一种氢燃料电池双极板的梯度有序化多孔流场结构

本发明涉及燃料电池，特别是一种燃料电池双极板的微单元体结构及有序化多孔流场结构。

背景技术：

1、氢能作为一种新型绿色能源，因较高的能量密度、产物无污染等优点，被视为未来能源架构的重要组成部分。质子交换膜燃料电池是一种可直接将氢气中的化学能转化为电能的装置，其工作产物仅有水，是一种清洁高效的能源装置。质子交换膜由质子交换膜、催化层、气体扩散层及双极板组成。其中双极板作为质子交换膜燃料电池的关键部件，占总体重量的40％～80％及总成本的30％～40％，为了进一步提升燃料电池的功率密度，双极板结构的设计优化贡献约占20％。双极板的主要功能为传输反应气体、排出生成物、收集电流、支撑燃料电池组。反应气体由双极板的进气口进入流场结构内并向气体扩散层、催化层扩散，生成的水以及未反应的气体通过排气口排出，因此双极板内的流场结构直接影响反应气体的供应问题，进而直接影响燃料电池的整体工作效率。

2、传统的流场板的流场结构主要是沟脊结构，如平行流道和蛇形流道等。沟脊结构的流场一般具有特征简单，加工方便等优点，但是其简单的结构也会导致反应气体分布不均，液态水堵塞等传质问题，造成燃料电池性能下降。高孔隙率的多孔结构材料如金属泡沫是另一种有前途的流场结构，多孔结构流场因其高孔隙率特征显著提高了流场内反应气体的传输空间，从而提升了流场的传质能力。但是一般的金属泡沫流场也存在着诸多问题，例如高孔隙率导致其与扩散层的接触面积较小，接触电阻偏高；金属泡沫结构的各向同性导致泡沫内部容易出现流动死区，气体分布均匀性较差；不规则的泡沫结构可能会增大气体和液体流动阻力等问题。

3、在背景技术部分中公开的所述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、针对所述现有技术存在的不足或缺陷，提供了一种燃料电池双极板的微单元体结构及有序化多孔流场结构，促进反应气体的供应以及均匀分布，减小流场结构与气体扩散层的接触电阻，降低气体以及液态水在流场内的流动阻力，最终使得燃料电池的功率密度得到提升。

2、本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

3、一种燃料电池双极板的微单元体结构具有正方体的外部轮廓，微单元体结构包括，

4、实心正方体，其位于微单元体结构的正中心处；

5、八个八分之一球体，其分别设于所述正方体的外部轮廓的八个角上；

6、八个圆柱，所述圆柱一端连接实心正方体，另一端连接所述八分之一球体。

7、所述的燃料电池双极板的微单元体结构中，所述八分之一球体的球表面朝向所述实心正方体。

8、所述的燃料电池双极板的微单元体结构中，所述微单元体结构的几何参数可变以得到具有不同的孔隙率的微单元体结构，所述几何参数包括微单元体结构的外部轮廓大小、八分之一球体的直径、所述圆柱直径以及所述实心正方体边长。

9、所述的燃料电池双极板的微单元体结构中，所述微单元体结构为中心对称结构。

10、所述的燃料电池双极板的微单元体结构中，所述微单元体结构的正方体的外部轮廓为毫米级。

11、一种燃料电池双极板的有序化多孔流场结构经由多个所述的燃料电池双极板的微单元体结构排列组合。

12、所述的燃料电池双极板的有序化多孔流场结构中，有序化多孔流场结构为矩形结构。

13、所述的燃料电池双极板的有序化多孔流场结构中，还包括将反应气体导入的反应气体进口以及排出反应气体进口的反应气体出口，反应气体进口与反应气体出口设置在矩形结构的对角方向。

14、所述的燃料电池双极板的有序化多孔流场结构中，有序化多孔流场结构为燃料电池阴极流场，燃料电池阴极流场通过微单元体结构中的八分之一球体的断截面与气体扩散层以及双极板接触。

15、所述的燃料电池双极板的有序化多孔流场结构中，燃料电池双极板的有序化多孔流场结构同时采用多种具有不同几何参数的微单元体结构共同组成，有序化多孔流场结构的中心部分由孔隙率最低的微单元体结构，之后由孔隙率逐渐增加的微单元体结构向外扩展构成整个流场，使得有序化多孔流场结构整体呈现出由流场内部区域向流场外部区域孔隙率递增的梯度化多孔结构。

16、与现有技术相比，本发明带来的有益效果为：

17、本发明的微单元体的结构设计增大了流场与气体扩散层的接触面积，有效减小了燃料电池的欧姆损失；有序化的多孔结构有效减少了反应气体与液态水在流场内运动的阻力，有利于减小燃料电池系统的寄生功率并避免燃料电池在高功率密度下水淹现象；由流场内部向流场外部孔隙率递增的梯度化设计有效提升了反应气体在流场内的分布均匀性，从而解决了传统流场结构经常面临的反应气体分布不均所带来的局部供气不足或是局部水淹等问题。

18、所述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的所述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

技术特征：

1.一种燃料电池双极板的微单元体结构，其特征在于，其具有正方体的外部轮廓，微单元体结构包括，

2.如权利要求1所述的燃料电池双极板的微单元体结构，其特征在于，优选的，所述八分之一球体的球表面朝向所述实心正方体。

3.如权利要求1所述的燃料电池双极板的微单元体结构，其特征在于，所述微单元体结构的几何参数可变以得到具有不同的孔隙率的微单元体结构，所述几何参数包括微单元体结构的外部轮廓大小、八分之一球体的直径、所述圆柱直径以及所述实心正方体边长。

4.如权利要求1所述的燃料电池双极板的微单元体结构，其特征在于，所述微单元体结构为中心对称结构。

5.如权利要求1所述的燃料电池双极板的微单元体结构，其特征在于，所述微单元体结构的正方体的外部轮廓为毫米级。

6.一种燃料电池双极板的有序化多孔流场结构，其特征在于，其经由多个如权利要求1-5中任一项所述的燃料电池双极板的微单元体结构排列组合。

7.如权利要求6所述的燃料电池双极板的有序化多孔流场结构，其特征在于，有序化多孔流场结构为矩形结构。

8.如权利要求7所述的燃料电池双极板的有序化多孔流场结构，其特征在于，还包括将反应气体导入的反应气体进口以及排出反应气体进口的反应气体出口，反应气体进口与反应气体出口设置在矩形结构的对角方向。

9.如权利要求7所述的燃料电池双极板的有序化多孔流场结构，其特征在于，有序化多孔流场结构为燃料电池阴极流场，燃料电池阴极流场通过微单元体结构中的八分之一球体的断截面与气体扩散层以及双极板接触。

技术总结公开了一种燃料电池双极板的微单元体结构及有序化多孔流场结构，微单元体结构具有正方体的外部轮廓，微单元体结构包括，实心正方体，其位于微单元体结构的正中心处；八个八分之一球体，其分别设于所述正方体的外部轮廓的八个角上；八个圆柱，所述圆柱一端连接实心正方体，另一端连接所述八分之一球体，有序化多孔流场结构由多个微单元体结构线性排列构成，并且通过在流场不同区域调控微单元体的几何参数形成梯度化构造流场。相比于现有金属多孔结构流场，本发明进行了有序化设计以及梯度化布局的优化，有效降低了多孔流场与气体扩散层的接触电阻，并且优化了反应气体分布的均匀性，从而进一步提升了燃料电池的功率密度。技术研发人员：王学亮,吴宇浩,屈治国,屈婷,陈雅图受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4