CN109301282A - 一种主动排水叶脉状交指型流场燃料电池双极板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主动排水叶脉状交指型流场燃料电池双极板，包括双极板本体，所述双极板本体上设置有交指型流场，所述交指型流场呈圆形或正多边形，以流场中心点为圆心，所述交指型流场包括平均分成n等份的局部流场，n≥2，所述局部流场包括反应气进口、反应气出口、叶脉状进气流道和蛇形出气及排水流道，所述反应气进口设置于叶脉状进气流道外端，所述反应气出口设置于蛇形出气及排水流道外端。通过采用上述技术方案，使电池整体传质更加均匀，同时主动排水流道的设计能促进出气流道中中液态水的排除，从而使反应产生的液态水更容易往出气流道扩散，进一步减少了液态水在进气口末端滞留的现象。

Description

一种主动排水叶脉状交指型流场燃料电池双极板

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池双极板，特别涉及一种主动排水叶脉状交指型流场燃料电池双极板。

背景技术

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）因其具有能量转化率高、无污染、启动快等优点而具有可观的市场应用前景。与热机相比，燃料电池的化学能直接转化成电能，不需要初步转化成热能。因此，转化不受卡诺循环的限制，理论上可以实现 90% 转化的高效率。

燃料电池的核心是膜电极和双极板。膜电极是电化学反应的场所；双极板提供气体分配和收集电流，为了完成气体分配和收集电流这两项任务，双极板通常是导电的，其表面有凹凸两个部分，其中凸出部分(收集电流脊梁)用来与电极接触，收集电流；凹下部分(流场)为气体向电极表面传递提供通道，双极板的这一含有凹凸结构的部分称流场。

实际上，燃料电池的产能效率很大程度上取决于双极板流场的结构，优质的流场结构可以改善反应物和生成物的流动状态，使电极各处都能及时得到反应物，并且能及时排除冷却水，提高燃料电池的发电效率。

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。平行流场的一个显著优点在于气体进口和出口之间的总压降较低，但当流场的宽度相对较大时，每个流场中的流体分布会出现不均匀的现象，这就会引起部分区域的水的堆积，导致传输耗损的增加，从而降低了电流密度。

蛇型流场的优点在于排水能力，单一流动路径能推动液态水的排出。但在大面积的流场中，蛇型流场的压降很大，且气体浓度分布不均匀。

交指型流场的设计促进了反应气体在扩散层中的强制对流，其水管理的效果远优于平行流场和蛇型流场，但气体扩散层中的强制对流导致很大的压降损耗。

叶脉状结构在大自然广泛的存在，是自然长期进化的产物，因此在传质运输方面有很多优异的特性，随着仿生学的发展，越来越多的研究者将其应用于科学研究。

当前的现有技术中,由于传统交指型流场压降大，当电池输出工作时，有效面积内反应物分布的不均匀性使得区域内电化学反应并不充分，导致反应物和电机的利用率降低，从而会影响电流输出的稳定性，同时在交指型的流场中，流道的末端是不通的，气体被迫通过收集电流脊骨底下的扩散层进入相邻流道，这种流场的主要缺点是电池出口部分由于电池生成水的积累，液态水较多容易导致电池水淹，影响电池性能。

发明内容

综上所述，为克服现有技术的不足，本发明提供一种更均匀地分配反应气体到各分支流道，更有利于电池的热管理，能提升电池性能的主动排水叶脉状交指型流场燃料电池双极板。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种主动排水叶脉状交指型流场燃料电池双极板，包括双极板本体，所述双极板本体上设置有交指型流场，所述交指型流场呈圆形或正多边形，以流场中心点为圆心，所述交指型流场包括平均分成n等份的局部流场，n≥2，所述局部流场包括反应气进口、反应气出口、排水气体入口、叶脉状进气流道和蛇形出气及排水流道，所述反应气进口设置于叶脉状进气流道外端，所述反应气出口设置于蛇形出气及排水流道内端，所述排水气体入口设置于蛇形出气及排水流道外端。

通过采用上述技术方案，交指型流场包括多个局部流场，局部流场包括叶脉状进气流道和蛇形出气及排水流道，较传统交指型与传统蛇形流场缩短了单条流道的长度，减少了因流道过长引起的压力分布不均的情况，使电池整体传质更加均匀，同时主动排水流道的设计能促进出气流道中中液态水的排除，从而使反应产生的液态水更容易往出气流道扩散，进一步减少了液态水在进气口末端滞留的现象。

本发明进一步设置：所述反应气进口包括第一进气口和第二进气口，所述叶脉状进气流道包括第一气体流道和第二气体流道，所述第一进气口设置于所述第一气体流道外端，所述第二进气口设置于所述第二气体流道外端，所述第一气体流道和第二气体流道之间设置有所述蛇形出气及排水流道。

