双极板及质子交换膜燃料电池的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种双极板及质子交换膜燃料电池。


背景技术：

2.燃料电池作为一种新的高能量密度、高能量转化率、环保型的电源装置而受到全世界的广泛关注，质子交换膜燃料电池为其中一种。
3.质子交换膜燃料电池的核心部件之一为双极板，双极板具有流道，其功能是为电化学反应提供介质(包括空气和氢气)，并将反应过程中产生的水排出流道外。双极板的流道结构对燃料电池的发电性能影响较大。
4.常见双极板的流道形状多为直线型结构，或者波浪形结构，或者蛇形结构，排水能力不理想，影响燃料电池的发电性能和稳定性。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种双极板及质子交换膜燃料电池，该双极板通过对其流道形状进行改进，提升了排水能力，改善了燃料电池内部水热状态，提高了燃料电池的发电性能。
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种双极板，包括若干相互平行的流道，沿所述流道的延伸方向，所述流道包括多个呈曲线形状的流道单元，至少部分所述流道单元的曲线形状为最速降线形式，且每个所述流道单元的弯曲方向一致。
7.本发明提供的双极板，沿着流道的延伸方向，流道包括多个流道单元，将其中至少部分流道单元的曲线形状设计为最速降线形式，如此，与现有的流道形状相比，液体在呈最速降线形式的流道单元内的流动速度比较快，特别是在双极板处于竖直状态放置时，在应用于质子交换膜燃料电池后，能够有效改善燃料电池内部的水热状态，排水能力提升，从而提高燃料电池的发电性能。
8.如上所述的双极板，每个所述流道单元的曲线形状都为最速降线形式。
9.将每个流道单元都设计为最速降线形式，能够更大程度地提高液体在流道内的流动速度，进一步提升燃料电池的排水能力和发电性能。
10.如上所述的双极板，各所述流道单元的中心线的最速降线方程的半径参数均一致。
11.如上所述的双极板，所述流道单元包括第一流道单元和第二流道单元；沿着所述流道的延伸方向，所述第一流道单元和所述第二流道单元交替排布；
12.所述第一流道单元的中心线的最速降线方程的半径参数为第一半径，所述第二流道单元的中心线的最速降线方程的半径参数为第二半径，所述第一半径与所述第二半径不同。
13.如上所述的双极板，沿所述流道的延伸方向，各所述流道单元的中心线的最速降线方程的半径参数逐渐增大，或者先增大后减小。
14.如上所述的双极板，所述半径参数的最大值为2mm，最小值为1mm。
15.如上所述的双极板，相邻两个所述流道单元的所述半径参数的差值为0.1mm。
16.如上所述的双极板，所述流道单元的中心线的最速降线方程的半径参数在0.1～10mm范围内选取，或者，所述流道单元的中心线的最速降线方程的半径参数为所述流道的宽度的0.1～10倍。
17.如上所述的双极板，各所述流道单元的中心线的最速降线方程的角度参数一致；或者，沿着所述流道的延伸方向，各所述流道单元的中心线的最速降线方程的角度参数逐渐增大，或者先增大后减小。
18.如上所述的双极板，所述流道单元的中心线的最速降线方程的角度参数的取值为90
‑△
θ度至90+
△
θ度，其中，
△
θ在45～90度范围内选取。
19.如上所述的双极板，所述双极板为金属或石墨或复合材料双极板；和/或，所述双极板的所述流道通过冲压成型或机加工成型或模压成型或注塑成型。
20.本发明还提供一种质子交换膜燃料电池，包括质子交换膜和设于所述质子交换膜两侧的双极板，所述双极板为上述任一项所述的双极板，所述双极板的板面处于非水平状态。
21.由于上述双极板具有上述技术效果，所以包括该双极板的质子交换膜燃料电池也具有相同的技术效果，此处不再重复论述。
附图说明
22.图1为最速降线示意图；
23.图2为本发明所提供第一实施例的双极板的结构示意图；
24.图3为第一实施例中双极板的平面示意图；
25.图4为本发明所提供第二实施例的双极板的结构示意图；
26.图5为第二实施例中双极板的平面示意图；
27.图6为本发明所提供第三实施例的双极板的结构示意图；
28.图7为第三实施例中双极板的平面示意图；
29.图8为普通流道的双极板与最速降线流道的双极板的液态水流速的对比示意图；
30.图9为普通流道的双极板与最速降线流道的双极板的排水时间的对比示意图。
31.附图标记说明：
32.双极板10；
33.流道11a，流道单元111a，第一过渡壁112a，第二过渡壁113a；
