CN111952615B - 一种增强传质的燃料电池精细流场的排布结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增强传质燃料电池精细流场的结构及其排布方式。燃料电池的冷却隔板紧密贴合精细流场板的顶片，精细流场板的底片紧密贴合气体扩散层；阴极反应气体流场位于冷却隔板与气体扩散层之间流经精细流场板。流场单元排布方式分为正六边形分布型、正三角形分布型与复合分布型，结合不同的使用场景选择相应排布方式获得优良的综合性能。本发明通过对燃料电池精细流场的结构设计与罗列排布，在不大幅提高压降的情况下，有效改善了反应物分布的均匀性，提高了阴极气体扩散层除水性能，具有更好的性能输出和稳定性，提高燃料电池的功率密度与寿命。

Description

一种增强传质的燃料电池精细流场的排布结构
技术领域
本发明涉及燃料电池流场的结构和排布方式设计，具体来说是涉及一种增强传质的燃料电池精细流场的排布结构。
背景技术
21世纪以来，随着化石能源的逐渐枯竭，人们不断寻找和开发清洁可再生的能源。在当前的新能源中，氢能具有燃烧热值高、污染低、可再生等优势，是化石燃料的理想替代能源。
燃料电池是一种使氢气与氧气通过电化学反应发电的装置，随着人们对清洁能源的迫切需求，从而获得了广泛的关注。而质子交换膜燃料电池又是目前较成熟的一种燃料电池技术。其使用可再生的能源——氢气、氧气，反应生成物为水，从而实现了零排放。
燃料电池的单电池主要由膜电极(扩散层、催化剂、质子交换膜热压而成)、双极板和密封材料三部分组成，其中双极板需要具有多种功能，主要包括：分隔反应气体；使得反应气体可以到达膜电极参与反应；收集并传导电流；支撑膜电极以及承担整个燃料电池的散热与排水功能。
中国发明专利(申请号：201911349726.5)公开了一种燃料电池用鱼鳞仿生结构的流道，其包括极板主体、气体流道、脊、装配孔、反应气体入口、冷却液入口、冷却液出口、反应气体出口、气体扩散层和若干鱼鳞仿生导流板，具有提高电池的性能和稳定性的优点。
中国发明专利(申请号：201280019368.1)公开了一种燃料电池的气体流路结构，其金属网分上游第一金属网和下游第二金属网，既能够抑制由于气体入口处的干燥引起的输出降低，也能够在常温和高温下都确保必要输出电压。
然而目前已公开的燃料电池少数有考虑压降的，并且极板流道设计仍需进一步考虑增加功率密度，提升膜电流分布均一度，尤其是促进极板与气体扩散层接触区域的产物水排出。
发明内容
为了解决和实现背景技术中存在的技术问题，本发明的目的在于在兼顾燃料电池功率密度的情况下提供一种压降小、效率高、排水性能强而增强传质的燃料电池精细流场的排布结构。
本发明采用的技术方案如下：
燃料电池包括冷却隔板、精细流场板和气体扩散层；冷却隔板紧密贴合精细流场板的顶片，精细流场板的底片紧密贴合气体扩散层；阴极反应气体流场位于冷却隔板与气体扩散层之间流经精细流场板。
所述精细流场板包括多个流场单元紧密连接排布而成，每个流场单元之间都相互连通；流场单元包括顶片，三个矩形肋条和三个底片；顶片和底片均为正六边，尺寸相同，底片通过矩形肋条连接到顶片上，且底片绕顶片的中心轴线以间隔120°中心对称布置，矩形肋条的宽度与顶片和底片的边长相等，并且矩形肋条与气体扩散层的夹角为45°。每个流场单元的宽度在1mm～2mm之间，长度在1mm～2mm之间，高度在0.3mm～1mm之间。
