CN107681174A - 燃料电池双极板流场结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池双极板流场结构，包括阳极流场、阴极流场和冷却流场，构成阳极流场的阳极流道位于第一层，构成阴极流场的阴极流道位于第二层，冷却流场包括一半冷却流道以及另一半冷却流道，一半冷却流道与另一半冷却流道构成冷却流道；阳极流场和阴极流场为结构相同的蛇形流场，蛇形流场包括至少一条蛇形流道，蛇形流道具有入口与出口；阳极流道的入口与出口位于第一层，阴极流道的入口和出口位于第二层。本发明提供一种燃料电池双极板流场结构，具有较小的压降和气体传输阻力，使燃料电池的气体分布均匀，提高燃料电池的功率密度，提升燃料电池发电性能，同时排水效果佳。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池双极板流场结构。
背景技术
双极板又称集流板，是燃料电池的重要部件，需满足如下有求：(1)实现电池间电的联接；(2)排除电池内化学反应产生的废热；(3)分隔燃料和氧化剂。
流场是在双极板上加工的各种形状的沟槽，为反应物和生成物提供进出通道，流道结构决定反应物与生成物在流场内的流动状态，要保证质子交换膜燃料电池正常运行，必须使电极各处均能获得充足的反应物，并及时将生成的水排出，因此流场结构对质子交换膜燃料电池的性能有很大的影响。
常见的质子交换膜燃料电池双极板的流场有平行流场，蛇型流场和交指型流场。在蛇形流场的设计中，每条流道从入口到出口一般设计为一个连续的蛇形流道，蛇形流道可以限制气体在从进气口向反应区传输的过程中形成湍流。相对于平行流场而言，气体在蛇形流场中传输面积较小，路程较长，气体在流场中的流速就较大，进出气口间的压差也就较大，有利于燃料电池中反应生成水的排出。但流道过长会造成气体在流道中的传输阻力增大，并且会增加气体沿流道方向的压力差，从而引起流场中反应气浓度的不均匀，导致燃料电池发电不均匀。另外，流道方向压力差的增加，一方面会加大对燃料电池机械方面的要求，如电池的密封、流场的加工等，另一方面对质子交换膜的机械强度也会有很高的要求。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是：提供一种燃料电池双极板流场结构，具有较小的压降和气体传输阻力，使燃料电池的气体分布均匀，提高燃料电池的功率密度，提升燃料电池发电性能，同时排水效果佳。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种燃料电池双极板流场结构，包括阳极流场、阴极流场和冷却流场，构成所述阳极流场的阳极流道位于第一层，构成所述阴极流场的阴极流道位于第二层，所述冷却流场包括位于第一层的一半冷却流道以及位于第二层的另一半冷却流道，所述一半冷却流道与所述另一半冷却流道相对且结构和形状相同，所述一半冷却流道与所述另一半冷却流道相互对叠连通构成冷却流道；
所述阳极流场和所述阴极流场为结构相同的蛇形流场，所述蛇形流场包括至少一条蛇形流道，所述蛇形流道具有位于左上端的入口与位于右下端的出口，每一所述蛇形流道皆在蛇形流场的左右端之间来回折返且由上至下延伸；
所述阳极流道的入口位于第一层，所述阴极流道的入口位于第二层，所述阳极流道的入口的位置与所述阴极流道的入口的位置相对应；所述阳极流道的出口位于第一层，所述阴极流道的出口位于第二层，所述阳极流道的出口的位置与所述阴极流道的出口的位置相对应；
所述一半冷却流道沿着构成所述阳极流场的阳极流道的间隙排布且与阳极流道相间排布；所述另一半冷却流道沿着构成所述阴极流场的阴极流道的间隙排布且与阴极流道相间排布。
进一步地说，所述冷却流道具有冷却入口与冷却出口，所述冷却入口位于所述冷却流场的左端，所述冷却出口位于所述冷却流场的右端。