34.流道11b，第一流道单元111b，第二流道单元112b；
35.流道11c，流道单元一111c，流道单元二112c，流道单元三113c，流道单元四114c，流道单元五115c。
具体实施方式
36.为便于理解和描述简洁，下文结合双极板及具有该双极板的质子交换膜燃料电池一并说明，有益效果部分不再重复论述。
37.质子交换膜燃料电池包括质子交换膜和设于质子交换膜两侧的双极板，双极板上
设有流道结构，具有为电化学反应提供介质，并将反应过程中产生的水排出流道外的功能，双极板流道结构的设置与燃料电池的发电性能相关。
38.本文重点对双极板的流道做了改进，双极板包括若干相互平行的流道，对于一个双极板来说，其上设置的流道的数目与其实际应用需求和设计相关，此处不做限定，即前述若干是指数量不确定，可以为一个或两个或三个或更多个。沿着流道的延伸方向，可将流道分为多个呈曲线形状的流道单元，各流道单元的弯曲方向一致，即各流道单元的都朝一个方向凸出或者凹陷，在这些流道单元中，至少有部分流道单元(比如只一个或几个流道的至少部分流道单元，或者每个流道的至少部分流道单元)的曲线形状为最速降线形式，可以简单理解为这些流道单元的中心线符合最速降线方程。
39.最速降线也称摆线或者圆滚线，可理解为一个圆在一条直线上做纯滚动时，圆周上的一个点所形成的轨迹，可参考图1理解，最速降线方程可用下述公式描述：
40.x＝r(θ
‑
sinθ)
41.y＝r(1
‑
cosθ)
42.其中，r为该圆的半径，θ为这个圆滚过的角度，可以理解最速降线的具体形状与半径参数r和角度参数θ相关。
43.最速降线的物理意义在于在同一铅直线上的两个点a、b，在所有连接a和b的平面曲线中，仅受重力作用且初速度为零的质点从a点到b点沿这条曲线运动时所需时间最短。基于此，将双极板的流道的至少部分流道单元设计为最速降线的形状，有利于提高双极板的排液速度。
44.实际设置时，双极板的每个流道的各流道单元均设计为最速降线形式，相对来说，能够更大程度地提升双极板的排液速度，下面就以此结合附图说明双极板的流道的各流道单元均为最速降线形式的几种实施例，可以理解，只将双极板的部分流道单元设计为最速降线形式时，其最速降线形式的流道单元的具体形状也可参照下述实施例相关设置，不再赘述。
45.请参考图2和图3，图2为本发明所提供第一实施例的双极板的结构示意图；图3为第一实施例中双极板的平面示意图。
46.该实施例中，双极板10包括若干相互平行的流道11a，每个流道11a的结构相同。
47.流道11a包括两条平行的流道壁部，在两个流道壁部之间形成供流体流动的区域，可以理解，流道11a的形状与流道壁部的形状相关，即流道壁部的形状决定了流道11a的形状。
48.在图3所示方位中，每个流道11a的延伸方向为图中的左右方向，每个流道11a在其延伸方向上包括多个流道单元111a，每个流道单元111a为形状相同的最速降线。为方便表述，每个流道单元111a以其中心线的最速降线方程的相关参数来说明该流道单元111a的具体最速降线形状。
49.在图2和图3所示实施例中，每个流道单元111a的中心线的最速降线方程的半径参数均一致，角度参数也均一致。
50.图3中在图示最下方的流道11a中标记了三个连续的流道单元111a，每个流道单元111a包括两个波峰和一个波谷，以此可以理解每个流道11a的结构设置。
51.具体设置时，相邻两个流道单元111a的壁部在衔接处以圆滑的曲线过渡连接，同
样以图3中最下方的流道11a为例，靠近上方的流道壁部的衔接处的第一过渡壁112a呈圆弧状，靠近下方的流道壁部的衔接处的第二过渡壁113a也呈圆弧状，为确保流道单元111a对应的两个流道壁部的最速降线形状的参数相同，第一过渡壁112a的圆弧长度与第二过渡壁113a的圆弧长度不同，当然，实际设置时均可根据需要调整。
52.图中，流道单元111a的中心线的最速降线方程的半径参数r选取为1mm。
53.在其他的实施例中，流道单元111a的中心线的最速降线方程的半径参数r可以在0.1～10mm范围内选取，或者，可以设为流道11a的宽度的0.1～10倍。
54.流道单元111a的中心线的最速降线方程的角度参数θ的范围为90
‑△
θ度至90+
△
θ度，其中，
△
θ在45～90度范围内选取，也就是说，角度参数θ的范围一般以90度为中心取左右对称，比如说30～150度，或者0～180度，或者45～135度等，这样得到的流道单元111a的形状也是对称的，当然，不这样选取也是可行的。
55.实际应用时，可根据双极板10的流场区域形状等结合实际需求情况，通过仿真或者实验来确定半径参数r和角度参数θ的具体值。