通过采用上述技术方案，采用一个以上的反应气进口和叶脉状流道，可降低压降，采用第一气体流道和第二气体流道，缩短了单条流道的长度，减少了因流道过长引起的压力分布不均的情况，使电池整体传质更加均匀。

本发明进一步设置：所述第一气体流道包括第一气体主干流道和多条第一气体分支流道，所述第一气体分支流道设置于所述第一气体主干流道上，所述第一气体分支流道和所述第一气体主干流道相连通，所述第二气体流道包括第二气体主干流道和多条第二气体分支流道，所述第二气体分支流道设置于所述第二气体主干流道上，所述第二气体分支流道和所述第二气体主干流道相连通。

通过采用上述技术方案，多流道设置，通过压力差增强有效面积内气体对流与扩散能力，均匀分配反应气体到各分支流道，使反应气体能够均匀的分布在反应流场，从而提升电池的性能。

本发明进一步设置：所述第一气体分支流道和所述第二气体分支流道呈交指型设置，所述第一气体分支流道与第一气体主干流道的夹角为90°-90°/n，所述第二气体分支流道与第二气体主干流道的夹角和所述第一气体分支流道与第一气体主干流道的夹角相等，所述第一气体主干流道与所述第二气体主干流道之间的夹角为180°/n。

通过采用上述技术方案，所述第一气体分支流道和所述第二气体分支流道呈交指型结构设置，流道不连续迫使气体在压力作用下穿过扩散层参加反应，提高了气体的利用率和电池功率密度，从而提升电池的性能。

本发明进一步设置：所述交指型流场包括2n个反应气进口、n个第一气体流道、n个第二气体流道和2n个蛇形出气及排水流道。

通过采用上述技术方案，多端进口，流道长度缩短，可降低压降，加强电流输出的稳定性。

本发明进一步设置：所述叶脉状进气流道宽度为k1，深度为k1，脊背宽度为0.5k1。

通过采用上述技术方案，叶脉状进气流道宽度和深度相同，便于加工，脊背宽度为0.5 k1，有利于加强气体对流与扩散能力。

本发明进一步设置：所述k1=0.6～1 mm。

通过采用上述技术方案，当k1<0.6 mm时，将影响双极板的密封性和气密性，当k1>1 mm时，将造成双极板的开孔率过高增加电池的欧姆极化损失，同时增加材料损耗，增加成本。

本发明进一步设置：所述蛇形出气及排水流道包括与所述第一气体主干流道平行的第一拐道、与所述第二气体主干流道平行的第三拐道和连通第一拐道与第三拐道的第二拐道，所述蛇形出气及排水流道内的拐角总数为10，所述拐角夹角为90°-90°/n或90°+90°/n，流道截面形状为正方形，流道宽度和深度为k2，脊背宽度沿排水流道方向由k2减缩为0.5k2，梯度为0.1k2。

通过采用上述技术方案，蛇形出气及排水流道多拐角，大大增加了单位气体流场面积内的流道长度，使压降变大，发挥了蛇形流道导流的优势，有利于排水，进一步减少了液态水在进气口末端滞留的现象，排水流道形式为蛇形单通道，保证排水的有效性，主动排水流道的设置改善了传统交指型因压降不足导致的水淹现象，提升电池的性能与稳定性。

本发明进一步设置：k2=0.6～1 mm。

通过采用上述技术方案，平均电流的输出密度较高。

下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式。

附图说明

图1为本发明实施例一的平面结构示意图；

图2为本发明实施例一的三维结构示意图；

图3为本发明实施例一局部流场的三维结构示意图；

图4为本发明实施例二的平面结构示意图；

图5为本发明实施例二的三维结构示意图；

图6为本发明实施例的电池极化曲线对比图。

附图标记：1.双极板本体，2.交指型流场，21.局部流场，3.反应气进口，31.第一进气口，32.第二进气口，4.反应气出口，5.排水气体入口，6.叶脉状进气流道，61.第一气体流道，611.第一气体主干流道，612.第一气体分支流道，62.第二气体流道，621.第二气体主干流道，622.第二气体分支流道，7.蛇形出气及排水流道，71.第一拐道，72. 第二拐道，73.第三拐道。

具体实施方式

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

参见附图1-6，本发明技术方案公开的一种主动排水叶脉状交指型流场燃料电池双极板，包括双极板本体1，所述双极板本体1上设置有交指型流场2，所述交指型流场2呈圆形或正多边形，以流场中心点为圆心，所述交指型流场2包括平均分成n等份的局部流场21，n≥2，所述局部流场21包括反应气进口3、反应气出口4、排水气体入口5、叶脉状进气流道6和蛇形出气及排水流道7，所述反应气进口3设置于叶脉状进气流道6外端，所述反应气出口4设置于蛇形出气及排水流道7内端，所述排水气体入口5设置于蛇形出气及排水流道7外端。

