CN112086658A - 一种燃料电池流场板及燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池流场板及燃料电池，涉及燃料电池领域，主要适用于氢‑空气燃料电池及氢氧燃料电池。该流场板包括：进气口、出气口、流道、脊、流道底部的凹槽和凸台，所述凹槽和凸台沿流道方向分布在流道沟的底部，并分别位于两个极板。所述流场板通过在两个极板流道底部的壁面分别设置凹槽和凸台，当燃料电池装配时，凹槽和凸台相互啮合，使两个极板无法发生相对移动。并且流道内的凹槽和凸台结构将液滴与流道壁的交界面进行分割，减小了二者的有效接触面积，抑制液态水形成连续的水膜，有利于液态水的排出，缓解“水淹”现象的发生。同时凹槽和凸台结构的存在还加强了气流扰动，增加了对流换热面积，提高了流场的传质和换热能力。

Description

一种燃料电池流场板及燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体地，涉及一种燃料电池流场板及燃料电池。
背景技术
氢-空气燃料电池是一种具有前景的新型发电装置，它以氢气做还原剂，氧气做氧化剂，通过化学反应实现化学能向电能的直接转化。燃料电池不需要遵循卡诺循环热效率的限制，可以达到很高的理论效率。此外，燃料电池还具有噪音小、绿色环保、工作温度低、启动快等优点。因此氢-空气燃料电池受到了广泛关注。燃料电池的水管理问题一直是燃料电池性能优化中的重点问题，当电堆在较大的电流密度下工作时容易出现“水淹”问题，阻碍反应气到达活性位点，从而使燃料电池性能大大下降。双极板是燃料电池的核心部件之一，现有双极板在使用时都是通过多个螺栓进行固定，不方便使用者使用，在使用的时候也容易出现螺栓丢失的现象，安装效率低，给使用带来影响。双极板上的流道可以将反应物气体均匀分配到电极的反应层进行化学反应，同时还要将燃料电池中过量的水排出，防止发生“水淹”，将流道、气体扩散层或催化层淹没，影响反应的进行。双极板的流道形式决定着流道内气体的流动状态，从而影响着反应物在电极各处的均匀分配。因此合理的流道结构可以辅助螺栓进行固定，同时还可以改善氢-空气燃料电池的水管理问题，保证化学反应的高效进行，使氢-空气燃料电池装置具有稳定高效的输出。
常见的燃料电池流道有平行流道、蛇形流道、交指型流道、点状流道和网状流道等。平行流道的压力损失虽然较小，但是容易造成气体分布不均；蛇形流道虽然具有较强的排水能力，但是其流道过长，造成反应气体压降过大，在流道后段容易出现反应气体供应不足和“水淹”现象。交指型流道由于流道不连续，气体被强制通到气体扩散层，提高了气体的利用率，但流体分布不均匀，压降较大。点状流道存在容易短路、电极表面利用率低、反应气体流速低等问题。网状流道虽然加强了传质过程，但是由于流道内气体流速较低，导致排水能力较差，并且流动均匀性也不够理想。因此，设计一种既能够保证流体在流场中均匀分布，压降又不是太大，同时还能将液态水迅速有效地排出的双极板结构对燃料电池性能的提升是很有必要的。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种燃料电池流场板及燃料电池。
根据本发明提供的一种燃料电池流场板，包括流场板、进气口、出气口、流道以及流道脊，其中：
流道和流道脊均设置在流场板上；
流体从进气口进入流道，并从出气口流出；
流道沟底部设置有凹槽和凸台，凹槽和凸台分别位于两个极板上。
优选地，凹槽和凸台位于流道沟底部的中间位置，凹槽或凸台的长度与流道长度相当。
优选地，所述流道呈平行流道、蛇形流道、折形流道、S形流道或者交指形流道。
优选地，凹槽或凸台沿流道宽度方向上的截面形状包括矩形、梯形、三角形、半圆形或半椭圆形。
优选地，所述流道沿流道宽度方向的截面形状包括梯形、矩形或半圆形。
优选地，所述流场板包括石墨板或者金属板。
优选地，流道和流道脊交错分布设置。
优选地，凹槽和凸台沿流道方向连续分布。
根据本发明提供的一种燃料电池，包括上述的燃料电池流场板。
优选地，所述燃料电池包括氢-空气燃料电池或者氢氧燃料电池。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明的流场板分别在两个极板的流道底部设置凹槽和凸台，在组装时凹槽和凸台相互配合，对极板进行固定，可以减少螺栓使用数量和组装工作量；
2、本发明的流场板通过在流道中设置凹槽和凸台结构，将固液接触界面进行分割，减少了液滴聚积，便于液态水的排出；