56.图3所示示例中，从上至下，双极板10的各流道11a的各流道单元111a的位置对应，可以理解，实际设置时，各流道11a的流道单元111a可以错位设置，不限于图中所示。
57.请参考图4和图5，图4为本发明所提供第二实施例的双极板的结构示意图；图5为第二实施例中双极板的平面示意图。
58.该实施例中，双极板10的每个流道11b包括第一流道单元111b和第二流道单元112b，沿流道11b的延伸方向，第一流道单元111b和第二流道单元112b交替排布，其中，第一流道单元111b的中心线的最速降线方程的半径参数为第一半径r1，第二流道单元112b的中心线的最速降线方程的半径参数为第二半径r2，第一半径r1为1mm，第二半径r2为1.5mm，即第一半径r1与第二半径r2不同设置。
59.在其他实施例中，第一半径r1和第二半径r2的取值也可在前述第一实施例中所提及的范围内选取，当然，也可根据实际需求来设定。
60.在此基础上，在其他变形例中，流道可以包括半径参数值不同的三个或更多个流道单元，这些流道单元作为一个流道单元组，在流道的延伸方向上排布。
61.图4和图5所示示例中，第一流道单元111b的中心线的最速降线方程的角度参数与第二流道单元112b的中心线的最速降线方程的角度参数的取值范围一样，在其他实施例中，两者可以不同设置。角度参数的取值范围也可参考前述第一实施例中提及的范围。
62.请参考图6和图7，图6为本发明所提供第三实施例的双极板的结构示意图；图7为第三实施例中双极板的平面示意图。
63.该实施例中，沿着双极板10的流道11c的延伸方向，流道11c的各流道单元的中心线的最速降线方程的半径参数逐渐增大，也可以说沿着流道11c的延伸方向，流道11c的各流道单元的中心线的最速降线方程的半径参数逐渐减小。
64.以图7所示方位来说，沿图示右侧至左侧，流道11c的各流道单元的中心线的最速降线方程的半径参数逐渐增大。图7中示例性地标出了图中最下方流道11c的五个流道单元，自图示右侧至左侧，流道单元一111c、流道单元二112c、流道单元三113c、流道单元四114c和流道单元五115c对应的半径参数逐渐增大。
65.具体应用时，图示中，流道11c的左端可以是进口，右端是出口，即流道11c的流道
单元对应的半径参数自进口向出口方向逐渐减小，也可以右端是进口，左端是出口，即流道11c的流道单元对应的半径参数自进口向出口方向逐渐增大。
66.在一个具体实例中，双极板10的流道11c的流道单元对应的半径参数的最大值为2mm，最小值为1mm，相邻的两个流道单元对应的半径参数的差值可以相同设置，比如为0.1mm，当然，也可以不同设置，具体根据需求来定。
67.当然，在该实施例中，双极板10的流道11c的流道单元对应的最速降线方程的参数设置也可以不局限于上述所述，可以为前述第一实施例中介绍的范围，也可以为其他范围。
68.在其他实施例中，双极板10的流道11c的各流道单元的中心线的最速降线方程的半径参数也可以沿着流道的延伸方向先增大再减小。
69.图6和图7所示示例中，各流道单元的中心线的最速降线方程的角度参数的取值范围一样，在其他实施例中，可以不一样设置，其取值范围也可以参照前述第一实施例中介绍的范围。
70.上面示例性地介绍了三种双极板10的流道设置的具体结构，可以理解，实际设置时，流道的流道单元的最速降线可以根据具体需求来设置，不局限于上述示例。
71.质子交换膜燃料电池的双极板设为上述提及的双极板10时，为充分发挥双极板10的流道作用，使用时，双极板10的板面与竖直方向平行设置，即双极板10的法线方向平行于水平方向，此时效果最好。当然，双极板10的板面也可以倾斜设置，只要处于非水平状态均可。
72.请参考图8和图9，图8为普通流道的双极板与最速降线流道的双极板的液态水流速的对比示意图；图9为普通流道的双极板与最速降线流道的双极板的排水时间的对比示意图。
73.从图中可以看出，将双极板的流道形状设计为最速降线即最速降线形式，与普通蜿蜒流道的双极板相比，液态水在流道内的流速大幅提升，相应地，需要的排水时间大幅缩短。
74.上述各实施例中，双极板10可以为金属双极板，或者石墨双极板，或者复合材料双极板，或者其他材料制成的双极板。在成型时，其流道可以通过冲压工艺成型，或者机加工成型，或者模压成型或者注塑成型等。
75.以上对本发明所提供的一种双极板及质子交换膜燃料电池均进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。