所述矩形肋条包括迎气流方向上倾斜的矩形肋条和背气流方向上倾斜的矩形肋条；阴极反应气体流场在冷却隔板和气体扩散层之间沿单向流动，迎气流方向上倾斜的矩形肋条对流经的阴极反应气体流场起到扰流与增强阴极反应气体在流场内左右传质作用，背气流方向上倾斜的矩形肋条对流经的阴极反应气体流场起到下压阴极反应气体、增强扩散层内阴极反应气体浓度并促使反应产物排出的作用。
所述精细流场板为正六边形分布型精细流场板，正三角形分布型精细流场板和复合分布型精细流场板。
所述正六边形分布型精细流场板中，每三个相邻的顶片的中间设有一个底片，每三个相邻的底片的中间也设有一个顶片；对于每个顶片，顶片正六边形中沿圆周间隔均布的三条边均通过各自倾斜向下的矩形肋条和相邻的三个底片的一条边连接；对于每个底片，底片正六边形中沿圆周间隔均布的三条边均通过各自倾斜向上的矩形肋条和相邻的三个顶片的一条边连接。
所述正三角形分布型精细流场板中，每六个相邻的顶片的中间设有一个底片，每三个相邻的底片的中间也设有一个顶片；对于每个顶片，顶片正六边形中沿圆周间隔均布的三条边均通过各自倾斜向下的矩形肋条和相邻的三个底片的一条边连接；对于每个底片，底片正六边形的六条边均通过各自倾斜向上的矩形肋条和相邻的六个顶片的一条边连接。
所述复合分布型精细流场板由正六边形单元与正三角形单元共同在平面延展排布组合而成，具体沿阴极反应气体流向按照下列方式之一排布：
A)先以正六边形分布型精细流场板排布形成前金属网，再以正三角形分布型精细流场板排布形成后金属网；
B)先以正三角形分布型精细流场板排布形成前金属网，再以正六边形分布型精细流场板排布形成后金属网；
C)以正六边形分布型精细流场板排布与正三角形分布型精细流场板排布交替进行，组成疏密交替的金属网。
不论是正六边形分布型精细流场板，还是正三角形分布型精细流场板，或者是复合分布型精细流场板，其中的顶片与三个矩形肋条连接后，在三个矩形肋条中的每相邻两个矩形肋条和顶片之间围成等腰梯形，作为阴极反应气体流场的气体出入口。
所述精细流场板由厚度为0.1mm以下的薄板复合冲裁而成，可由碳素钢板、不锈钢板、钛合金板、铜板、镍铜合金板或可延展非金属导电薄板制成。
所述冷却隔板厚度为0.1mm以下的不锈钢板、碳素钢板、钛合金板或可延展非金属导电薄板，用于分隔反应气流道与冷却水流道；冷却隔板表面通过冲压工艺制造凸台，对冷却水起扰流作用。
本发明的有益效果是：
本发明能实现强化传质，相比传统石墨直流道燃料电池，采用薄板加工成型，大幅缩小了燃料电池单电极厚度，极大的增高了燃料电池堆功率密度。能使膜电流分布均匀，难以发生水淹与热点，具有更好的性能输出和稳定性，提高燃料电池的功率密度与寿命。
附图说明
图1是本发明的精细流场组合示意图；
图2是本发明的流道单元等轴测图；
图3是本发明的流道单元俯视图；
图4是本发明的正六边形排布精细流场板上下二等角轴测图；
图5是本发明的正六边形排布方式示意图；
图6是本发明的正六边形排布精细流场板内部气体流动线图；
图7是本发明的三角形排布精细流场板上下二等角轴测图；
图8是本发明的三角形排布方式示意图；
图9是本发明的三角形排布精细流场板内部气体流动线图；
图10是本发明的复合排布方式示意图；