进一步地说，所述蛇形流场的长度为L1,蛇形流场的宽度为W1,蛇形流场的长度与宽度的比值为L1/W1，以及蛇形流道的数量为n1，满足以下条件：
85<L1<100mm；
55<W1<70.5mm；
1.54<L1/W1<1.41；
n1＝3。
进一步地说，所述蛇形流道的长度为L11，所述蛇形流道的截面为梯形，蛇形流道的深度为H1，蛇形流道的流道口宽度为b1,蛇形流道的流道底宽度a1, 蛇形流道的流道口宽度与蛇形流道的流道底宽度的比值为b1/a1以及蛇形流道的深度与蛇形流道的流道口宽度的比值为H1/b1，满足以下条件：
840<L11<845mm；
0.5<H1<1mm；
1<b1<1.2mm；
0.6<a1<0.8mm；
1.6<b1/a1≤1.5；
0.5<H1/b1<0.8。
进一步地说，所述冷却流场的长度为L2,冷却流场的宽度为W2,冷却流场的长度与宽度的比值为L2/W2，满足以下条件：
85<L2<100mm；
55<W2<70.5mm；
1.54<L2/W2<1.41。
进一步地说，所述冷却流道的的长度为L21，所述一半冷却流道的截面为第一梯形，所述另一半冷却流道的截面为第二梯形，所述第一梯形与第二梯形相对且形状和大小相同，所述冷却流道的截面为第一梯形与第二梯形构成六边形，一半冷却流道的深度为H2，一半冷却流道的流道口宽度为b2,一半冷却流道的流道底宽度为a2,一半冷却流道的流道口宽度与一半冷却流道的流道底宽度的比值为b2/a2以及一半冷却流道的深度与一半冷却流道的流道口宽度的比值H2/b2满足以下条件：
85<L21<100mm；
0.5<H2<1mm；
1<b2<1.2mm；
0.6<a2<0.8mm；
1.67<b2/a2≤1.5；
0.5<H2/b2<0.83；。
进一步地说，所述阳极流场位于阳极板，所述阴极流场位于阴极板，所述阳极板与所述阴极板的背面相互叠合共同界定成所述冷却流场。
本发明的有益效果是：
本发明包括阳极流场、阴极流场和冷却流场，冷却流场位于阳极流场与阴极流场之间，冷却流场包括位于第一层的一半冷却流道和位于第二层的另一半冷却流道，一半冷却流道沿着构成阳极流场的阳极流道的间隙排布且与阳极流道相间排布，另一半冷却流道沿着构成阴极流场的阴极流道的间隙排布且与阴极流道相间排布，此种设计排布，利于冷却流场中的冷却介质与反应电堆的充分接触，冷却效果佳；阳极流场与阴极流场皆采用蛇形流场，增加流道的长度，蛇形流场设有至少一条蛇形流道，蛇形流道可以限制气体在从进气口向反应区传输的过程中形成湍流，气体在蛇形流场中传输面积较小，路程较长，气体在流场中的流速就较大，入口与出口间的压差也就较大，有利于燃料电池中反应生成水的排出，避免流道堵塞；在尽可能大的增大双极板中流场反应区面积的情况下，合理设计蛇形流道的条数，尽可能的减小压降和气体传输阻力，使气体分布均匀，提高燃料电池的功率密度，提升燃料电池发电性能。
附图说明
图1为本发明的阳极流场的结构示意图；
图2为本发明的流场结构的截面图；
图3为本发明的蛇形流道的截面图；
图中各部分的附图标记如下：
阳极流场1、阴极流场2、冷却流场3、一半冷却流道31、另一半冷却流道、蛇形流场4、蛇形流道41、蛇形流场的长度L1、蛇形流场的宽度W1、蛇形流道的深度H1、蛇形流道的流道口宽度b1、蛇形流道的流道底宽度a1、一半冷却流道的深度H2、一半冷却流道的流道口宽度b2和一半冷却流道的流道底宽度a2。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的保护范围。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的如“上、下、左、右”等用于指示方位或位置关系的词是基于附图所示的方位或位置关系，“内、外”是相对于各个零部件本身轮廓的内外。这些方位词是为了便于理解而采用，因而不应构成对本发明保护范围的限制。
