CN109904483B - 燃料电池双极板流场、双极板及电堆结构 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种燃料电池双极板流场、双极板及电堆结构，通过对燃料电池双极板流场的结构优化、电堆的合理装配等途径，来保证电堆输出性能的一致性和燃料电池综合性能的提升，具体的，流场包括多个依次排布的反应区，且相邻的反应区之间通过过渡区连通，每个反应区内设置有多个流道，相邻的流道之间设置有突起的脊，反应区内至少有一个为第一反应区，所述第一反应区通过分配区能够与燃料入口连接，反应区至少有一个为第二反应区，所述通过汇合区能够与燃料出口连接。

Description

燃料电池双极板流场、双极板及电堆结构

技术领域

本公开涉及一种燃料电池双极板流场、双极板及电堆结构。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有绿色环保、能量密度高、发电效率高、启动速度快等优点，被认为是最具潜力的未来车用动力源之一。

据发明人了解，在实际应用中，由于单片PEMFC的输出功率较低，因此大多是通过多个单电池串联，以电池堆的形式满足用户对功率或者电压的需求，在工作时，要求电堆中各单电池性能须保持一致性。然而，由于目前的PEMFC存在结构设计不当、组装不合理等因素，常常会导致反应气体在双极板流场和各单电池之间分布不均，影响了燃料电池输出性能的提高。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种燃料电池双极板流场、双极板及电堆结构，本公开通过燃料电池双极板流场的结构优化、电堆的合理装配等途径，来保证电堆输出性能的一致性和燃料电池综合性能的提升。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种燃料电池双极板流场，所述流场包括多个依次排布的反应区，且相邻的反应区之间通过过渡区连通，每个反应区内设置有多个流道，相邻的流道之间设置有突起的脊，反应区内至少有一个为第一反应区，所述第一反应区通过分配区能够与燃料入口连接，反应区至少有一个为第二反应区，所述第二反应区通过汇合区能够与燃料出口连接。

上述技术方案中，通过分配区、反应区、过渡区和汇合区的依次配合，实现了气体流场的优化。

作为进一步的限定，所述分配区、过渡区和汇合区内设有多个凸点；

作为一种可选的方案，所述凸点与脊的高度一致。

分配区、过渡区和汇合区内的凸点结构有助于反应气体向各流道内均匀分配气体。

作为进一步的限定，所述反应区沿燃料入口到燃料出口方向上依次布设，其内部设置的脊的数量依次递增。

当反应物进入极板流场后，由于流过后一反应区(流场下游)的反应物在逐渐消耗并减少，故增加后一反应区脊的数量意味着该处流道的总宽度变窄，有利于流场下游维持较高的流速，因而有利于反应物向电极内扩散；同时该设计使得极板流场下游的阻力增大，有利于增加反应物在流场下游的停留时间，利于提高燃料利用率。

作为进一步的限定，所述各个反应区的宽度一致，且各反应区内脊的宽度保持一致。

作为进一步的限定，所述各个反应区的流道壁面设置有疏水性涂层。

当然，流道的横截面形状可以为多种，不用限制，如矩形、梯形、半圆形、燕尾形等。

一种燃料电池双极板，包括极板，所述极板上设置有燃料入口、燃料出口，所述燃料入口和燃料出口之间设置有上述的流场。

一种电堆结构，包括多个并列的上述燃料电池双极板，且各个燃料电池双极板流场下游脊的数量不同。

作为一种可选的方案，靠近出入口装配区的电池双极板流场下游脊的数量，多于靠近中间区域装配区的电池双极板流场下游脊的数量。

通过在电堆装配时靠近总管出入口装配区的单电池流场下游脊的数量更多、流道总宽度更窄的设计，可以实现此区域的电池组流动阻力更大，则进入该处单电池的反应物流量相应减少，有利于远离总管出入口位置处单电池的反应物流量的增加，使反应物在整个电堆之间分配地更加均匀。

