【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于燃料电池，特别涉及燃料电池极板结构设计方法、燃料电池极板及其燃料电池。
技术介绍
1、燃料电池是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料电池工作时，阳极反应物(如氢气)输入到阳极电极侧，阴极反应物(如氧气)输入到阴极电极侧，阳极反应物和阴极反应物在电极和电解质的界面上发生氧化还原反应，产生电流，输出电能。由于燃料电池在运行时会生成水并放出大量的热量，因此，需要及时将生成的水排出，同时对燃料电池进行散热，否则，将会严重影响燃料电池的性能和寿命。
2、燃料电池双极板的功能是为电化学反应提供反应介质，如氢气和空气，通过循环冷却液对燃料电池进行散热，将反应过程中产生的水排出，因此，燃料极板的流场结构设计至关重要，极板的结构设计一方面关系到燃料电池反应物的供给、生成物和热量的排出，直接影响到燃料电池的性能和可靠性；另一方面，极板的结构设计直接决定了极板的加工成型难度和制造成本，因此，有必要对燃料电池的极板结构设计做出相应的研究。
3、中国专利(公开号cn1287477c)提供一种双极板，其流场长度比该双极板的面积的平方根长三至八倍。该专利技术中，通过弯折的多通道蛇形结构来实现流场长度的延伸，在弯折区域，气体的局部压力损失增大，压降不均匀，而且在折弯处，因流体空间的急剧变化，液态水也不易排出。
4、中国专利(公开号cn103636041b)公开了一种多通道蛇形流场结构，而且从气体流入的上游到气体流出的下游，气体的流道截面积变小的极板结构。该专利技术中，虽然通过减小气体的流道
5、中国专利(公开号cn102017253b)公开了一种截面逐渐减小的多通道蛇形结构极板，从流体流入的到流体流出方向，沟槽状的反应气体流道被设置为弯曲状或直线部和折回部混合，具有多个90°的折弯，而且不同区域的流道的截面积被设置为不同。该专利技术中，在流道向上弯折的区域，因受到流道壁面的阻挡和重力的作用，电池中生成的液态水不易排出。
6、上述专利技术的极板，通过采用渐变的流道截面积，或采用弯折的蛇形流场结构来构造流道，但是也带来了极板制造难度和成本增加等问题，而且，不合适的流道构型，会起相反的作用，对排水形成障碍。
7、极板的各结构参数设计至关重要，现有的双极板设计，但是未形成体系化设计，未综合考虑燃料电池极板的各种制约因素，不能抓住关键影响因素，开发效率低，达不到预期的效果。
8、现有的极板的结构形式多种多样，常见的一种方式是通过改变流场的截面积来提高流场内的气体流速，受限于极板的成型工艺和制造成本，流场的截面积变化幅度较小，气体流速提升不明显，而且极板制造难度和成本高；另一种方式是采用蛇形流场，折弯流道来增加流道长度，因流道有多个转角，流体的局部压降增大，双极板的压降显著增大，不利于燃料电池系统的匹配集成，而且在流道的转角处，液态水不易排出，导致电池水淹，电池性能急剧衰减。
技术实现思路
1、针对上述问题，本专利技术公开了一种燃料电池极板结构设计方法，包括：
2、确定极板结构参数与流体流速的关系；
3、对所述结构参数进行初步设计；
4、确定流经所述极板的流体的流量；
5、确定所述流体的流通面积；
6、确定所述流体的流速；
7、判断所述流速是否满足设定阈值；若满足，则所述极板的流场设计合理；若不满足，则重新对极板的结构参数进行设计。
8、更进一步地，所述结构参数包括：流场与水平方向的夹角θ、流场长度a、流场宽度b、流场周期p、凹槽宽度w和流场深度d；
9、其中，结构参数满足以下条件：
10、a/b≥1；或
11、p/w≥2；或
12、p/d≥2.5；或
13、a≥极板总面积的平方根；或
14、a·p/(w·d·cosθ)≥300。
15、更进一步地，所述对所述结构参数进行初步设计的具体步骤如下：
16、设定流场周期p0，凹槽宽度w0，流场深度d0；
17、设定流场与水平方向的夹角θ0；
18、设定活性区内的流场长度a0，活性区的流场宽度b0。
19、更进一步地，所述流体的流量通过以下公式确定：
20、
21、其中，q为流体的流量；λ为氧化剂或燃料的化学计量比；j为燃料电池的电流密度；c为氧化剂或燃料的浓度；z为气体的压缩系数；n为每摩尔物质发生电化学反应时，发生电子传输的摩尔数；f为法拉第常数；vm为气体摩尔体积。
22、更进一步地，所述流体的流通面积通过以下公式确定：
23、
24、其中，a为流体的流通面积。
25、更进一步地，所述流体的流速通过以下公式确定：
26、
27、其中，v为流体的流速。
