一种新型燃料电池双极板及燃料电池

本发明属于燃料电池，具体涉及一种新型燃料电池双极板及燃料电池。背景技术：1、以氢气作为燃料的氢氧燃料电池是一种直接的电化学能量转换装置，其工作过程不受卡诺循环的限制，理论上能量转换效率可达83%，实际工作效率受极化现象等影响在40%-60%，是内燃机转换效率的1.5-2倍。除能量转换效率高之外，燃料电池在工作过程中还具备清洁无污染、模块化结构、无机械振动、噪音低、能适应不同功率要求、可持续发电、可靠性高等优点，被认为在移动电源、交通动力能源和分布式发电领域有非常广阔的应用前景。2、燃料电池工作过程涉及复杂的内部传热、传质现象。燃料电池(pemfc)在运行过程中氢气在阳极催化剂作用下分解为氢离子和电子，氢离子再通过质子交换膜到达阴极侧，与阴极侧的催化层(cl)氧气催化分解后得到的氧离子结合生成水，而阳极侧的电子通过外电路到达阴极产生电流并放出大量的热，生成的水通过气体扩散层(gdl)输送到膜电极(mea)表面，最后沿着流道排出。造成燃料电池性能下降的因素有很多，其中浓差极化就是重要原因之一。浓差极化主要集中在高电流密度的工况中出现，导致该现象发生的主要原因是燃料电池中化学反应过程受阻。即过量的液态水堵塞流道和气体扩散层的孔隙，反应气体无法到达催化层表面，导致其浓差极化现象加剧。所以燃料电池阴极侧的水管理对电池性能的提高至关重要，需要通过改进流道结构等行为来促进排水，增强反应物向多孔气体扩散层和催化层的传输能力。3、传统流场燃料利用率较低、水去除能力低，燃料电池电流密度和功率密度均不高。因此，需要设计新型的流场来对流道结构进行改进提高燃料的利用率和排水能力，进一步提升燃料电池的总体输出性能。4、本专利发明人在实现本发明实施例技术方法的过程中，至少发现现有技术中存在如下技术问题：5、传统流场如果阴极侧反应生成的水未能及时排除，造成气体扩散层堵塞，氧气无法到达催化层，浓差过电势将会快速增加，发电效率降低。技术实现思路1、针对现有技术的不足，在燃料电池中，希望获得在确保电池输出性能的同时，能够切实提高气体扩散层反应气体浓度并抑制水淹现象产生的结构，本发明提供了一种燃料电池新型流场及燃料电池，可显著增强燃料电池阴极板内反应气体分布均匀性，提高反应气体利用率，并有效减轻气体扩散层和气体通道中液态水的积累，提升燃料电池的输出性能。2、为实现上述目的，本发明一方面提供一种新型燃料电池双极板，所述双极板的流道上设置有至少1个宽度敛散结构和至少1个高度敛散结构；所述宽度敛散结构和高度敛散结构的形状、尺寸和布置，根据电池的水汽传输、热管理及功率密度要求进行设计，以达到最佳的反应气体分配、排水和散热性能；其中，所述宽度敛散结构的几何特征为流道宽度方向截面先收缩再扩张，功能在于形成局部宽度方向的反应气体对流，促进反应气体在气体扩散层的分布均匀性；所述高度敛散结构的几何特征为流道高度方向截面先收缩再扩张，功能在于在其收缩段迫使反应气体流入气体扩散层和在扩张段形成负压区域迫使气体从气体扩散层往上流入流道，从而既增加气体扩散层反应物浓度，又促进气体扩散层内液态水的排出。3、进一步的，所述宽度敛散结构和所述高度敛散结构均包括：收缩段和扩张段。4、进一步的，在所述宽度敛散结构中，所述收缩段与所述扩张段的形状及尺寸相同或者不同，根据反应气体扩散性能要求而设定；在所述高度敛散结构中，所述收缩段与所述扩张段的形状及尺寸相同或者不同，根据排水性能要求而设定。5、进一步的，在所述宽度敛散结构中，收缩段和扩张段结构壁面与直流道段壁面的夹角在10°-80°之间，宽度收缩比k满足0.1≤k≤0.9。6、进一步的，在所述高度敛散结构中，收缩段和扩张段结构顶面与直流道段壁面的夹角在1°-70°之间，高度收缩比k满足0＜k≤0.5。7、进一步的，所述宽度敛散结构和高度敛散结构在同一流道上数目、位置、尺寸及周期相同或者不同，根据整板流场特性和性能要求而定。8、进一步的，所述宽度敛散结构和高度敛散结构在不同流道上的数目、位置、尺寸及周期相同或者不同，根据整板流场特性和性能要求而定。