具体的，以电堆总管出入口的中间位置为对称轴进行对称组装燃料电池双极板，靠近电堆总管入口和电堆总管出口的电池组为第一装配区，远离电堆总管入口和出口的电池组为第二装配区，以此类推，则最中间位置为第N装配区(N≥3)，且每个装配区由若干个单电池组装而成。

或，电堆第一装配区的单电池流场下游脊的数量大于第二装配区，即第一装配区的单电池流动阻力较大，第二装配区的单电池流场下游脊的数量大于第三装配区，第N-1装配区的单电池流场下游脊的数量大于第N装配区(N≥3)，以此类推。

作为进一步的限定，所述电堆结构为Z形或两侧Z形进料结构。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开通过燃料电池双极板流场的结构优化、电堆的合理装配等途径，来保证电堆输出性能的一致性和燃料电池综合性能的提升，解决了反应气体在整个电堆内分布不均匀的问题，提高了双极板流场下游的反应效果和膜电极催化剂的利用率，使得各单电池的性能更加均匀一致，有助于改善燃料电池的综合性能。

本公开设置多个反应区,增大反应面积的同时,反应区沿燃料入口到燃料出口方向上依次布设，其内部设置的脊的数量依次递增，使得当反应物进入极板流场后，由于流过后一反应区(流场下游)的反应物在逐渐消耗并减少，故增加后一反应区脊的数量意味着该处流道的总宽度变窄，有利于流场下游维持较高的流速，因而有利于反应物向电极内扩散；同时该设计使得极板流场下游的阻力增大，有利于增加反应物在流场下游的停留时间，利于提高燃料利用率。

本公开通过在电堆装配时靠近总管出入口装配区的单电池流场下游脊的数量更多、流道总宽度更窄的设计，可以实现此区域的电池组流动阻力更大，则进入该处单电池的反应物流量相应减少，有利于远离总管出入口位置处单电池的反应物流量的增加，使反应物在整个电堆之间分配地更加均匀。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本实施例的燃料电池极板的结构示意图；

图2是本实施例的电堆Z形进气的结构示意图；

图3是本实施例的电堆两侧Z形进气的结构示意图；

其中：1-极板、2-流道、3-脊、4-第一反应区、5-过渡区a、6-定位孔、7-燃料入口、8-凸点、9-分配区、10-过渡区b、11-第二反应区、12-流场、13-第三反应区、14-汇合区、15-燃料出口、16-电池组、17-电堆、18-电堆总管入口、19-电堆总管出口、20-第一装配区、21-第二装配区、22-第N装配区(N≥3)。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

本实施例中，以空气为反应气体进行详细描述，当然，在其他实施例中，可以替换为其他反应物，如氧气、氢气等燃料。

如图1所示，一种燃料电池双极板流场结构，包括极板，所述极板上设置有燃料入口、燃料出口，所述燃料入口和燃料出口之间设置有流场，所述流场包括流道、脊、分配区、过渡区a、过渡区b、汇合区、第一反应区、第二反应区和第三反应区，所述分配区和混合区a之间设置有第一反应区，所述过渡区a和过渡区b之间设置有第二反应区，所述过渡区b和汇合区之间设置有第三反应区。

当然，在本实施例中，以三个反应区为例进行描述，在其他实施例中，可以改变反应区的个数与大小。相应的，当反应区的数量改变后，过渡区的数量也会随之改变，当反应区的大小改变后，过渡区的宽度和/或长度也会随之调整，以实现反应物能够顺利的从一个反应区进入与之相连的另一个反应区内。

在一种或多种实施例中，各个反应区大小一致或基本一致。第一反应区、第二反应区和第三反应区的宽度一致。

分配区、过渡区a、过渡区b和汇合区内设有凸点。且在本实施例中，所述凸点为细小的圆柱体结构，且圆柱体高度与脊的高度一致。

当然，凸点也可以是椭圆柱体、棱柱等形状。

在本实施例中，第一反应区内脊的数量为N1、第二反应区内脊的数量为N2，第三反应区内脊的数量为N3，且N1＜N2＜N3。

当然，在其他实施例中，如果反应区的数量变化，上述脊数量的设置规律并不变化。依旧是依次递增。这是因为，当反应气体进入极板流场后，由于流过后一反应区(流场下游)的气体在逐渐消耗并减少，故增加后一反应区脊的数量意味着该处流道的总宽度变窄，有利于流场下游维持较高的气体流速，因而有利于气体向电极内扩散；同时该设计使得极板流场下游的阻力增大，有利于增加反应气体在流场下游的停留时间，利于提高燃料利用率；分配区、过渡区和汇合区内的凸点结构有助于反应气体向各流道内均匀分配气体。