图中：1、冷却隔板，2、精细流场板，3、气体扩散层，4、顶片，5、矩形肋条，6、底片，7、流场单元，8、迎气流方向上倾斜的矩形肋条，9、背气流方向上倾斜的矩形肋条，10、正六边形分布型精细流场板，11、正六边形单元，12、正三角形分布型精细流场板，13、正三角形单元，14、复合分布型精细流场板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，燃料电池包括冷却隔板1、精细流场板2和气体扩散层3；冷却隔板1紧密贴合精细流场板2的顶片4，精细流场板2的底片6紧密贴合气体扩散层3，冷却隔板1和气体扩散层3相平行布置；阴极反应气体流场位于冷却隔板1与气体扩散层3之间流经精细流场板2。
精细流场板2包括多个流场单元7紧密连接排布而成，每个流场单元7之间都相互连通；流场单元7均可传导电流。
如图2所示，流场单元7包括顶片4，三个矩形肋条5和三个底片6；顶片4和底片6均为等大的正六边形，底片6通过矩形肋条5连接到顶片4上，且底片6绕顶片4的中心轴线以间隔120°中心对称布置，矩形肋条5的宽度与顶片4和底片6的边长相等，并且矩形肋条5与气体扩散层3的夹角为45°；所有底片6位于同一平面，所有顶片4位于同一平面，所有肋条5与底片6和顶片4所在的平面均呈45°夹角。
矩形肋条5包括迎气流方向上倾斜的矩形肋条8和背气流方向上倾斜的矩形肋条9；如图3所示，阴极反应气体流场在冷却隔板1和气体扩散层3之间沿单向流动，迎气流方向上倾斜的矩形肋条8对流经的阴极反应气体流场起到扰流与增强阴极反应气体在流场内左右传质作用，背气流方向上倾斜的矩形肋条9对流经的阴极反应气体流场起到下压阴极反应气体、增强扩散层内阴极反应气体浓度并促使反应产物排出的作用。
底片6和顶片4形状相同，尺寸相同。每条的边长范围为0.2～0.5mm。顶片4上表面与底片6上表面之间的高度差范围为0.3～0.8mm。
精细流场板2根据流场单元7排布方式不同为正六边形分布型精细流场板10，正三角形分布型精细流场板12和复合分布型精细流场板14。
如图4、图5所示，正六边形分布型精细流场板10中，每三个相邻的顶片4的中间设有一个底片6，每三个相邻的底片6的中间也设有一个顶片4；对于每个顶片4，顶片4正六边形中沿圆周间隔均布的三条边均通过各自倾斜向下的矩形肋条5和相邻的三个底片6的一条边连接；对于每个底片6，底片6正六边形中沿圆周间隔均布的三条边均通过各自倾斜向上的矩形肋条5和相邻的三个顶片4的一条边连接，从而形成正六边形分布型精细流场板10。
如图6所示，正六边形排布对气流的扰流作用较小，同时对阴极反应气体存在一定的下压作用，迫使一小部分阴极反应气体进入气体扩散层，从而带出阴极反应产生的产物水。该种分布下阴极反应气体流动平顺，浓度梯度变化小，压降小。
如图7、图8所示，正三角形分布型精细流场板12中，每六个相邻的顶片4的中间设有一个底片6，每三个相邻的底片6的中间也设有一个顶片4；对于每个顶片4，顶片4正六边形中沿圆周间隔均布的三条边均通过各自倾斜向下的矩形肋条5和相邻的三个底片6的一条边连接；对于每个底片6，底片6正六边形的六条边均通过各自倾斜向上的矩形肋条5和相邻的六个顶片4的一条边连接，从而形成正三角形分布型精细流场板12。
如图9所示，正三角形排布对气流的扰流作用较大，同时会迫使大量阴极反应气体被下压进入气体扩散层。该种分布下阴极反应气体流速大，浓度梯度变化较大，除水性能强。
如图10所示，复合分布型精细流场板14由正六边形单元11与正三角形单元13共同在平面延展排布组合而成，具体沿阴极反应气体流向按照下列方式之一排布：
A)先以正六边形分布型精细流场板10排布形成前金属网，再以正三角形分布型精细流场板12排布形成后金属网；
B)先以正三角形分布型精细流场板12排布形成前金属网，再以正六边形分布型精细流场板10排布形成后金属网；
