本發(fā)明涉及應(yīng)用于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種有利于排水的燃料電池雙極板。

背景技術(shù)：

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種室溫啟動(dòng)快、高能量轉(zhuǎn)換效率的零排放發(fā)電裝置。質(zhì)子交換膜燃料電池可以作為多種形式的電源加以應(yīng)用，如移動(dòng)電源、便攜電源、車載電源甚至多種規(guī)模的固定式電站等。尤其是2015年，多家汽車制造巨頭紛紛推出了以質(zhì)子交換膜燃料電池提供動(dòng)力源的汽車，標(biāo)志著質(zhì)子交換膜燃料電池大規(guī)模應(yīng)用的時(shí)代拉開了帷幕。

作為處于提供能量核心地位的質(zhì)子交換膜燃料電池在運(yùn)行時(shí)，會(huì)在電池進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生水，而對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池而言，順利排出電化學(xué)反應(yīng)的生成水對(duì)于保證燃料電池穩(wěn)定、高效運(yùn)行的重要保證。如果在質(zhì)子交換膜燃料電池運(yùn)行過程中，電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的生成水沒有順利排出，勢(shì)必會(huì)在電池內(nèi)部產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)生成水的累積、匯聚，嚴(yán)重時(shí)，在局部區(qū)域會(huì)發(fā)生燃料電池膜電極被水淹的狀況。而這種狀況一旦發(fā)生，輕則降低燃料電池發(fā)電功率，重則造成燃料電池?zé)o法穩(wěn)定運(yùn)行甚至停車。因此，質(zhì)子交換膜燃料電池電化學(xué)生成水的順利排出，對(duì)于燃料電池的穩(wěn)定高效運(yùn)行是十分重要的。

為了使電化學(xué)反應(yīng)生成水排出，可以采用提高氣體流速辦法，如增加循環(huán)泵或提高氣體工作壓力的辦法；也可以采用親水材料安置于燃料電池流場(chǎng)內(nèi)，將電化學(xué)反應(yīng)生成水導(dǎo)出流場(chǎng)的辦法；或者采用表面處理的辦法，提高電池內(nèi)部零部件疏水性，使電化學(xué)反應(yīng)生成水更容易排出等等。這些方法在一定的條件下，可以提高燃料電池排出電化學(xué)反應(yīng)生成水的能力，但這些方法不可避免的需要增加部件、提高運(yùn)行能耗、增加燃料電池零件或者提高燃料電池的制造成本。

由于質(zhì)子交換膜燃料電池生成水順利排出十分重要，越來越多的排水方法應(yīng)用到燃料電池中。如本田公司提出的一種燃料電池中的簡(jiǎn)單排水結(jié)構(gòu)(中國專利申請(qǐng)?zhí)枺?01110419965.0)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有一定的排水效果，但是其不足也是顯而易見的：無法防止出現(xiàn)串氣現(xiàn)象，即雙極板流場(chǎng)中的氣體會(huì)從排水結(jié)構(gòu)中直接短路排出，不參加電化學(xué)反應(yīng)，造成燃料利用率的降低，尤其是在電池開始運(yùn)行初期，串氣現(xiàn)象尤為嚴(yán)重；另外，其排水槽對(duì)流場(chǎng)下部尤其是靠近排水槽處的生成水的排出有效果，但對(duì)于遠(yuǎn)離排水槽的流場(chǎng)中上部的生成水的排出效果，隨距離的增減，排水能力越來越弱，甚至沒有排水的能力。再如本田的另一個(gè)燃料電池的沖壓板中的排水結(jié)構(gòu)(中國專利申請(qǐng)?zhí)枺?01310093477.4)，其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的改進(jìn)，但上述第一個(gè)專利的問題依然沒 有根本改變。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供的一種有利于排水的燃料電池雙極板針對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池工作時(shí)，雙極板流場(chǎng)所在的平面垂直于水平面且燃料氣體、氧化劑氣體的流場(chǎng)進(jìn)出口位于雙極板流場(chǎng)兩側(cè)的燃料電池，提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的電化學(xué)反應(yīng)生成水的排出結(jié)構(gòu)，即在雙極板流場(chǎng)下部相鄰區(qū)域設(shè)置雙極板排水槽。該結(jié)構(gòu)與流場(chǎng)的溝槽、凸臺(tái)可以采用完全相同的的加工方法，完全可以一并加工出來；該結(jié)構(gòu)緊鄰燃料電池工作狀態(tài)下雙極板流場(chǎng)的下部，比雙極板流場(chǎng)長(zhǎng)度略長(zhǎng)而寬度非常小的長(zhǎng)方形區(qū)域，該區(qū)域面積與雙極板流場(chǎng)面積相比低于百分之二。該結(jié)構(gòu)對(duì)于高速流動(dòng)氣體的流體阻力比較高，而對(duì)于流速較低的燃料電池電化學(xué)反應(yīng)生成水的流體阻力非常低，可以忽略不計(jì)，即使調(diào)整雙極板板排水槽的寬度，排水槽依然能夠保持對(duì)高速氣體的阻力。因此，本發(fā)明的一種有利于排水的燃料電池雙極，在基本不降低能量轉(zhuǎn)換率的前提下，可以順利排出燃料電池電化學(xué)反應(yīng)生成水。