实施例：一种燃料电池双极板流场结构，如图1-图3示，包括阳极流场 1、阴极流场2和冷却流场3，构成所述阳极流场的阳极流道位于第一层，构成所述阴极流场的阴极流道位于第二层，所述冷却流场包括位于第一层的一半冷却流道31以及位于第二层的另一半冷却流道32，所述一半冷却流道与所述另一半冷却流道相对且结构和形状相同，所述一半冷却流道与所述另一半冷却流道相互对叠连通构成冷却流道；
所述阳极流场和所述阴极流场为结构相同的蛇形流场4，所述蛇形流场包括至少一条蛇形流道41，所述蛇形流道具有位于左上端的入口与位于右下端的出口，每一所述蛇形流道皆在蛇形流场的左右端之间来回折返且由上至下延伸；
所述阳极流道的入口位于第一层，所述阴极流道的入口位于第二层，所述阳极流道的入口的位置与所述阴极流道的入口的位置相对应；所述阳极流道的出口位于第一层，所述阴极流道的出口位于第二层，所述阳极流道的出口的位置与所述阴极流道的出口的位置相对应；
所述一半冷却流道沿着构成所述阳极流场的阳极流道的间隙排布且与阳极流道相间排布；所述另一半冷却流道沿着构成所述阴极流场的阴极流道的间隙排布且与阴极流道相间排布。
所述冷却流道具有冷却入口与冷却出口，所述冷却入口位于所述冷却流场的左端，所述冷却出口位于所述冷却流场的右端。
优选的，所述冷却入口位于所述冷却流场的左端的中部，所述冷却出口位于所述冷却流场的右端的中部。
所述蛇形流场的长度为L1,蛇形流场的宽度为W1,蛇形流场的长度与宽度的比值为L1/W1，以及蛇形流道的数量为n1，满足以下条件：
85<L1<100mm；
55<W1<70.5mm；
1.54<L1/W1<1.41；
n1＝3。
所述蛇形流道的长度为L11，所述蛇形流道的截面为梯形，蛇形流道的深度为H1，蛇形流道的流道口宽度为b1,蛇形流道的流道底宽度为a1,蛇形流道的流道口宽度与蛇形流道的流道底宽度的比值为b1/a1以及蛇形流道的深度与蛇形流道的流道口宽度的比值为H1/b1，满足以下条件：
840<L11<845mm；
0.5<H1<1mm；
1<b1<1.2mm；
0.6<a1<0.8mm；
1.6<b1/a1≤1.5；
0.5<H1/b1<0.8。
所述冷却流场的长度为L2,冷却流场的宽度为W2,冷却流场的长度与宽度的比值为L2/W2，满足以下条件：
85<L2<100mm；
55<W2<70.5mm；
1.54<L2/W2<1.41。
所述冷却流道的的长度为L21，所述一半冷却流道的截面为第一梯形，所述另一半冷却流道的截面为第二梯形，所述第一梯形与第二梯形相对且形状和大小相同，所述冷却流道的截面为第一梯形与第二梯形构成六边形，一半冷却流道的深度为H2，一半冷却流道的流道口宽度为b2,一半冷却流道的流道底宽度为a2,所述冷却流道的深度为H2+H2,一半冷却流道的流道口宽度与一半冷却流道的流道底宽度的比值为b2/a2、一半冷却流道的深度与一半冷却流道的流道口宽度的比值为H2/b2以及冷却流道的深度与一半冷却流道的流道口宽度的比值为(H2+H2)/b2，满足以下条件：
85<L21<100mm；
0.5<H2<1mm；
1<H2+H2<2；
1<b2<1.2mm；
0.6<a2<0.8mm；
1.67<b2/a2≤1.5；
0.5<H2/b2<0.83；
1<(H2+H2)/b2<1.6。
所述阳极流场位于阳极板，所述阴极流场位于阴极板，所述阳极板与所述阴极板的背面相互叠合共同界定成所述冷却流场。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中的。
Claims (7)
