CN110289432A - 一种燃料电池双极板三维流场 - Google Patents

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全文祥
阎翰章
陈曦
黄泰明
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张敬
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Abstract

本发明涉及一种燃料电池双极板三维流场，包括设置在燃料电池流道板上的电池流道，所述电池流道包括流道入口、出口，所述电池流道包括至少一条子流道和至少两条曲面脊，且所述至少两条曲面脊相互平行，所述两条曲面脊将子流道的横截面构造成M型。M型流场结构强化了气体在气体扩散层中的流动，有效地移除气体扩散层中积累的液态水，相比于波浪型流道，没有局部的凹槽，不易储水，极大地提高了燃料电池中水的处理能力，同时也强化传热传质的能力，经过研究分析，传热传质相比于波浪型流场提高了大约42％。

Description

一种燃料电池双极板三维流场
技术领域
本发明涉及燃料电池双极板领域，特别是涉及一种燃料电池双极板三维流场。
背景技术
双极板是燃料电池的核心部件之一，占据了电池组质量的80％-90％和成本的30％。它起到了将反应物导入和均匀分配到电池反应区域，排出电池内部水、气物质，且能导电、导热等作用，是燃料电池的关键部件。合适的流道结构能提高传热传质效率，利于水的排出而改善水淹情况，使反应物在整个流场内浓度分布均匀，避免局部过热，提高燃料电池的性能。
最基本的是直通道流场，它具有较多的相互平行的流场通道，流程距离短，同时直流道结构简单，易加工。蛇形流道为一条或者多条曲折的流道构成，流程距离较长。另一种变截面流道以内部是起伏波浪形结构的流场为代表；
传统直流道的缺陷是反应气体在直流道中存留时间短，气体利用率低，流速相对较低，产生的水不能及时排出，易造成堵水；
传统蛇形流道的流道长度过长，气体在流道内的压降高，流阻大，造成流场板内电流密度不均匀。
变截面波浪形流道改善了流速慢的问题，但是流道波浪形底部容易储水且不易排出。
总的来说，现有技术中双极板流道存在传质能力不强、气体利用率低和温度分布及电流密度分布不均匀等问题。
发明内容
基于此，本发明针对上述问题，提出一种燃料电池双极板三维流场结构。
一种燃料电池双极板三维流场，包括设置在燃料电池流道板上的电池流道，所述电池流道包括流道入口、出口，所述电池流道包括至少一条子流道和至少两条曲面脊，且所述至少两条曲面脊相互平行，所述两条曲面脊将子流道的横截面构造成M型。
所述两条曲面脊中心线之间的距离稍小于曲面脊中心线到流道边界的距离；
进一步地，所述两条曲面脊沿流道方向分布；
进一步地，所述两条曲面脊高度大约为流道高度的80％-90％；
进一步地，所述电池流道可以是蛇形流道或平行直流道；
进一步地，所述曲面脊的截面为半椭圆结构；
进一步地，所述电池流道截面形状为矩形、梯形；
基于热力学极值原理，构建三维流道的优化策略。根据燃料电池双极板的工作环境，计算获得优化后的气体流道截面速度流场图。根据优化的流场结构，提出了M型流场的三维流道。
M型流场结构能促进反应气体向气体扩散层移动，提高了反应气体的传质能力，不仅提高了燃料电池的性能，也使燃料电池内的温度分布更加均匀。同时，M型流场结构强化了气体在气体扩散层中的流动，有效地移除气体扩散层中积累的液态水，相比于波浪型流道，没有局部的凹槽，不易储水，极大地提高了燃料电池中水的处理能力，同时也强化传热传质的能力，经过研究分析，传热传质性能相比于波浪型流场提高了大约42％。
附图说明
图1为本发明的燃料电池单条M型三维流场示意图；
图2为本发明的燃料电池单条M型三维流场截面尺寸示意图；
图3本发明的燃料电池单条M型三维流场气体流道截面速度流场图；
图4为本发明的燃料电池M型三维流场与波浪形流场性能对比图；
图5为本发明实施例1的燃料电池M型三维流场示意图；