C)以正六边形分布型精细流场板10排布与正三角形分布型精细流场板12排布交替进行，组成疏密交替的金属网；
不论是正六边形分布型精细流场板10，还是正三角形分布型精细流场板12，或者是复合分布型精细流场板14，其中的顶片4与三个矩形肋条5连接后，在三个矩形肋条5中的每相邻两个矩形肋条5和顶片4之间围成等腰梯形，作为阴极反应气体流场的气体出入口，使得矩形肋条5两两分别与冷却隔板1与气体扩散层3组成等腰梯形气体出入口。
精细流场板2由厚度为0.1mm以下的薄板复合冲裁而成，可由碳素钢板、不锈钢板、钛合金板、铜板、镍铜合金板或可延展非金属导电薄板制成。
冷却隔板1厚度为0.1mm以下的不锈钢板、碳素钢板、钛合金板或可延展非金属导电薄板，用于分隔反应气流道与冷却水流道；冷却隔板1表面通过冲压工艺制造凸台，对冷却水起扰流作用。
本发明的具体实施例如下：
本发明主要应用于质子交换膜燃料电池的阴极，但也可根据其他实际情况应用于阳极，阴阳极工作原理相同。
阴极反应气体从气体入口进入后，遇到迎气流方向上倾斜的矩形肋条8，阴极反应气体被抬升且产生横向扰流，后因为背气流方向上倾斜的矩形肋条9的下压作用形成朝向气体扩散层的俯冲气流，一部分到达膜电极组合体参与电化学反应，另一部分带出气体扩散层中的产物水。
按照流道单元7的不同排列方式，精细流场板可以分为正六边形分布型精细流场板10、正三角形分布型精细流场板12和复合分布型精细流场板14。其中，正六边形分布型精细流场板10压降小，气体分布均匀，同时兼备一定的除水能力，适合大尺寸低流量精细流场燃料电池；正三角形分布型精细流场板12扰流作用强，除水性能优异，适合小尺寸高功率密度燃料电池；复合分布型精细流场板14综合了正六边形分布和正三角形分布的优点，可以根据实际情况通过仿真得到最佳排布方式，合理排布流道单元7，适合大尺寸高功率密度燃料电池，尤其是商用燃料电池汽车领域。
此外，由于本发明在实现强化传质目的同时，相比传统石墨直流道燃料电池，采用薄板加工成型，大幅缩小了燃料电池单电极厚度，极大的增高了燃料电池堆功率密度。同时由于流道分布均匀，除水性能强，膜两边反应气体分布均匀，从而使膜电流分布均匀，难以发生水淹与热点，具有更好的性能输出和稳定性，提高燃料电池的功率密度与寿命。

Claims (9)

1.一种增强传质的燃料电池精细流场的排布结构，其特征在于：包括冷却隔板（1）、精细流场板（2）和气体扩散层（3）；冷却隔板（1）紧密贴合精细流场板（2）的顶片（4），精细流场板（2）的底片（6）紧密贴合气体扩散层（3）；反应气体流场位于冷却隔板（1）与气体扩散层（3）之间流经精细流场板（2）；
所述精细流场板（2）包括多个流场单元（7）紧密连接排布而成，每个流场单元（7）之间都相互连通；流场单元（7）包括顶片（4），三个矩形肋条（5）和三个底片（6）；顶片（4）和底片（6）均为等大的正六边形，底片（6）通过矩形肋条（5）连接到顶片（4）上，且底片（6）绕顶片（4）的中心轴线以间隔120°中心对称布置，矩形肋条（5）的宽度与顶片（4）和底片（6）的边长相等，并且矩形肋条（5）与气体扩散层（3）的夹角为45°。
