一种燃料电池变截面台阶形流道的金属双极板制造技术

本发明专利技术涉及一种燃料电池变截面台阶形的金属双极板，为解决金属双极板直线型流道气体扩散效率低、排水性差、电流密度分布不均等问题，提出一种燃料电池变截面台阶形流道的金属双极板结构，氧气流道和氢气流道槽底均呈台阶形，所述每条氧气流道和氢气流道均包括m个台阶；所述各个氧气流道深度从阴极单极板的外侧流道到中间流道呈逐渐增大特征，各个氢气流道深度从阳极单极板的外侧流道到中间流道呈逐渐减小特征；从流道入口到出口方向，所述氧气、氢气流道各台阶深度逐级减小，相邻两级台阶深度的差值相同；所述氧气、氢气流道垂直于气流方向各截面大小不同。本发明专利技术可有效提高后段流道的气体扩散性和电流密度的均匀性，并提高排水性能。

A kind of metal bipolar plate with variable cross section and stepped flow channel for fuel cell

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池变截面台阶形流道的金属双极板
本专利技术涉及一种燃料电池变截面台阶形流道的金属双极板，它属于燃料电池

技术介绍
作为一种将氢化学能直接转化为电能的发电装置，金属双极板质子交换膜燃料电池的发电效率高于50％，且燃料反应发电的唯一产物是水，是一种环境友好型的供能装置。同时具有启动快、工作温度低、噪声小等特点，是未来汽车等行业的理想功能装置。双极板作为燃料电池核心部件，在整个电堆的质量和成本上占有很大比重。双极板的作用是用以隔离并分配反应气、收集并导出电流、串联各单电池以及支撑整个电堆结构等功能，所以对双极板的导热性、导电性、耐蚀性、机械强度、成本和加工难易程度有了一定的要求。金属双极板上形成的阴极流场与阳极流场的结构直接影响反应气的分布，而金属双极板上形成的冷却介质流场的结构直接影响冷却介质的分布。现有流道多采用直线型流道，如专利授权公布号CN106571472B公开的直线型渐变流道，这种流道具有加工制造性能好，各个流道内反应性能一致的优点，但相比其他复杂流道形式，存在流速不足，反应气扩散效率低，不利电池的电流密度，影响电池性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池变截面台阶形流道的金属双极板，包括阳极单极板和阴极单极板，阳极单极板外侧设有氢气流道，阴极单极板外侧设有氧气流道，氢气流道和氧气流道均包括n条平行的直线型流道，阴极单极板与阳极单极板凸凹对称，其特征在于：所述氧气流道和氢气流道槽底均呈台阶形，每条氧气流道和氢气流道均包括m个台阶；所述各个氧气流道深度从阴极单极板的外侧流道到中间流道呈逐渐增大特征，而各个氢气流道深度从阳极单极板的外侧流道到中间流道呈逐渐减小特征；从流道入口到出口方向，所述氧气流道和氢气流道各台阶深度逐级减小，相邻两级台阶深度的差值相同；所述氧气流道特征还包括：氧气流道深度、氧气流道槽底宽度、氧气流道各级台阶拔模角...

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池变截面台阶形流道的金属双极板，包括阳极单极板和阴极单极板，阳极单极板外侧设有氢气流道，阴极单极板外侧设有氧气流道，氢气流道和氧气流道均包括n条平行的直线型流道，阴极单极板与阳极单极板凸凹对称，其特征在于：所述氧气流道和氢气流道槽底均呈台阶形，每条氧气流道和氢气流道均包括m个台阶；所述各个氧气流道深度从阴极单极板的外侧流道到中间流道呈逐渐增大特征，而各个氢气流道深度从阳极单极板的外侧流道到中间流道呈逐渐减小特征；从流道入口到出口方向，所述氧气流道和氢气流道各台阶深度逐级减小，相邻两级台阶深度的差值相同；所述氧气流道特征还包括：氧气流道深度、氧气流道槽底宽度、氧气流道各级台阶拔模角度、氧气流道壁与氧气流道槽底在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角、氧气流道壁与氧气流道顶部在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角，所述氢气流道特征还包括：氢气流道深度、氢气流道槽底宽度、氢气流道各级台阶拔模角度、氢气流道壁与氢气流道槽底在竖直YOZ坐标平面投影形成的夹角、氢气流道壁与氢气流道顶部在竖直YOZ坐标平面投影形成的夹角，所述氧气、氢气流道垂直于气流方向各截面大小不同，上述特征按如下模型确定：
1)氧气流道深度yi(x,z)按如下模型确定：