本發(fā)明的技術(shù)方案：針對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池工作時(shí)，雙極板流場(chǎng)所在的平面垂直于水平面且燃料氣體、氧化劑氣體的流場(chǎng)進(jìn)出口位于雙極板流場(chǎng)兩側(cè)的燃料電池，在流場(chǎng)底部相鄰的區(qū)域設(shè)置燃料電池雙極板排水槽。雙極板排水槽是長(zhǎng)度比雙極板流場(chǎng)的長(zhǎng)度略長(zhǎng)，而寬度非常小的長(zhǎng)方形區(qū)域。雙極板排水槽的上半部主要是導(dǎo)流槽，導(dǎo)流槽內(nèi)流體的方向與雙極板流場(chǎng)流體的方向垂直或呈一定的角度，同時(shí)導(dǎo)流槽凸臺(tái)的長(zhǎng)度自雙極板流場(chǎng)上游向雙極板流場(chǎng)的下游方向逐漸縮短，導(dǎo)流槽的長(zhǎng)度與雙極板流場(chǎng)的長(zhǎng)度相同；雙極板排水槽下半部主要是緩沖槽，緩沖槽的寬度自雙極板流場(chǎng)上游向雙極板流場(chǎng)的下游方向逐漸增加，與上述導(dǎo)流槽凸臺(tái)長(zhǎng)度逐漸縮短對(duì)應(yīng)，緩沖槽的長(zhǎng)度與雙極板流場(chǎng)的長(zhǎng)度相同；雙極板排水槽的導(dǎo)流槽與緩沖槽的下游設(shè)置排水口，同時(shí)將原有的氣體排出總管下沿向下延伸至與緩沖槽的底部齊平或略低，排水口作為緩沖槽與氣體排出總管的連接通道；雙極板排水槽的溢流臺(tái)設(shè)置于緩沖槽底部，位于緩沖槽的下游靠近排水口的位置；在雙極板流場(chǎng)流道凸臺(tái)的適當(dāng)位置上設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的橫向開口。

本發(fā)明的一種有利于排水的燃料電池雙極板的排水槽通過導(dǎo)流槽將燃料電池雙極板流場(chǎng)中的電化學(xué)反應(yīng)生成水收集并輸送到緩沖槽，之后通過排水口將電化學(xué)反應(yīng)生成水排出到氣體排出總管中。以下對(duì)本發(fā)明的一種有利于排水的燃料電池雙極板的排水過程詳細(xì)說明。

a.通過在雙極板流場(chǎng)流道凸臺(tái)的適當(dāng)位置上設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的橫向開口，使雙極板流場(chǎng)中的電化學(xué)反應(yīng)生成水在重力的作用下，向本發(fā)明的雙極板導(dǎo)流槽方向匯集；

b.由雙極板流場(chǎng)匯集而來的生成水進(jìn)入導(dǎo)流槽，在重力的驅(qū)動(dòng)下沿導(dǎo)流槽導(dǎo)流，向緩沖槽方向流動(dòng)。由于導(dǎo)流槽采用比雙極板流場(chǎng)更細(xì)密的溝槽和凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，因此，導(dǎo)流槽對(duì)于流場(chǎng)內(nèi)高速流動(dòng)的氣體而言，流體阻力顯著提高，而對(duì) 于流速非常低的電化學(xué)反應(yīng)生成水，其流體阻力非常低，可以忽略不計(jì)。從而使電化學(xué)反應(yīng)生成水順利通過導(dǎo)流槽，而氣體難于通過導(dǎo)流槽；