1.一种燃料电池双极板流场结构，其特征在于：包括阳极流场(1)、阴极流场(2)和冷却流场(3)，构成所述阳极流场的阳极流道位于第一层，构成所述阴极流场的阴极流道位于第二层，所述冷却流场包括位于第一层的一半冷却流道(31)以及位于第二层的另一半冷却流道(32)，所述一半冷却流道与所述另一半冷却流道相对且结构和形状相同，所述一半冷却流道与所述另一半冷却流道相互对叠连通构成冷却流道；
所述阳极流场和所述阴极流场为结构相同的蛇形流场(4)，所述蛇形流场包括至少一条蛇形流道(41)，所述蛇形流道具有位于左上端的入口与位于右下端的出口，每一所述蛇形流道皆在蛇形流场的左右端之间来回折返且由上至下延伸；
所述阳极流道的入口位于第一层，所述阴极流道的入口位于第二层，所述阳极流道的入口的位置与所述阴极流道的入口的位置相对应；所述阳极流道的出口位于第一层，所述阴极流道的出口位于第二层，所述阳极流道的出口的位置与所述阴极流道的出口的位置相对应；
所述一半冷却流道沿着构成所述阳极流场的阳极流道的间隙排布且与阳极流道相间排布；所述另一半冷却流道沿着构成所述阴极流场的阴极流道的间隙排布且与阴极流道相间排布。
2.根据权利要求1所述的燃料电池双极板流场结构，其特征在于：所述冷却流道具有冷却入口与冷却出口，所述冷却入口位于所述冷却流场的左端，所述冷却出口位于所述冷却流场的右端。
3.根据权利要求1所述的燃料电池双极板流场结构，其特征在于：所述蛇形流场的长度为L1,蛇形流场的宽度为W1,蛇形流场的长度与宽度的比值为L1/W1，以及蛇形流道的数量为n1，满足以下条件：
85<L1<100mm；
55<W1<70.5mm；
1.54<L1/W1<1.41；
n1＝3。
4.根据权利要求3所述的燃料电池双极板流场结构，其特征在于：
所述蛇形流道的长度为L11，所述蛇形流道的截面为梯形，蛇形流道的深度为H1，蛇形流道的流道口宽度为b1,蛇形流道的流道底宽度为a1,蛇形流道的流道口宽度与蛇形流道的流道底宽度的比值为b1/a1以及蛇形流道的深度与蛇形流道的流道口宽度的比值为H1/b1，满足以下条件：
840<L11<845mm；
0.5<H1<1mm；
1<b1<1.2mm；
0.6<a1<0.8mm；
1.6<b1/a1≤1.5；
0.5<H1/b1<0.8。
5.根据权利要求1所述的燃料电池双极板流场结构，其特征在于：所述冷却流场的长度为L2,冷却流场的宽度为W2,冷却流场的长度与宽度的比值为L2/W2，满足以下条件：
85<L2<100mm；
55<W2<70.5mm；
1.54<L2/W2<1.41。
6.根据权利要求5所述的燃料电池双极板流场结构，其特征在于：所述冷却流道的的长度为L21，所述一半冷却流道的截面为第一梯形，所述另一半冷却流道的截面为第二梯形，所述第一梯形与第二梯形相对且形状和大小相同，所述冷却流道的截面为第一梯形与第二梯形构成的六边形，一半冷却流道的深度为H2，一半冷却流道的流道口宽度为b2,一半冷却流道的流道底宽度为a2,一半冷却流道的流道口宽度与一半冷却流道的流道底宽度的比值为b2/a2、一半冷却流道的深度与一半冷却流道的流道口宽度的比值为H2/b2，满足以下条件：
85<L21<100mm；
0.5<H2<1mm；
1<b2<1.2mm；
0.6<a2<0.8mm；
1.67<b2/a2≤1.5；
0.5<H2/b2<0.83。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板流场结构，其特征在于：所述阳极流场位于阳极板，所述阴极流场位于阴极板，所述阳极板与所述阴极板的背面相互叠合共同界定成所述冷却流场。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180209 |