公式(1)中：hi1为阴极流场第i条氧气流道坐标(x,z)为(0,0)处的流道深度；Δh为同一条氧气流道坐标x＝0处与坐标x＝l处氧气流道深度的差值；l为每级台阶的长度，取值范围为50mm到100mm；i为氧气流道编号，阴极流场各氧气流道从1到n依次编号，编号为1和n的流道位于阴极流场两边最外侧；j为台阶编号，每条氧气流道的台阶从1到m依次编号，m＞3，编号为1的台阶位于氧气流道入口处，编号为m的台阶位于氧气流道出口处，j与x的关系式可以用向下取整函数表示，其表示j为不大于的最大整数；a和b为每级台阶的幅值系数，a∈[-1,1]，b∈[0,0.3]，自变量x∈[0,L]，L为流道全长，L＝lm，w2(x)为距离氧气流道入口x处的氧气流道槽底宽度；
2)距离氧气流道入口x处的氧气流道槽底宽度w2(x)按如下模型确定：



公式(2)中：w2为氧气流道入口处的槽底宽度，其值范围是0.9mm到1.8mm；θ为氧气流道槽底与氧气流道壁交线所成的角；
3)氧气流道各级台阶拔模角αi(x)、氧气流道壁与氧气流道槽底在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角γi(x)、氧气流道壁与氧气流道顶部在竖直yoz坐标平面投影形成的夹角βi(x)按如下模型确定：



公式(3)中：w1为氧气流道入口处的顶部宽度，w1＝w2+0.2；yi(x,w2(x))为第i条氧气流道坐标(x,w2(x))处的流道深度；
4)氢气流道深度Yp(X,Z)按如下模型确定：



公式(4)中：Hp1为阳极流场第p条氢气流道坐标(X,Z)为(0,0)处的流道深度；ΔH为同一条氢气流道坐标X＝0处与坐标X＝l处氢气流道深度的差值，ΔH与Δh相等；l为每级台阶的长度；p为氢气流道编号，阳极流场氢气流道从1到p依次编号，编号为1和p的流道位于阳极流场两边最外侧；q为台阶编号，每条氢气流道的台阶从1到q依次编号，q＞3，编号为1的台阶位于氢气流道入口处，编号为q的台阶位于氢气流道出口处，q与X的关系式可以用向下取整函数表示，其表示q为不大于的最大整数；a和b为每级台阶的幅值系数，自变量X∈[0,L]，L为流道全长，w2(X)为距离氢气流道入口X处的氢气流道槽底宽度；
所述距离氢气流道入口X处的氢气流道槽底宽度w2(X)的计算公式和距离氧气流道入口x处的氧气流道槽底宽度w2(x)的计算公式除自变量以外均相同，其中自变量在氢气流道中表示的意义对应地和在氧气流道中表示的意义相同；
所述氢气流道各级台阶拔模角αp(X)的计算公式和氧气流道各级台阶拔模角αi(x)的计算公式除自变量以外均相同，其中自变量在氢气流道中表示的意义对应地和在氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵富强，祁慧青，黄庆学，张彦雷，丁小凤，王宏伟，范晓宇，贾彦奎，
申请(专利权)人：太原科技大学，太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14