干板脊，冷却液流道1e进口和出口设于所述双极板宽度方向的两端处，每条冷却液流道1e的输入口与输出口与所述冷却液进口或出口相连通。所述冷却液进口1d至冷却液出口 1f的各循流道距离相等，流道宽度0.5mm,流道深度0.4mm。
57.本实施例中，本实施例中的双极板加工方式如下：
58.(1)、将pdms与固化剂按比例混合制作pmds混合胶；将pmds混合胶静置于真空箱，多次操作抽离混合胶中的空气，至pmds混合胶中无气泡为止；将pmds膜均匀涂敷在有球突微结构的pcet模板上，经过固化后，形成稳定的柔性球突3a结构；
59.(2)、将基板2均匀涂敷环氧树脂软胶，涂敷时用载具将圆孔堵塞，经过固化后，取出载具；将pmds膜安置在基板2上，柔性球突3a与圆形通孔2a一一对应，经过加热箱固化后，pmds 膜与基板2紧密粘合；
60.(3)、采用激光焊接方法对阳极板体1、基板2、阴极板体4进行接合；
61.(4)、采用激光焊接方法将接合后的板体嵌入外壳5，pmds介电薄膜与阴极板体4为接触配合，所述双极板厚度为1.8
±
0.2mm。
62.本实施例还提供了一种氢燃料电池，将上述双极板作为阴极双极板，阴极板体4与外壳5 之间预先设置好膜电极，pmds介电膜3单独设计和加工制造，再通过激光焊接工艺将阳极板体 1、基板2、阴极板体4、外壳5金属板接合，实现
‘
一板三流场’结构。
63.实施例2
64.一种双极板流道结构动态调控方法，在对应布置的阳极板体1和阴极板体4之间设置阵列分布有柔性球突3a的pmds介电膜3，所述柔性球突3a的凸起面设置于反应流场流道内，所述柔性球突3a的凹陷腔与冷却液流道1e连通；通过调节柔性球突3a的凹陷腔连通的冷却液流场压力，利用柔性球突3a两侧的压力差产生的形变，实现流道结构的动态调整。
65.pmds介电膜3具有较好的弹性模量，当冷却液流场压力增大，pmds介电膜3的柔性球突3a膨胀，膨胀体积大小随冷却液流量增大而相应增大，使燃料电池反应流场流道结构呈波浪形，从而增大阴极反应物流速，并增大紊流效果，促进阴极反应物进入气体扩散层(gdl)，强化燃料电池的传质效果；当燃料电池在较低功率条件下运行时，燃料电池电流密度低，发热量相对较少，此时控制冷却液流量减少，此时冷却流道腔压力减小，pmds介电膜3的柔性球突3a体积又逐渐恢复原样，有利于将形成水珠快速吹扫出反应流道，减小燃料电池水淹现象。
66.具体地，采用实施例1可控形变双极板或氢燃料电池，并设置有控制模块，包括以下步骤：
67.步骤1、首先控制模块收到增大燃料电池输出功率p请求，增大反应气流量q，燃料电池电流密度j增大；
68.步骤2、控制模块实时获得燃料电池内部温度，当超过预设阈值t1时，增大冷却液流量q；
69.步骤3、冷却液流量q逐渐增大，冷却流场压力p不断增大，柔性球突3a的体积v不断膨胀，传质效果增强，电流密度j增大；
70.步骤4、当温度达到预设最大温度阈值t2时，控制模块实时调整燃料电池反应气流量q减小，冷却液流量q逐渐减小，柔性球突3a的体积v逐渐复原。
71.本领域技术人员可知，当本发明的技术参数在如下范围内变化时，可以预期得到与上述实施例相同或相近的技术效果：
72.阳极板体1、基板2、阴极板体4采用金属材质，不限于采用石墨、复合材料等。阳极板体1、基板2、阴极板体4不限于采用热压合、胶合、紧固件锁紧等连接方式。
73.孔特征包括但不限于矩形、三角形、菱形等多边形通孔2a结构。
74.柔性球突3a结构包括半圆球形结构，但不限于柱形、锥形等微结构突起，pmds介电膜3 球突微结构可以采用任何具有优异的弹性、高化学惰性、高稳定性的柔性聚合物材料。
75.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。