氢燃料电池可控形变双极板及流道结构动态调控方法技术

本发明专利技术公开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。该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。本发明专利技术能够实现“一板三流场”结构，即将阳极反应物流场、阴极反应物流场和冷却液流场统一，且PMDS介电膜及其柔性球突具有较好的弹性模量，能使双极板流场结构发生可控形变，提高燃料电池排水、散热性能，强化燃料电池传质效果。质效果。质效果。

【技术实现步骤摘要】
氢燃料电池可控形变双极板及流道结构动态调控方法


[0001]本专利技术属于氢燃料电池零件
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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
技术介绍
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。
[0006]本专利技术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。
[0007]在本专利技术一较佳实施例中，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。
[0008]在本专利技术一较佳实施例中，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。
[0009]在本专利技术一较佳实施例中，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。
[0010]在本专利技术一较佳实施例中，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。
[0011]在本专利技术一较佳实施例中，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。
[0012]在本专利技术一较佳实施例中，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。
[0013]在本专利技术一较佳实施例中，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。
[0014]在本专利技术一较佳实施例中，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。
[0015]在本专利技术一较佳实施例中，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。
[0016]在本专利技术一较佳实施例中，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。
[0017]在本专利技术一较佳实施例中，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。本专利技术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。
[0018]本专利技术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。
[0019]在本专利技术一较佳实施例中，还设置有控制模块，动态调控方法包括以下步骤：
[0020]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；
[0021]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；
[0022]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；
[0023]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。
[0024]本技术方案与
技术介绍
相比，它具有如下优点：
[0025]1.本专利技术将阴极反应物流场、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；
[0026]2.本专利技术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；
[0027]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；
[0028]4.本专利技术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；
[0029]5.本专利技术的控制方法：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
[0030]图1为实施例1阳极本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢燃料电池可控形变双极板，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池可控形变双极板，其特征在于：所述PMDS介电膜的厚度为100μm～200μm，所述柔性球突的球突高度为0.1～0.2mm。3.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池可控形变双极板，其特征在于：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。4.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池可控形变双极板，其特征在于：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。5.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池可控形变双极板，其特征在于：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。6.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池可控形变双极板，其特征在于：所述阴极板体的厚度为0.4mm
‑
0.5mm，所述贯通流道宽度与深度比为1～1.5。7.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池可控形变双极板，其特征在于：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。8.根据权利要求7所述的一种氢燃料电池可控形变双极板，其特征在于：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。9.根据权利要求8所述的一种氢燃料电池可控形变双极板，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：周伟，刘荣康，朱鑫宁，连云崧，朱政超，凌伟淞，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：