本文中所述的“交指型流场呈圆形或正多边形”，指所述交指型流场可以为圆形，也可以为正多边形，由于所述交指型流场形状会根据n取值不同而变化，当n取值越大时，交指型流场形状越接圆形。

本发明技术方案进一步设置：所述反应气进口3包括第一进气口31和第二进气口32，所述叶脉状进气流道6包括第一气体流道61和第二气体流道62，所述第一进气口31设置于所述第一气体流道61外端，所述第二进气口32设置于所述第二气体流道62外端，所述第一气体流道61和第二气体流道62之间设置有所述蛇形出气及排水流道7。

本发明技术方案中，“所述第一气体流道61和第二气体流道62之间设置有所述蛇形出气及排水流道7”，指同一局部流场21中，所述第一气体流道61和第二气体流道62之间设置有所述蛇形出气及排水流道7；也指所述第一气体流道61和相邻局部流场21的第二气体流道62之间也设置有所述蛇形出气及排水流道7。

本发明技术方案中，在整个交指型流场2中，第一气体流道61和第二气体流道62交替分布在一个圆上。

本发明技术方案进一步设置：所述第一气体流道61包括第一气体主干流道611和多条第一气体分支流道612，所述第一气体分支流道612设置于所述第一气体主干流道611上，所述第一气体分支流道612和所述第一气体主干流道611相连通，所述第二气体流道62包括第二气体主干流道621和多条第二气体分支流道622，所述第二气体分支流道622设置于所述第二气体主干流道621上，所述第二气体分支流道622和所述第二气体主干流道621相连通。

本发明技术方案进一步设置：所述第一气体分支流道612和所述第二气体分支流道622呈交指型设置，所述第一气体分支流道612与第一气体主干流道611的夹角为90°-90°/n，所述第二气体分支流道622与第二气体主干流道621的夹角和所述第一气体分支流道612与第一气体主干流道611的夹角相等，所述第一气体主干流道611与所述第二气体主干流道621之间的夹角为180°/n。

本发明技术方案中，所述第一气体主干流道611、所述第二气体主干流道621与第一气体分支流道612构成等腰三角形，所述第一气体主干流道611与所述第二气体主干流道621之间的夹角为180°/n，所述第一气体分支流道612与第一气体主干流道611的夹角为（180°-180°/n）/2，即90°-90°/n。

本发明技术方案进一步设置：所述交指型流场2包括2n个反应气进口3、n个第一气体流道61、n个第二气体流道62和2n个蛇形出气及排水流道7。

本发明技术方案进一步设置：所述叶脉状进气流道6宽度为k1，深度为k1，脊背宽度为0.5 k1。

本发明技术方案进一步设置：所述k1=0.6～1 mm。

本发明技术方案进一步设置：所述蛇形出气及排水流道7包括与所述第一气体主干流道611平行的第一拐道71、与所述第二气体主干流道621平行的第三拐道73和连通第一拐道71与第三拐道73的第二拐道72，所述蛇形出气及排水流道7内的拐角总数为10，所述拐角夹角为90°-90°/n或90°+90°/n，流道截面形状为正方形，流道宽度和深度为k2，脊背宽度沿排水流道方向由k2减缩为0.5k2，梯度为0.1k2。

本发明技术方案中，所述第一气体主干流道611、所述第一气体主干流道611与第一气体分支流道612构成等腰三角形，所述蛇形出气及排水流道拐角包括钝角和锐角，所述第一拐道71与所述第一气体分支流道612相平行，所述第一拐道71与所述第二拐道72构成的锐角角度和所述第一气体分支流道612与第一气体主干流道611的夹角相等，所述锐角角度为90°-90°/n，同一个蛇形出气及排水流道的第二拐道72平行设置，所述第一拐道71与所述第二拐道72构成的钝角角度和所述锐角的夹角之和为180°，所述所述钝角角度为180°-（90°-90°/n），即90°+90°/n，第三拐道73与所述第二气体分支流道612相平行，所述第三拐道73与所述第二拐道72构成的锐角角度为90°-90°/n，所述第三拐道73与所述第二拐道72构成的钝角角度为90°+90°/n。

本发明技术方案进一步设置：k2=0.6～1 mm。

本发明技术方案中，排水出口与所述反应气出口4为同一出口，所述排水出口即所述反应气出口4。

本发明技术方案进一步设置：本双极板在使用过程中，反应气体从第一进气口31和第二进气口32进入第一气体流道61和第二气体流道62，通过第一气体主干流道611和第二气体主干流道621将反应气体均匀分布到第一气体分支流道612和第二气体分支流道622，在压力作用下强制对流透过扩散层到达蛇形出气及排水流道7，排水气体氮气由排水气体入口进入，推动滞留的液态水由排水出口排出流场。

