CN102097630B - 复合型双极板流场结构 - Google Patents
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Abstract
一种复合型双极板流场结构，包括双极板本体，所述双极板本体设有反应气体进口和反应气体出口，所述双极板本体上设有直通型流道和蛇形流道，所述直通型流道的进口与反应气体进口连通，所述直通型流道的出口与所述蛇形流道的进口连通，所述蛇形流道的出口与所述反应气体出口连通，所述直通型流道有多个并排布置的直通型流道单元，所述蛇形流道有多个并排布置的蛇形流道单元。本发明具有较高反应气体利用率的同时保证输出能的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，尤其是一种双极板流场结构。
背景技术
燃料电池在材料性质与化学反应方面的研究，已经投入了一段相当长的时间，当然也找出一些较佳的材料。如今研究的重点，在于燃料电池内的燃料分配(输入空气量、输入氢气量)、水管理(有效的移开水)与热管理方面。由这些管理来改善反应及温度的均匀分布，并使得电阻损失及压力降等最小，进而得到较佳的能量转换效率，而这些都与流道的设计有关。Watkins DS等指出，只要流场分布适当，可增加百分之五十以上的输出功率密度。
直通型流场的优点是流道较短，气体进口压力较小。但它的缺点是当燃料由流道入口端进入各平行流道时，会因为各反应流道距燃料入口端远近的关系造成燃料流量不平均進而造成浓度分布亦不平均，并且当燃料电池运转到达输出的电流密度最高时，由于反应大量发生导致浓度急剧下降，同时水容易聚集而堵塞流道，而且一个流道中的一个障碍将导致剩余流道中气体流量的重新分配。
蛇形流场的一个突出优点是能迅速排出燃料电池生成的水，不会出现水堵塞流道的情况。但对于大面积的极板则会造成流道过长从而引起压降较大和电流密度分布不均匀的情况。
发明内容
为了克服已有双极板流场结构的不能兼顾反应气体利用率和输出性能的稳定性的不足，本发明提供一种具有较高反应气体利用率的同时保证输出能的稳定性的复合型双极板流场结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种复合型双极板流场结构，包括双极板本体，所述双极板本体设有反应气体进口和反应气体出口，所述双极板本体上设有直通型流道和蛇形流道，所述直通型流道的进口与反应气体进口连通，所述直通型流道的出口与所述蛇形流道的进口连通，所述蛇形流道的出口与所述反应气体出口连通，所述直通型流道有多个并排布置的直通型流道单元，所述蛇形流道有多个并排布置的蛇形流道单元。
作为优选的一种方案：所述直通型流道的进口与入口端连通，所述入口端以所述反应气体进口为中心对称设置，单侧入口端呈下凹形，两侧高，中间低。
进一步，所述至少两个直通型流道单元的出口并联后与单个蛇形流道单元的进口连通。
更进一步，所述蛇形流道单元的拐角处呈倒圆角结构。
所述反应气体进口和反应气体出口位于所述双极板本体的中部，所述直通型流道单元和蛇形流道单元左右两侧对称布置。
本发明的技术构思为：针对直通型流场与蛇形流场本身分别进行改良，再在结合两者的优点的基础上提出一种复合型流场结构。该流场分布结构气流畅通，分布更均匀，气体进口压力降较小，并且能提高反应气体的利用率，同时迅速排出流场中反应生成的水，不会出现“水淹”的情况，易于实现水平衡管理，使电池的输出性能更加稳定。
对于直通型流场，通过反应气体入口端的几何设计来改善气体进入各平行流道间流量分布不均匀的问题，其目的在於利用几何形状的改变，以获得燃料在进入各反应流道时，能夠将流量均匀地分布在各反应流道中，使得在各流道中燃料浓度得以平均分配。台湾国立大学林宴正对此作了详细的研究。