28、本专利技术还公开了一种采用上述的燃料电池极板结构设计方法制备的燃料电池极板，包括：气体流场、氧化剂进口、氧化剂出口、冷却剂进口、冷却剂出口、燃料出口、燃料进口和冷却水流场；
29、所述气体流场设置于燃料电池极板一侧；
30、所述冷却水流场设置于燃料电池极板另一侧；
31、所述氧化剂进口、冷却剂进口和燃料出口并列设置于燃料电池极板一端；
32、所述氧化剂出口、冷却剂出口和燃料进口并列设置于燃料电池极板另一端。
33、更进一步地，所述气体流场包括多个第一凸起和多个第一凹槽；
34、所述第一凸起和第一凹槽间隔设置；
35、所述第一凸起的宽度和第一凹槽的宽度之和为流场周期p；
36、所述第一凹槽的深度为d；
37、其中，p/d≥2.5。
38、更进一步地，所述冷却水流场包括多个第二凸起和多个第二凹槽；
39、所述第二凸起和第二凹槽间隔设置；
40、所述第二凸起的宽度和第二凹槽的宽度之和为流场周期p；
41、所述第二凹槽的深度为d；
42、其中，p/d≥2.5。
43、更进一步地，a/b≥1；或
44、p/w≥2；或
45、a≥极板总面积的平方根；或
46、a·p/(w·d·cosθ)≥300。
47、本专利技术还公开了一种燃料电池，包括上述的燃料电池极板和膜电极组件。
48、与现有技术相比，本专利技术的实施例至少具有以下优点：
49、1)提取出更全面的设计参数，建立燃料电池极板的流体流速与结构参数的关系，综合权衡各参数的制约关系，理清极板结构设计的逻辑，分清主次，指导极板的设计开发和不同设计方案的对比及优化；
50、2)通过流道结构参数的设计实现极板流场内的流体流速的提升，一方面可降低双极板本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种燃料电池极板结构设计方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的燃料电池极板结构设计方法，其特征在于，所述结构参数包括：流场与水平方向的夹角θ、流场长度a、流场宽度b、流场周期P、凹槽宽度w和流场深度d；
3.根据权利要求1所述的燃料电池极板结构设计方法，其特征在于，所述对所述结构参数进行初步设计的具体步骤如下：
4.根据权利要求1所述的燃料电池极板结构设计方法，其特征在于，所述流体的流量通过以下公式确定：
5.根据权利要求1所述的燃料电池极板结构设计方法，其特征在于，所述流体的流通面积通过以下公式确定：
6.根据权利要求1所述的燃料电池极板结构设计方法，其特征在于，所述流体的流速通过以下公式确定：
7.一种采用权利要求1-6任一项所述的燃料电池极板结构设计方法制备的燃料电池极板，其特征在于，包括：气体流场(1)、氧化剂进口、氧化剂出口、冷却剂进口、冷却剂出口、燃料出口、燃料进口和冷却水流场(2)；
8.根据权利要求7所述的燃料电池极板，其特征在于，所述气体流场(1)包括多个第一凸起
9.根据权利要求8所述的燃料电池极板，其特征在于，所述冷却水流场(2)包括多个第二凸起(21)和多个第二凹槽(22)；
10.根据权利要求7所述的燃料电池极板，其特征在于，
11.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求7-10任一项所述的燃料电池极板和膜电极组件(300)。
...【技术特征摘要】
1.一种燃料电池极板结构设计方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的燃料电池极板结构设计方法，其特征在于，所述结构参数包括：流场与水平方向的夹角θ、流场长度a、流场宽度b、流场周期p、凹槽宽度w和流场深度d；
3.根据权利要求1所述的燃料电池极板结构设计方法，其特征在于，所述对所述结构参数进行初步设计的具体步骤如下：
4.根据权利要求1所述的燃料电池极板结构设计方法，其特征在于，所述流体的流量通过以下公式确定：
5.根据权利要求1所述的燃料电池极板结构设计方法，其特征在于，所述流体的流通面积通过以下公式确定：
6.根据权利要求1所述的燃料电池极板结构设计方法，其特征在于，所述流体的流速通过以下...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵京辉，郭辉进，程敏，杨晓东，张胜，宫克楠，
申请(专利权)人：安泰环境工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：
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