本发明技术方案进一步设置：本双极板使用中阳极反应气体为氢气，阴极反应气体为空气或者氧气。

本发明技术方案进一步设置：所示质子交换膜燃料电池的双极板可由石墨材料或金属材料制成。

本文中所述的“叶脉状流场”指模仿叶脉，采用一个进口，多个分支流道的结构。

附图中，发明技术方案一为n=6时的主动排水叶脉状交指型流场燃料电池双极板，发明技术方案二为n=3时的主动排水叶脉状交指型流场燃料电池双极板，图6的电池极化曲线对比图的实验条件参照下表。

表1 操作参数

参数	数值
		操作压力 （Pa）	101325
操作温度 （K）	343
		阳极质量流量 （kg/s）	7×10<sup>-6</sup>
阳极湿度	100%
		阳极排水压力 （Pa）	2500
阴极质量流量 （kg/s）	1.43×10<sup>-5</sup>，6.59×10<sup>-5</sup>
		阳极湿度	100%
阴极排水压力 （Pa）	1875

尽管本文较多地使用了：双极板本体1，交指型流场2，局部流场21，反应气进口3，第一进气口31，第二进气口32，反应气出口4，排水气体入口5，叶脉状进气流道6，第一气体流道61，第一气体主干流道611，第一气体分支流道612，第二气体流道62，第二气体主干流道621，第二气体分支流道622，蛇形出气及排水流道7，第一拐道71，第二拐道72，第三拐道73等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (9)

1.一种主动排水叶脉状交指型流场燃料电池双极板，包括双极板本体，所述双极板本体上设置有交指型流场，其特征在于：所述交指型流场呈圆形或正多边形，以流场中心点为圆心，所述交指型流场包括平均分成n等份的局部流场，n≥2，所述局部流场包括反应气进口、反应气出口、排水气体入口、叶脉状进气流道和蛇形出气及排水流道，所述反应气进口设置于叶脉状进气流道外端，所述反应气出口设置于蛇形出气及排水流道内端，所述排水气体入口设置于蛇形出气及排水流道外端。

2.根据权利要求1所述的一种主动排水叶脉状交指型流场燃料电池双极板，其特征在于：所述反应气进口包括第一进气口和第二进气口，所述叶脉状进气流道包括第一气体流道和第二气体流道，所述第一进气口设置于所述第一气体流道外端，所述第二进气口设置于所述第二气体流道外端，所述第一气体流道和第二气体流道之间设置有所述蛇形出气及排水流道。

3.根据权利要求2所述的一种主动排水叶脉状交指型流场燃料电池双极板，其特征在于：所述第一气体流道包括第一气体主干流道和多条第一气体分支流道，所述第一气体分支流道设置于所述第一气体主干流道上，所述第一气体分支流道和所述第一气体主干流道相连通，所述第二气体流道包括第二气体主干流道和多条第二气体分支流道，所述第二气体分支流道设置于所述第二气体主干流道上，所述第二气体分支流道和所述第二气体主干流道相连通。

4.根据权利要求3所述的一种主动排水叶脉状交指型流场燃料电池双极板，其特征在于：所述第一气体分支流道和所述第二气体分支流道呈交指型设置，所述第一气体分支流道与第一气体主干流道的夹角为90°-90°/n，所述第二气体分支流道与第二气体主干流道的夹角和所述第一气体分支流道与第一气体主干流道的夹角相等，所述第一气体主干流道与所述第二气体主干流道之间的夹角为180°/n。

5.根据权利要求2所述的一种主动排水叶脉状交指型流场燃料电池双极板，其特征在于：所述交指型流场包括2n个反应气进口、n个第一气体流道、n个第二气体流道和2n个蛇形出气及排水流道。

6.根据权利要求1所述的一种主动排水叶脉状交指型流场燃料电池双极板，其特征在于：所述叶脉状进气流道宽度为k1，深度为k1，脊背宽度为0.5 k1。

7.根据权利要求6所述的一种主动排水叶脉状交指型流场燃料电池双极板，其特征在于：所述k1=0.6～1 mm。

8.根据权利要求1所述的一种主动排水叶脉状交指型流场燃料电池双极板，其特征在于：所述蛇形出气及排水流道包括与所述第一气体主干流道平行的第一拐道、与所述第二气体主干流道平行的第三拐道和连通第一拐道与第三拐道的第二拐道，所述蛇形出气及排水流道内的拐角总数为10，所述拐角夹角为90°-90°/n或90°+90°/n，流道截面形状为正方形，流道宽度和深度为k2，脊背宽度沿排水流道方向由k2减缩为0.5k2，梯度为0.1k2。

9.根据权利要求8所述的一种主动排水叶脉状交指型流场燃料电池双极板，其特征在于：k2=0.6～1 mm。