CN111370726A - 一种燃料电池径向流场结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池径向流场结构，包括极板材(1)、进气口(2)、环形流场(3)、多级肋板(4)和流道孔(5)，所述的进气口(2)位于整个流场结构的中心，其形状可为圆形或正多边形，所述的多级肋板(4)上分布着贯通的流道孔(5)，所述的进气孔(2)和多级肋板(4)均加工在极板材(1)上。反应气体从进气孔(2)进入流场，由中心向四周通过每级肋板上的流道孔(5)径向扩散到下一层环形流场(3)。与现有发明相比，本发明促进反应气体在流场中的充分扩散，提高了反应气体的扩散传质效率，改善了电池的输出效率，同时反应气体通过流道孔向四周均匀扩散，保证了气体在流场中的均匀分布，避免了流道堵塞和水淹现象的发生。

Description

一种燃料电池径向流场结构
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池径向流场结构。
背景技术
燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的能量转化装置，因其具有能量转化率高、环保无污染、噪声低等优点，被认为是最具潜力的能量转换装置。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，故不受卡诺循环的限制，理论效率可达90％。燃料电池可应用于航空、航天、航海、汽车、发电站、便携式设备电源能等领域。近年来燃料电池技术备受各国以及各大企业的高度重视，被认为是21世纪最有前途的清洁能源转化装置。
双极板作为燃料电池的关键部件之一，具有电流收集、燃料气体分配、水热管理和结构支撑等作用，其性能的优劣主要取决于其中的流场结构。燃料电池的产能效率和燃料利用率很大程度上由双极板的流场结构决定。如果反应气在电极表面分布不均匀，将会导致电池局部过热；局部产物水聚集，反应气体传输不畅、阻力增加，进而导致燃料电池输出功率降低，缩短燃料电池的使用寿命。
一种理想的流场结构能够改善反应气体的流动状态，使反应气体充分且均匀地通过流道，保证电极各处及时获得反应物，并且能及时排除生成物，提高燃料电池的发电效率和燃料的利用率。至今已开发的燃料电池的流场有平行流场、蛇型流场和交指型流场等。专利CN109768299A中公开的水车型燃料电池流场采取反应气体呈扇形辐射状直接扩散的方式，使得气体扩散流程短，进而导致气体扩散不充分，不利于高效地扩散传质；专利CN206194865U中公开的网格结构流场，采用单一出气口的设计，不利于产物水的排出，易造成水堵现象。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有燃料电池流场结构存在的缺陷，有效地解决燃料电池流场中气体扩散不充分等问题，提供一种燃料电池的径向流场结构。这种结构保证了反应气体更均匀的分布在各环形扩散流场中，更有利于反应气体充分地进行电化学反应，提高了反应气体的利用率，同时利于产物水的排出，提升了燃料电池的性能。
本发明为达到上述目的所采用的技术方案：
一种燃料电池径向流场结构，包括极板材、进气口、环形流场、多级肋板和流道孔，所述的进气口的形状可为圆形或正多边形，所述的多级肋板上分布着贯通的流道孔，所述的进气口和多级肋板均加工在极板材上。反应气体从进气孔进入流场，由中心向四周通过每级肋板上的流道孔径向扩散到下一层环形流场。
进一步地，所述的极板材的形状为圆形。
进一步地，所述的进气口设置于整个流场结构的中心。
进一步地，所述的多级肋板将极板材分隔形成多层环形流场。
进一步地，所述的多级肋板可根据极板材面积调整其级数，级数与极板材面积成正比，极板材面积越大，级数越多。
进一步地，同一级肋板上的流道孔的位置可设计成中心对称分布或非对称分布。
进一步地，不同级肋板上的流道孔的形状、尺寸可不同的。
进一步地，相邻肋板上的流道孔的中心位置可设计成交错分布或沿同一径向方向。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明一种燃料电池径向流场结构中多级肋板分隔出的多层环形流场，搭配交错分布的流道孔，保证了反应气体在流场中的充分扩散，提高了反应物的扩散传质效率，提高了反应物利用率，改善了燃料电池的输出效率。
2.本发明在流场中心进气，搭配多级肋板上呈环形分布的流道孔，避免了气体沿同一路径扩散，有利于气体通过流道孔径向均匀扩散，保证了气体在流场中的均匀分布，避免了气体分布不均导致的产物水聚集现象，同时反应气体及产物水从流场最外侧边缘排出，不易发生流道堵塞和水淹现象。
3.本发明一种燃料电池径向流场结构中的流道孔的形状、尺寸和位置均可根据实际情况进行调整，增强了流场结构的普适性，降低了生产加工的难度，方便了实践使用中对流道的维护和修整。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的燃料电池径向流场结构的三维示意图；
图中：1、极板材，2、进气孔，3、环形流场，4、多级肋板，5、流道孔。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1所示的一种燃料电池径向流场结构，圆形极板材的中心位置有进气孔2，进气孔2形状可为圆形或正多边形，在极板材上以进气孔2中心为圆心设置有呈环形的多级肋板4，多级肋板的级数根据极板材面积计算设定，在肋板上均匀分布着流道孔5，同一级肋板上的流道孔位置的安排可设计成中心对称分布或非对称分布，不同级肋板上的流道孔的形状、尺寸可不同的，相邻肋板上的流道孔中心位置可设计成交错分布或沿同一径向方向，相邻的两个肋板之间形成环形流场3，反应气体从进气孔2进入整个流场结构，从最内层环形流场开始，反应气体在该层环形流场中充分扩散之后，会通过与相邻外侧环形流场之间的肋板上的流道孔5径向扩散到相邻外侧环形流场之中，如此进行下去，反应气体通过流道孔由中心向四周逐层环形流场径向扩散，最终剩余的反应气和产物水会从极板材最外侧的流道孔排出整个流场结构。
多级肋板上的流道孔可根据实际需要设计成各种形状都在本申请的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种燃料电池径向流场结构，包括极板材(1)、进气口(2)、环形流场(3)、多级肋板(4)和流道孔(5)，所述的进气口(2)的形状可为圆形或正多边形，所述的多级肋板(4)上分布着贯通的流道孔(5)，所述的进气口(2)和多级肋板(4)均加工在极板材(1)上。反应气体从进气孔(2)进入流场，由中心向四周通过每级肋板上的流道孔(5)径向扩散到下一层环形流场(3)。
2.根据权利要求1所述一种燃料电池径向流场结构，其特征在于，所述的极板材(1)的形状为圆形。
3.根据权利要求1所述一种燃料电池径向流场结构，其特征在于，所述的进气口(2)设置于整个流场结构的中心。
4.根据权利要求1所述一种燃料电池径向流场结构，其特征在于，所述的多级肋板(4)将极板材分隔形成多层环形流场(3)。
5.根据权利要求1所述一种燃料电池径向流场结构，其特征在于，所述的多级肋板(4)可根据极板材面积调整其级数，级数与极板材面积成正比，极板材面积越大，级数越多。
6.根据权利要求1所述一种燃料电池径向流场结构，其特征在于，同一级肋板上的流道孔(5)的位置可设计成中心对称分布或非对称分布。
7.根据权利要求1所述一种燃料电池径向流场结构，其特征在于，不同级肋板上的流道孔(5)的形状、尺寸可不同。
8.根据权利要求1所述一种燃料电池径向流场结构，其特征在于，相邻肋板上的流道孔(5)的中心位置可设计成交错分布或沿同一径向方向。
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