c.導(dǎo)流槽內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)生成水在重力的驅(qū)動(dòng)下流入緩沖槽，緩沖槽的上下游與雙極板流場(chǎng)的上下游是一致的，緩沖槽在接受電化學(xué)反應(yīng)生成水后，水位不斷升高，從而在重力的推動(dòng)下，生成水向水位更低的排水口方向移動(dòng)，越向下游匯集的生成水越多，因此越向下游，緩沖槽的寬度也越大，而相應(yīng)的導(dǎo)流槽凸臺(tái)的長(zhǎng)度越向下游越短，從結(jié)構(gòu)上保證有利于排水；

d.緩沖槽中電化學(xué)反應(yīng)生成水不斷匯集，水位不斷升高，在重力的推動(dòng)下，生成水向水位更低的排水口流動(dòng)，通過排水口流入氣體排出總管。

另外，在緩沖槽底部位于靠近排水口的下游，設(shè)置了一個(gè)溢流臺(tái)。該溢流臺(tái)的主要功能是在燃料電池剛剛開始工作并開始產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)生成水的時(shí)候，與導(dǎo)流槽配合，在緩沖槽內(nèi)盡快形成一個(gè)較低的水位，該水位與導(dǎo)流槽共同在導(dǎo)流槽的上游形成一個(gè)水封，防止氣體從導(dǎo)流槽的上游進(jìn)入緩沖槽內(nèi)，避免在該時(shí)段在雙極板排水槽處發(fā)生串氣現(xiàn)象。

本發(fā)明的一種有利于排水的燃料電池雙極的排水槽的導(dǎo)流槽在溝槽、凸臺(tái)的設(shè)置上，除保證適當(dāng)?shù)募?xì)密配置的前提下，通過調(diào)整導(dǎo)流槽內(nèi)流體流動(dòng)方向與雙極板流場(chǎng)流體流動(dòng)方向的角度，進(jìn)一步提高高速氣體進(jìn)入導(dǎo)流槽的流體阻力，使高速氣體難于通過本發(fā)明的雙極板排水槽。更進(jìn)一步，甚至可以將導(dǎo)流槽凸臺(tái)設(shè)置成為人字形凸臺(tái)，使高速氣體的流體阻力更高。

最后，在雙極板流場(chǎng)流道凸臺(tái)上設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的橫向開口，橫向開口設(shè)置的位置和數(shù)量可以采用如下的方式：

i.所有的流場(chǎng)凸臺(tái)在相同的位置，以相同的間距開設(shè)同樣數(shù)量的橫向開口；

ii.流場(chǎng)凸臺(tái)自上而下，以起始位置漸次后移(或者前移)的方式，設(shè)置間距相同的橫向開口；

iii.流場(chǎng)凸臺(tái)自上而下，布置數(shù)量漸次增多的均布的橫向開口。

本發(fā)明的一種有利于排水的燃料電池雙極的排水槽可用于多種材質(zhì)和結(jié)構(gòu)形式的質(zhì)子膜燃料電池雙極板的排水結(jié)構(gòu)，如復(fù)合雙極板(多種材料構(gòu)成的雙極板，下同)、石墨雙極板、沖壓雙極板等，其加工方法簡(jiǎn)單并與其它的零件相同。尤其當(dāng)石墨雙極板、沖壓雙極板采用本發(fā)明所述的雙極板排水槽時(shí)，所使用的材料一致，加工方法一致。

附圖說明

圖1未設(shè)置排水槽的雙極板(含電化學(xué)反應(yīng)生成水匯聚示意圖)；

圖2設(shè)置排水槽的雙極板；

圖3雙極板排水槽局部視圖；

圖4排水槽的導(dǎo)流槽凸臺(tái)傾斜設(shè)置的雙極板；

圖5排水槽的導(dǎo)流槽設(shè)置人字形凸臺(tái)的雙極板；

圖6自上而下起始位置漸次后移來設(shè)置間距相同的橫向開口的雙極板；

圖7橫向開口加寬的雙極板；

示意圖說明：1-燃料氣體排出總管；2-冷卻劑進(jìn)口總管；3-氧化劑氣體進(jìn)口總管；4-燃料氣體或氧化劑氣體的流場(chǎng)進(jìn)口；5-燃料氣體進(jìn)口總管；6-冷卻劑排出總管；7-氧化劑氣體排出總管)；8-燃料氣體或氧化劑氣體的流場(chǎng)出口；9-電化學(xué)反應(yīng)生成水；10-雙極板流場(chǎng)；11-雙極板排水槽；12-導(dǎo)流槽；13-雙極板流場(chǎng)流道凸臺(tái)橫向開口；14-導(dǎo)流槽的溝槽；15-導(dǎo)流槽的凸臺(tái)；16-緩沖槽；17-溢流臺(tái)；18-排水口；19-雙極板流場(chǎng)溝槽；20-雙極板流場(chǎng)凸臺(tái)；21-密封槽。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的一種有利于排水的燃料電池雙極板的排水槽做進(jìn)一步具體說明。