9、进一步的，所述宽度敛散结构和高度敛散结构不仅适应于平行直流场，同时还适用于蛇形流场、交指流场、渐缩流场的流场结构。10、另一方面，本发明提供一种燃料电池，包括：前述实施例所述的电池双极板。11、本发明与现有技术相比，其有益效果有：12、首先，通过在气体通道中设置宽度敛散结构，可使得供应的反应气体过流面积减小，流速上升，提高气体扩散能力的同时吹扫过程中将更容易带走大量的液态水，从而减少气体通道液态水的积累，最终提高燃料电池的发电效率。13、其次，通过在气体通道中设置高度敛散结构，气体受阻后会产生竖直方向的速度分量，迫使气体进入到气体扩散层，进而扩散到催化层，提高催化层处反应气体的浓度并吹扫出气体扩散层中积累的液态水。14、总之，本发明的宽度敛散结构和高度敛散结构分别具有宽度和高度方向的变截面，在高度和宽度方向能够产生显著收缩和扩散的局部流场。反应气体在流动过程中，气体流经宽度敛散结构时，流道的收缩使得流速增加，气体扩散动力增强，提升极板流场整体反应气体分布均匀性的同时吹扫出附着在气体通道中的液态水，进而提高了燃料电池的发电效率。反应气体流经高度敛散结构时，气流受阻扩散动力降低并产生竖直方向的分速度，可以提升催化层处反应气体的浓度并吹扫出气体扩散层中积累的液态水。因此，本发明不仅显著提升了反应气体的传质性能，而且更有效地排出燃料电池内部液态水。15、本发明的极板上每一气体流道上都设置有至少1个高度敛散结构和1个宽度敛散结构，基于流场整体结构优化的设计理念，不仅适应于平行直流场，同时还适用于蛇形流场、交指流场、渐缩流场等其他需要改进的流场结构，通过调整两种敛散结构的具体尺寸和布置方式能够实现极板流场的传质性能以及燃料电池的输出性能的最大化。技术特征：1.一种新型燃料电池双极板，其特征在于，所述双极板的流道上设置有至少1个宽度敛散结构和至少1个高度敛散结构；2.根据权利要求1所述的电池双极板，其特征在于，所述宽度敛散结构和所述高度敛散结构均包括：收缩段和扩张段。3.根据权利要求2所述的电池双极板，其特征在于，4.根据权利要求2所述的电池双极板，其特征在于，在所述宽度敛散结构中，收缩段和扩张段结构壁面与直流道段壁面的夹角在10°-80°之间，宽度收缩比k满足0.1≤k≤0.9。5.根据权利要求2所述的电池双极板，其特征在于，在所述高度敛散结构中，收缩段和扩张段结构顶面与直流道段壁面的夹角在1°-70°之间，高度收缩比k满足0＜k≤0.5。6.根据权利要求1所述的电池双极板，其特征在于，所述宽度敛散结构和高度敛散结构在同一流道上数目、位置、尺寸及周期相同或者不同，根据整板流场特性和性能要求而定。7.根据权利要求1所述的电池双极板，其特征在于，所述宽度敛散结构和高度敛散结构在不同流道上的数目、位置、尺寸及周期相同或者不同，根据整板流场特性和性能要求而定。8.根据权利要求1所述的电池双极板，其特征在于，所述宽度敛散结构和高度敛散结构不仅适应于平行直流场，同时还适用于蛇形流场、交指流场、渐缩流场的流场结构。9.一种燃料电池，其特征在于，包括：如权利要求1-8任一项所述的电池双极板。技术总结本发明提出一种新型燃料电池双极板及燃料电池，所述双极板的流道上设置有至少1个高度敛散结构和1个宽度敛散结构。宽度和高度敛散结构的收缩段与扩张段的形状及尺寸相同或者不同；同一流道及不同流道的宽度和高度敛散结构的数目、位置、尺寸及周期相同或者不同。宽度和高度敛散结构的形状、尺寸和布置需根据电池的水汽传输、热管理及功率密度要求进行设计，以达到最佳的反应气体分配、排水和散热性能。本发明基于流场整体结构优化的设计理念，根据燃料电池的性能需求灵活设计敛散结构的具体尺寸与布置方式，可显著增强燃料电池阴极板内反应气体分布均匀性，并有效减轻气体扩散层和气体通道中液态水的积累，提升燃料电池的传质效率和输出性能。技术研发人员：刘建胜,杨飞龙,彭宁强,黄纪绘,戴国南,穆亚龙,杨赞,熊君星受保护的技术使用者：南昌大学技术研发日：技术公布日：2024/8/16