2.根据权利要求1所述的一种增强传质的燃料电池精细流场的排布结构，其特征在于：所述矩形肋条（5）包括迎气流方向上倾斜的矩形肋条（8）和背气流方向上倾斜的矩形肋条（9）；阴极反应气体流场在冷却隔板（1）和气体扩散层（3）之间沿单向流动，迎气流方向上倾斜的矩形肋条（8）对流经的阴极反应气体流场起到扰流与增强阴极反应气体在流场内左右传质作用，背气流方向上倾斜的矩形肋条（9）对流经的阴极反应气体流场起到下压阴极反应气体、增强扩散层内阴极反应气体浓度并促使反应产物排出的作用。
3.根据权利要求1所述的一种增强传质的燃料电池精细流场的排布结构，其特征在于：所述的底片（6）和顶片（4）形状相同，尺寸相同。
4.根据权利要求1所述的一种增强传质的燃料电池精细流场的排布结构，其特征在于：所述精细流场板（2）为正六边形分布型精细流场板（10），正三角形分布型精细流场板（12）和复合分布型精细流场板（14）。
5.根据权利要求4所述的一种增强传质的燃料电池精细流场的排布结构，其特征在于：所述正六边形分布型精细流场板（10）中，每三个相邻的顶片（4）的中间设有一个底片（6），每三个相邻的底片（6）的中间也设有一个顶片（4）； 对于每个顶片（4），顶片（4）正六边形中沿圆周间隔均布的三条边均通过各自倾斜向下的矩形肋条（5）和相邻的三个底片（6）的一条边连接；对于每个底片（6），底片（6）正六边形中沿圆周间隔均布的三条边均通过各自倾斜向上的矩形肋条（5）和相邻的三个顶片（4）的一条边连接。
6.根据权利要求4所述的一种增强传质的燃料电池精细流场的排布结构，其特征在于：所述正三角形分布型精细流场板（12）中，每六个相邻的顶片（4）的中间设有一个底片（6），每三个相邻的底片（6）的中间也设有一个顶片（4）； 对于每个顶片（4），顶片（4）正六边形中沿圆周间隔均布的三条边均通过各自倾斜向下的矩形肋条（5）和相邻的三个底片（6）的一条边连接；对于每个底片（6），底片（6）正六边形的六条边均通过各自倾斜向上的矩形肋条（5）和相邻的六个顶片（4）的一条边连接。
7.根据权利要求4所述的一种增强传质的燃料电池精细流场的排布结构，其特征在于：所述复合分布型精细流场板（14）由正六边形单元（11）与正三角形单元（13）共同在平面延展排布组合而成，具体沿阴极反应气体流向按照下列方式之一排布：
A)先以正六边形分布型精细流场板（10）排布形成前金属网，再以正三角形分布型精细流场板（12）排布形成后金属网；
B)先以正三角形分布型精细流场板（12）排布形成前金属网，再以正六边形分布型精细流场板（10）排布形成后金属网；
C)以正六边形分布型精细流场板（10）排布与正三角形分布型精细流场板（12）排布交替进行，组成疏密交替的金属网；
不论是正六边形分布型精细流场板（10），还是正三角形分布型精细流场板（12），或者是复合分布型精细流场板（14），其中的顶片（4）与三个矩形肋条（5）连接后，在三个矩形肋条（5）中的每相邻两个矩形肋条（5）和顶片（4）之间围成等腰梯形，作为阴极反应气体流场的气体出入口。
8.根据权利要求1所述的一种增强传质的燃料电池精细流场的排布结构，其特征在于：所述精细流场板（2）由厚度为0.1mm以下的薄板复合冲裁而成，由碳素钢板、不锈钢板、钛合金板、铜板、镍铜合金板或可延展非金属导电薄板中的一种制成。
9.根据权利要求1所述的一种增强传质的燃料电池精细流场的排布结构，其特征在于：所述冷却隔板（1）厚度为0.1mm以下的不锈钢板、碳素钢板、钛合金板或可延展非金属导电薄板，用于分隔反应气流道与冷却水流道；冷却隔板（1）表面通过冲压工艺制造凸台，对冷却水起扰流作用。
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