CN110212214A - 一种燃料电池中的双极板流场结构及双极板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，公开了一种燃料电池中的双极板流场结构及双极板，流场结构包括若干间隔设置在基板上的流道脊，相邻流道脊之间形成流道，流道内包括若干间隔分布的光滑段和粗糙段，流道脊上设有脊部分配槽。包括上述流场结构的双极板包括基板，基板中间设有用于容纳所述流场结构的盲孔，基板两侧分别设有进气汇流管和出气汇流管，盲孔内在各流道脊的两端分别设有导向凸块，盲孔靠近进气汇流管和出气汇流管的侧壁上分别设有进气孔和出气孔。本发明在流道内设置粗糙段，并在流道脊上设置脊部分配槽，粗糙段可以加快气体湍动并破碎水滴，提高流场排水能力；脊部分配槽道有利于保持气体在整个流场分配均匀，避免出现流动死区。
Description
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，尤其是涉及一种燃料电池中的双极板流场结构及双极板。
背景技术
作为一种零污染、高效率、将燃料的化学能直接转变为电能的发电装置，燃料电池已经被越来越多的应用于交通车辆、分布式电站、便携式电源等众多领域。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）的关键部件是膜电极和双极板，前者是发生电化学反应的场所，后者是收集电流和供给反应气体，排出未反应气体和反应产物。许多个双极板-膜电极-双极板重复堆叠，形成燃料电池电堆。作为关键部件之一的双极板，不仅占据燃料电池电堆重量的70%—80%，而且在燃料电池电堆的生产成本中也占据相当大的比例（>40%）。双极板流场的一个重要作用是引导反应气体流动，确保反应气体能够快速均匀的分配到电极扩散层，使其可以在催化层中发生电化学反应。如果流场设计不合理，会造成电极各处反应不均，引起电流密度分布不均，导致电池局部过热、积水等不良现象发生，降低电池性能，影响电池寿命。因此，双极板流场结构直接关系到燃料电池性能、寿命及电池堆各单体性能的均一性。
现有技术中的双极板流道一般包括多个流场沟脊，例如，一种在中国专利文献上公开的“双极板流道及双极板及燃料电池”，其公告号CN208000969U，包括多个流场沟脊；每两个流场沟脊之间形成一个流道；流场沟脊的宽度和高度均为100-1000微米；流道的宽度为100-1000微米。在使用过程中，流体从流道的一端进入，沿流道从其另一端流出。该双极板流道的流场沟脊的宽度和高度均为100-1000微米，流道的宽度为100-1000微米，这种超细密化流道的设置能够令流体在流道流通的过程中分布更加均匀，在进出口气体压力一定的情况下，压力损失梯度增大，实现快速排水。
但现有技术中的双极板流道结构难以在宽操作范围内使流经流道的气体产生紊流，增大气体的扩散系数，从而提高反应气体的反应效率。且现有技术中的双极板内部容易形成大的水滴，甚至部分流道死区，不利于排水。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中的双极板流道结构难以在宽操作范围内使流经流道的气体产生紊流，增大气体的扩散系数，从而提高燃料的电池效率；且现有技术中的双极板内部容易形成大的水滴，甚至部分流道死区，不利于排水的问题，提供一种燃料电池中的双极板流场结构及双极板，以强化燃料电池极板上气体的流动和提高排水的性能。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种燃料电池中的双极板流场结构，包括若干间隔设置在基板上的流道脊，相邻流道脊之间形成深度为H的流道，流道内包括若干间隔分布的光滑段和粗糙段，流道脊上设有脊部分配槽。
本发明所提供的燃料电池双极板流场结构，通过在流道内设置间隔分布的光滑段和粗糙段，光滑段可以加快排水速率，减少流动阻力；粗糙段可以改变流道的表面粗糙度，加快该部位气体流速，达到强化气体湍动流动、减少流动边界层厚度的作用，从而可以强制气体进入膜电极扩散层和扩散层水的排出，改善膜电极浓差极化，同时流道表面的粗糙段还能抑制水滴长大，有利于水的挥发，便于气流将水带出电池（电堆），有效地解决了燃料电池的水管理问题。
同时，本发明还在流道脊上设置脊部分配槽，有利于保持气体在整个流场分配均匀，避免出现流动死区，更有利于流道脊中间部位膜电极水分的排出，提高极板和膜电极催化剂利用率。
作为优选，脊部分配槽设置在流道脊上对应粗糙段的末端处，每间隔一个粗糙段设置一个脊部分配槽，相邻流道脊上的脊部分配槽交错设置。脊部分配槽设计在粗糙段的末端处，可以有效地保证水在经过粗糙段之后的排泄通畅，相邻流道脊上的脊部分配槽交错设置，可以保证流道内各个部位水流通畅，无流道死区。