采用本發(fā)明的一種有利于排水的燃料電池雙極板，排水槽寬度為4毫米，導(dǎo)流槽溝槽寬度為0.6毫米，導(dǎo)流槽凸臺(tái)寬度為0.8毫米，導(dǎo)流槽凸臺(tái)長(zhǎng)度按照雙極板流場(chǎng)上游向下游的方向由3毫米逐步遞減至2毫米；而緩沖槽按照雙極板流場(chǎng)上游向下游的方向由1毫米逐步遞增至2毫米；溢流臺(tái)設(shè)置在緩沖槽底部正對(duì)導(dǎo)流槽下游最后一個(gè)溝槽，高度為0.8毫米，寬度為1.5毫米；導(dǎo)流槽、緩沖槽長(zhǎng)度與雙極板流場(chǎng)一致；氣體排出總管下沿延伸至與導(dǎo)流槽底部齊平；導(dǎo)流槽、緩沖槽與氣體排出總管之間設(shè)置為排水口。導(dǎo)流槽采用與雙極板流場(chǎng)一致的材料和加工方法；而溢流臺(tái)、排水口采用與雙極板邊框相同的材料和加工方法。具體見圖2、圖3。

采用本發(fā)明的一種有利于排水的燃料電池雙極板的第二個(gè)實(shí)施例，與上述第一個(gè)實(shí)施例基本相同。主要的不同在于其導(dǎo)流槽的凸臺(tái)采用傾斜的方式設(shè)置，以進(jìn)一步提高本發(fā)明的雙極板排水槽對(duì)高速氣體的流體阻力，而對(duì)于低速流動(dòng)的電化學(xué)反應(yīng)生成水的流體阻力幾乎不變。具體見圖4。

采用本發(fā)明的一種有利于排水的燃料電池雙極板的第三個(gè)實(shí)施例，是上述第二個(gè)實(shí)施例的基礎(chǔ)上調(diào)整導(dǎo)流槽的凸臺(tái)為人字形凸臺(tái)，使本發(fā)明的雙極板排水槽對(duì)高速流動(dòng)的氣體的流體阻力更進(jìn)一步提高，而對(duì)低速流動(dòng)的電化學(xué)反應(yīng)生成水的流體阻力幾乎不增加。具體見圖5。

采用本發(fā)明的一種有利于排水的燃料電池雙極板的第四個(gè)實(shí)施例，是在第二個(gè)實(shí)施例的基礎(chǔ)上，對(duì)雙極板流場(chǎng)凸臺(tái)的橫向開孔位置進(jìn)行調(diào)整，使橫向開孔由上下一致調(diào)整為自上而下，起始位置漸次后移的方式，設(shè)置間距相同的橫向開口。調(diào)整的目的在于使電化學(xué)反應(yīng)生成水更順利的匯集到雙極板排水槽中。具體見圖6。

采用本發(fā)明的一種有利于排水的燃料電池雙極板的第五個(gè)實(shí)施例，是在第一個(gè)實(shí)施例的基礎(chǔ)上，對(duì)雙極板流場(chǎng)凸臺(tái)的橫向開孔尺寸進(jìn)行調(diào)整，通過增大雙極板流場(chǎng)凸臺(tái)的橫向開孔尺寸，使電化學(xué)反應(yīng)生成水更順利的匯集到雙極板排水槽中。具體見圖7。

上述實(shí)施例同理可以實(shí)現(xiàn)在石墨雙極板、沖壓雙極板中的應(yīng)用，達(dá)到同樣的排出電化學(xué)反應(yīng)生成水的效果，并且由于采用本發(fā)明的一種有利于排水的燃料電池雙極板的排水槽可以采用與石墨雙極板或沖壓雙極板相同的材料及加工方 法，實(shí)施更簡(jiǎn)便。

上面描述了一種燃料電池雙極板的排水結(jié)構(gòu)，本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)可以理解，所述僅僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，并非用于限制本發(fā)明。凡是本發(fā)明的精神及原則內(nèi)所做的任何修改、尺寸結(jié)構(gòu)的縮放、等同替換或者改進(jìn)，均應(yīng)包含在本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。