对于蛇形流场，通过各流道之间逐级并接的设计来解决在低流速的时候，在接近出口的地方氧气已经消耗完毕而造成反应气体分布不均匀的问题，其特点是逐渐减小流体流道的横截面积，使流速不断增大，弥补了反应物浓度随流动降低的缺点，目的是提高气体的利用率。
本发明的有益效果主要表现在：靠近反应气体入口端的流场结构采用直通型流场，靠近反应气体出口端的流场结构采用蛇形流场，结合了两种流场的优点，并且蛇形流场的拐角部分采用倒圆角的方式，减少水分的滞留。流道逐级并联的实施，使得电极表面各处均可得到足够的气体供应，并促进了反应气的充分利用，减少了尾气排放，节约了反应气体的供应，提高了反应气体的利用率。此外，还采用轴对称结构形式，使得双极板左右两端的反应更加均匀，从而最大限度地提高电池输出性能的稳定性。
附图说明
图1为本专利几何设计结构的主视图；
图2为图1的局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1和图2，一种复合型双极板流场结构，包括双极板本体1，所述双极板本体1设有反应气体进口4和反应气体出口5，所述双极板本体上设有直通型流道2和蛇形流道3，所述直通型流道的进口与反应气体进口连通，所述直通型流道的出口与所述蛇形流道的进口连通，所述蛇形流道的出口与所述反应气体出口连通，所述直通型流道有多个并排布置的直通型流道单元，所述蛇形流道有多个并排布置的蛇形流道单元。
所述直通型流道的进口与入口端连通，所述入口端以所述反应气体进口为中心对称设置，单侧入口端呈下凹形，两侧高，中间低。
所述至少两个直通型流道单元的出口并联后与单个蛇形流道单元的进口连通。所述蛇形流道单元的拐角处呈倒圆角结构。所述反应气体进口和反应气体出口位于所述双极板本体的中部，所述直通型流道单元和蛇形流道单元左右两侧对称布置。
参照图1，本实施例的流场结构包括双极板本体1、设在该双极板本体1上的直通型流道2和蛇形流道3、与直通型流道2连通的反应气体(氢气或氧气)进口4以及与蛇形流道3连通的反应气体出口5，所述的反应气体进口设在双极板本体1上端，所述的反应气体出口设在双极板本体1下端，所述的设在双极板本体1上端的反应气体进口4通过直通型流道2和蛇形流道3与设在双极板本体1下端的反应气体出口5连通。所述的从双极板本体1上端反应气体进口4进来的气体首先通过改良过的直通型流道气体入口端6，使得直通型流道2中的每个流道内的气体流量均匀，此时，反应大量进行，气体浓度急剧下降，将会导致电池输出性能不稳定，为了避免此类问题，在直通型流道2的末端采用并联的方式与蛇形流场3连通，使电极表面各处均可得到足够的气体供应，促进了反应气体的充分利用。同理，在蛇形流道3也采用了相同的方式，其逐渐减小流体流道的横截面积使流速不断增大，更有利于流道中反应所生成的水分的排出，并且在拐角处采用倒圆角的方式，减少水分在拐角处的滞留，避免了水淹的问题。
Claims (3)
1.一种复合型双极板流场结构，包括双极板本体，所述双极板本体设有反应气体进口和反应气体出口，其特征在于：所述双极板本体上设有直通型流道和蛇形流道，所述直通型流道的进口与反应气体进口连通，所述直通型流道的出口与所述蛇形流道的进口连通，所述蛇形流道的出口与所述反应气体出口连通，所述直通型流道有多个并排布置的直通型流道单元，所述蛇形流道有多个并排布置的蛇形流道单元；所述直通型流道的进口与入口端连通，所述入口端以所述反应气体进口为中心对称设置，单侧入口端呈下凹形，两侧高，中间低；所述多个直通型流道单元的出口并联后与单个蛇形流道单元的进口连通。
2.如权利要求1所述的复合型双极板流场结构，其特征在于：所述蛇形流道单元的拐角处呈倒圆角结构。
3.如权利要求2所述的复合型双极板流场结构，其特征在于：所述反应气体进口和反应气体出口位于所述双极板本体的中部，所述直通型流道单元和蛇形流道单元左右两侧对称布置。
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