作为优选，粗糙段的宽度与流道宽度相等，粗糙段的高度h0满足0.05H≥h0＞0.01H，粗糙段的长度L1满足50H≥L1＞10 H，相邻的粗糙段之间的距离L2满足L2≥50H。从而可以更好的增加流体扰动和流体阻力，更有利于气体向扩散层扩散。同时为了防止流体阻力过度的增加，不利于排水，光滑段的长度不宜过短，因此相邻的粗糙段之间的距离需≥50H。
作为优选，从气体进口端到出口端，粗糙段的长度逐渐增大。
作为优选，从气体进口端到出口端，相邻的粗糙段之间的间距逐渐减小。由于反应过程中的消耗，气体流量逐渐减少，因此粗糙段的长度逐渐增大，或间距逐渐减小密度增加可以弥补由此产生的气体流速减低问题，增加扰动，强化扩散。
作为优选，脊部分配槽的高度与流道的深度相等，宽度h1满足1.5H≥h1≥H。脊部分配槽设置在粗糙段的末端处，并满足此宽度范围，可以有效地保证在经过粗糙段之后的水排泄的通畅。
作为优选，脊部分配槽的一个侧壁设有折口，另一个侧壁设有与折口相对应的凸起，折口的两边与流道脊侧边之间的夹角α满足90°＞α＞45°。作为更优选，α满足70°≥α≥60°。在脊部分配槽的两个侧壁上分别设置相对应的折口和凸起，更有利于脊部分配槽的导向和疏水作用，使水能更好的排出。并且根据大量实验数据得出，夹角在上述范围内，排水效果最佳。
作为优选，对于金属材质的基板，流道脊和流道采用冲压的方法制备，流道内的粗糙段采用喷砂、喷涂、气相沉积碳或金属氧化物或金属氮化物的方法获得。冲压、喷砂、喷涂和气相沉积均为本领域的常规技术，不是本发明的重点。采用以上方法获得粗糙段，操作简便，工艺流程简单，且不会对基板造成损坏。
作为优选，对于石墨材质的基板，流道脊和流道采用冲压或机械切削的方法制备，流道内的粗糙段采用刀具加工、气相沉积碳的方法获得。机械切削、刀具加工和气相沉积均为本领域的常规技术，不是本发明的重点。采用刀具加工或气相沉积法在石墨基板上获得粗糙段，加工制造便捷，且不会影响双极板的整体性能。
本发明还提供了一种包括上述流场结构的双极板，包括基板，基板中间设有用于容纳所述流场结构的盲孔，基板两侧分别设有进气汇流管和出气汇流管，盲孔内在各流道脊的两端分别设有若干导向凸块，盲孔靠近进气汇流管和出气汇流管的侧壁上分别设有若干进气孔和出气孔。
在各流道脊的两端设置导向凸块，可使对从进气孔进入的气体起到导向作用，使气体均匀分配到各流道内，并使气体能更好的从出气孔排出；进气孔和出气孔设置在盲孔的侧壁上，使气体能更好的进入流道内，并能从流道内顺利排出。
因此，本发明具有如下有益效果：
（1）流道内包括间隔设置的光滑段和粗糙段，粗糙段可以加快该流场部位气体流速，强制气体反应介质进入膜电极扩散层，改善膜电极浓差极化，同时将大的水滴破碎，提高流场排水能力；光滑段可以加快排水速率，减少流动阻力。并限定了粗糙段之间的距离，避免流体阻力过大，不利于排水。
（2）从气体进口端到出口端，相邻的粗糙段之间的间距逐渐减小。可以弥补由于反应过程中的消耗，气体流量逐渐减少，从而气体流速降低的问题，增加扰动，强化扩散；
（3）在流道脊上设置脊部分配槽，有利于保持气体在整个流场分配均匀，避免出现流动死区，更有利于流道脊中间部位膜电极水分的排出，提高极板和膜电极催化剂利用率。脊部分配槽设计在粗糙段的末端处，随着粗糙段的密度增加，脊部分配槽也越来越密，有效地保证在经过粗糙段之后的水排泄的通畅。
附图说明
图1是实施例1中的双极板的俯视图；
图2是实施例1中双极板的一种流道结构示意图；
图3是图2中A部分的局部放大图；
图4是实施例2中双极板的一种流道结构示意图。
图中：1基板、 2流道脊、 201脊部分配槽、 2011折口、 2012凸起、 301光滑段、302粗糙段、 4进气汇流管、 5出气汇流管、 6盲孔、 7导向凸块、 8进气孔、 9出气孔。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例1：
如图1所示，一种燃料电池中的双极板，包括金属材质的基板1，基板两侧分别设有进气汇流管4和出气汇流管5，基板中间设有用于容纳流场结构的盲孔6。流场结构包括若干间隔设置在基板上的流道脊2，相邻流道脊之间形成深度H为0.5mm的流道，流道内包括间隔分布的六个光滑段301和五个用气相沉积碳的方法获得的粗糙段302，流道脊上设有脊部分配槽201。盲孔内在各流道脊的两端分别设有三个导向凸块7，盲孔靠近进气汇流管和出气汇流管的侧壁上分别设有若干进气孔8和出气孔9，进气孔和出气孔位于盲孔的对角方向上。其中盲孔、流道脊和流道以及导向凸块采用冲压的方法加工得到。