图6为本发明实施例1的燃料电池M型三维流场截面图；
图7为本发明实施例2的燃料电池M型三维流场截面图；
图8为本发明实施例3的燃料电池M型三维流场截面图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示，一种燃料电池双极板三维流场，包括设置在燃料电池流道板上的电池流道，所述电池流道包括流道入口、出口，所述电池流道包括至少一条子流道2和至少两条曲面脊1，且所述至少两条曲面脊1相互平行，所述两条曲面脊将子流道2的横截面构造成M型。
所述两条曲面脊1中心线之间的距离稍小于曲面脊中心线到流道边界的距离；
进一步地，所述两条曲面脊1沿流道方向分布；
进一步地，所述两条曲面脊1高度大约为流道高度的80％-90％；
进一步地，所述电池流道可以是蛇形流道或平行直流道；
进一步地，所述曲面脊1的截面为半椭圆结构；
进一步地，所述电池流道截面形状为矩形、梯形；
本发明提出的一种燃料电池双极板三维流场是基于热力学极值原理，构建三维流道的优化策略。根据燃料电池双极板的工作环境，计算获得优化后的气体流道截面速度流场图，根据优化的流场结构，反复设计验证提出了M型流场的三维流道。
M型流场结构能促进气体向气体扩散层移动，强化了反应气体传质能力，不仅提高了燃料电池的性能，也使燃料电池内的温度分布更加均匀。同时，M型流场结构强化了气体在气体扩散层中的流动，有效地移除气体扩散层中积累的液态水，相比于波浪型流道，没有局部的凹槽，不易储水，极大地提高了燃料电池排水能力，防止水淹，同时也增加了强化传热传质的能力。
实施例1平行流道
图5和图6所示的燃料电池M型三维流场将两条曲面脊布置在截面为矩形的平行流道内，所述平行流道截面高度设置在0.5～1.5mm之间，截面宽度在1～2mm之间，脊背宽度设置在0.5～1mm之间。所述平行流道至少包含一条流道和至少两条脊背，且至少每条平行流道内部都有布置两条平行的曲面脊。所述曲面脊为半椭圆形，半椭圆形底部截面宽度大约为0.2～0.5mm之间，所述两条曲面脊高度大约为流道高度的80％～90％，所述两条曲面脊中心线之间的距离稍小于曲面脊中心线到流道边界的距离。
实施例2变流道截面
图7所示的燃料电池M型三维流场截面图，参照实施例1中曲面脊分布结构，将两条曲面脊布置在截面为梯形的平行流道内，梯形流道底部截面宽度尺寸与实施例1中矩形流道截面宽度尺寸相同，而流道截面侧壁偏斜角大约为105°～115°。其他结构与实施例1相同。
实施例3变M型
图8所示的燃料电池M型三维流场截面图，参照实施例1中平行流场结构，改变两条布置在截面为矩形的平行流道中的曲面脊形状，将实施例1的截面为半椭圆形的两个曲面脊设置为两个截面为矩形的脊，矩形脊的截面宽度尺寸与实施例1中半椭圆形曲面脊底部截面宽度尺寸相同。其他结构与实施例1相同。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种燃料电池双极板三维流场，其特征在于，包括：设置在燃料电池流道板上的电池流道，所述电池流道包括流道入口、出口，所述电池流道包括至少一条子流道和至少两条曲面脊，且所述至少两条曲面脊相互平行，两条曲面脊将子流道的横截面构造成M型。
2.一种如权利要求1所述的燃料电池双极板三维流场，其特征在于，所述两条曲面脊中心线之间的距离稍小于曲面脊中心线到流道边界的距离。
3.一种如权利要求2所述的燃料电池双极板三维流场，其特征在于，所述两条曲面脊沿流道方向分布。
4.一种如权利要求2所述的燃料电池双极板三维流场，其特征在于，所述两条曲面脊高度大约为流道高度的80％-90％。
5.一种如权利要求1所述的燃料电池双极板三维流场，其特征在于，所述电池流道是蛇形流道或平行直流道。
6.一种如权利要求1所述的燃料电池双极板三维流场，其特征在于，所述曲面脊的截面为半椭圆结构。
7.一种如权利要求1所述的燃料电池双极板三维流场，其特征在于，所述电池流道截面形状为矩形、梯形。
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