在本实施例中，各反应区的脊的宽度保持一致。

作为一种设置方式，极板上还设置有定位孔。以更好的进行定位。

作为一种或多种实施例中，各个反应区或至少部分反应区的流道壁面具有疏水性涂层。以保证反应区不被腐蚀，或污染反应气体。

在不同的实施例中，流道的形状可以不同，在此举例说明为，流道的横截面形状可以为矩形、梯形、半圆形、燕尾形等。在此不再穷举。

在不同的实施例中，极板材质可以不同，包括但不限于石墨、金属、复合材料等。

各极板阴阳极的流体为逆向流动。

如图2、图3所示，电堆由若干组极板流场下游脊的数量不同的单电池组合装配而成。

在一种或多种实施例中，以电堆总管出入口的中间位置为对称轴进行对称组装单电池，靠近电堆总管入口和电堆总管出口的电池组为第一装配区，远离电堆总管入口和出口的电池组为第二装配区，以此类推，则最中间位置为第N装配区(N≥3)，且每个装配区由若干个单电池组装而成。

作为另一种方式，电堆第一装配区的单电池流场下游脊的数量大于第二装配区，即第一装配区的单电池流动阻力较大，第二装配区的单电池流场下游脊的数量大于第三装配区，第N-1装配区的单电池流场下游脊的数量大于第N装配区(N≥3)，以此类推。

电堆装配时靠近总管出入口装配区的单电池流场下游脊的数量更多、流道总宽度更窄，即此区域的电池组流动阻力更大，则进入该处单电池的气体流量相应减少，有利于远离总管出入口位置处单电池的气体流量的增加，使反应气体在整个电堆之间分配地更加均匀。

电堆的结构形式须为Z形进气或两侧Z形进气结构。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种电堆结构，其特征是：包括多个并列的燃料电池双极板，且各个燃料电池双极板流场下游脊的数量不同；靠近出入口装配区的电池双极板流场下游脊的数量，多于靠近中间区域装配区的电池双极板流场下游脊的数量；所述流场包括多个依次排布的反应区，且相邻的反应区之间通过过渡区连通，每个反应区内设置有多个流道，相邻的流道之间设置有突起的脊，反应区内至少有一个为第一反应区，所述第一反应区通过分配区能够与燃料入口连接，反应区至少有一个为第二反应区，所述第二反应区通过汇合区能够与燃料出口连接；

所述分配区、过渡区和汇合区内设有多个凸点；

所述反应区沿燃料入口到燃料出口方向上依次布设，其内部设置的脊的数量依次递增；每个反应区的宽度一致；

所述双极板上设置有燃料入口、燃料出口，所述燃料入口和燃料出口之间设置有所述的流场；

每个反应区内脊的宽度保持一致。

2.如权利要求1所述的一种电堆结构，其特征是：所述凸点与脊的高度一致。

3.如权利要求1所述的一种电堆结构，其特征是：每个反应区的流道壁面设置有疏水性涂层。

4.如权利要求1所述的一种电堆结构，其特征是：以电堆总管出入口的中间位置为对称轴进行对称组装燃料电池双极板，靠近电堆总管入口和电堆总管出口的电池组为第一装配区，远离电堆总管入口和出口的电池组为第二装配区，则最中间位置为第N装配区，N≥3，且每个装配区由若干个燃料电池双极板组装而成；

电堆第一装配区的电池组流场下游脊的数量大于第二装配区，第二装配区的电池组流场下游脊的数量大于第三装配区，第N-1装配区的电池组流场下游脊的数量大于第N装配区，N≥3。

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