如图2所示，脊部分配槽设置在流道脊上对应粗糙段的末端处，每间隔一个粗糙段设置一个脊部分配槽，相邻流道脊上的脊部分配槽交错设置。粗糙段高度h0为15µm，从气体进口端到出口端，粗糙段长度L1依次为：6mm、7.2mm、8.6mm、10.4mm、12.4mm，相邻的粗糙段之间的距离L2为30mm。
如图3所示，脊部分配槽的高度为0.5mm，宽度h1为0.6mm，脊部分配槽的一个侧壁设有折口2011，另一个侧壁设有与折口相对应的凸起2012，折口的两边与流道脊侧边之间的夹角α为60°。
使用该双极板制成燃料电池后，使用时气体从进气孔进入盲孔，在导向凸块的导向作用下均匀分配至各流道内，流至出气孔排出。在流道内流动的过程中，经过粗糙段时粗糙段凸起可以加快该部位气体流速，强制气体进入膜电极扩散层，改善膜电极浓差极化，同时将大的水滴破碎，提高流场排水能力。脊部分配槽道有利于保持气体在整个流场分配均匀，避免出现流动死区，更有利于流道脊中间部位膜电极水分的排出，提高极板和膜电极催化剂利用率。
实施例2：
如图4所示，实施例2中的基板为石墨材质的基板，流道深度H为0.5mm，流道内包括间隔分布的八个光滑段301和七个用气相沉积碳的方法获得的粗糙段302，粗糙段高度h0为10µm，粗糙段长度L1为6mm，从气体进口端到出口端，相邻的粗糙段之间的距离L2依次为：62mm，52mm，43mm，36mm，30mm，25mm。其余结构均与实施例1中相同。
使用该双极板制成燃料电池后，使用时气体同样从进气孔进入盲孔，在导向凸块的导向作用下均匀分配至各流道内，流至出气孔排出。由于反应过程中的消耗，气体流量从进口端到出口端逐渐减少，因此粗糙段的间距逐渐减小密度增加可以弥补由此产生的气体流速减低问题，增加扰动，强化扩散。
Claims (10)
1.一种燃料电池中的双极板流场结构，其特征是，包括若干间隔设置在基板上的流道脊，所述相邻流道脊之间形成深度为H的流道，所述流道内包括若干间隔分布的光滑段和粗糙段，所述流道脊上设有脊部分配槽。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池中的双极板流场结构，其特征是，所述脊部分配槽设置在流道脊上对应粗糙段的末端处，每间隔一个粗糙段设置一个脊部分配槽，相邻流道脊上的脊部分配槽交错设置。
3.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池中的双极板流场结构，其特征是，所述粗糙段的宽度与流道宽度相等，粗糙段的高度h0满足0.05H≥h0＞0.01H，粗糙段的长度L1满足50H≥L1＞10 H，相邻的粗糙段之间的距离L2满足L2≥50H。
4.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池中的双极板流场结构，其特征是，从气体进口端到出口端，粗糙段的长度逐渐增大。
5.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池中的双极板流场结构，其特征是，从气体进口端到出口端，相邻的粗糙段之间的间距逐渐减小。
6.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池中的双极板流场结构，其特征是，所述脊部分配槽的高度与流道的深度相等，宽度h1满足1.5H≥h1≥H。
7.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池中的双极板流场结构，其特征是，所述脊部分配槽的一个侧壁设有折口，另一个侧壁设有与折口相对应的凸起，所述折口的两边与流道脊侧边之间的夹角α满足90°＞α＞45°。
8.根据权利要求1所述的一种燃料电池中的双极板流场结构，其特征是，对于金属材质的基板，所述流道脊和流道采用冲压的方法制备，流道内的粗糙段采用喷砂、喷涂、气相沉积碳或金属氧化物或金属氮化物的方法获得。
9.根据权利要求1所述的一种燃料电池中的双极板流场结构，其特征是，对于石墨材质的基板，所述流道脊和流道采用冲压或机械切削的方法制备，流道内的粗糙段采用刀具加工、气相沉积碳的方法获得。
10.一种包括如权利要求1所述的流场结构的双极板，其特征是，包括基板，所述基板中间设有用于容纳所述流场结构的盲孔，基板两侧分别设有进气汇流管和出气汇流管，所述盲孔内在各流道脊的两端分别设有若干导向凸块，盲孔靠近进气汇流管和出气汇流管的侧壁上分别设有若干进气孔和出气孔。
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