3、本发明中采用的凹槽和凸台结构可以提高气体在流道内的流速，对气流造成扰动，增强气体向扩散层的传质；保证燃料电池高效稳定地输出。
4、本发明采用的凹槽和凸台结构可以增加对流换热面积，从而增强流场的换热能力，使温度场分布更加均匀；
5、本发明提出的凹槽和凸台结构便于加工制造，具有大规模应用的可能性。
6、本发明可以辅助螺栓进行双极板的固定，减少螺栓的数量，提高安装效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明实施例1的流场板结构示意图。
图2是本发明实施例2的流场板结构示意图。
图3是本发明实施例3的流场板结构示意图。
图4是本发明实施例4的流场板结构示意图。
图中：1进气口、2出气口、3流道、4脊、5流场板、6凸台、7流道截面。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，根据本发明提供的一种燃料电池流场板，主要适用于氢-空气燃料电池和氢氧燃料电池，所述流场板由金属材料制成，所述阴极板包括进气口，出气口，流道，脊，流道沟底部的凹槽，所述阳极板包括进气口，出气口，流道，脊，流道沟底部的凸台。所述进气口和出气口通过流场板上的流道相连。流道采用平行流道，流道截面采用梯形截面，流道底部的凹槽和凸台为三角形。电池组装时，阴极板的凹槽和阳极板的凸台相互配合，将两个极板固定，使其无法移动。本发明的流场板在工作时，将气体通入进气口1，气体沿着流道3进行移动和反应，到达出气口2处排出未反应的气体和反应生成的水。流场板5中的4是脊，脊4与流道3交替相间排布，起到了支撑流场板 5和分隔气体的作用。6是流道沟底部的凹槽或凸台结构，7是流道截面放大图。凹槽和凸台将平整的流道壁面进行界面分割，减小了水滴与流道壁的有效接触面积，避免流道内形成连续的水膜，有利于液态水的排出。同时由于凹槽和凸台的存在对气流造成一定扰动，以及对流换热面积的增加，使流场的传质能力和换热能力加强，提高化学反应速率并保证温度温度场的均匀性。
实施例2
如图2所示，根据本发明提供的一种燃料电池流场板，主要适用于氢-空气燃料电池和氢氧燃料电池，所述流场板由金属材料制成，所述阴极板包括进气口，出气口，流道，脊，流道沟底部的凹槽，所述阳极板包括进气口，出气口，流道，脊，流道沟底部的凸台。所述进气口和出气口通过流场板上的流道相连。流道采用蛇形流道，流道截面采用梯形截面，流道底部的凹槽和凸台为弧形。电池组装时，阴极板的凹槽和阳极板的凸台相互配合，将两个极板固定，使其无法移动。本发明的流场板在工作时，将气体通入进气口1，气体沿着流道3进行移动和反应，到达出气口2处排出未反应的气体和反应生成的水。流场板5中的4是脊，脊4与流道3交替相间排布，起到了支撑流场板5 和分隔气体的作用。6是流道沟底部的凹槽或凸台结构，7是流道截面放大图。凹槽和凸台将平整的流道壁面进行界面分割，减小了水滴与流道壁的有效接触面积，避免流道内形成连续的水膜，有利于液态水的排出。同时由于凹槽和凸台的存在对气流造成一定扰动，以及对流换热面积的增加，使流场的传质能力和换热能力加强，提高化学反应速率并保证温度温度场的均匀性。
实施例3
如图3所示，根据本发明提供的一种燃料电池流场板，主要适用于氢-空气燃料电池和氢氧燃料电池，所述流场板由金属材料制成，所述阴极板包括进气口，出气口，流道，脊，流道沟底部的凹槽，所述阳极板包括进气口，出气口，流道，脊，流道沟底部的凸台。所述进气口和出气口通过流场板上的流道相连。流道采用折形流道，流道截面采用梯形截面，流道底部的凹槽和凸台为梯形。电池组装时，阴极板的凹槽和阳极板的凸台相互配合，将两个极板固定，使其无法移动。本发明的流场板在工作时，将气体通入进气口1，气体沿着流道3进行移动和反应，到达出气口2处排出未反应的气体和反应生成的水。流场板5中的4是脊，脊4与流道3交替相间排布，起到了支撑流场板5 和分隔气体的作用。6是流道沟底部的凹槽或凸台结构，7是流道截面放大图。凹槽和凸台将平整的流道壁面进行界面分割，减小了水滴与流道壁的有效接触面积，避免流道内形成连续的水膜，有利于液态水的排出。同时由于凹槽和凸台的存在对气流造成一定扰动，以及对流换热面积的增加，使流场的传质能力和换热能力加强，提高化学反应速率并保证温度温度场的均匀性。
实施例4
如图3所示，根据本发明提供的一种燃料电池流场板，主要适用于氢-空气燃料电池和氢氧燃料电池，所述流场板由金属材料制成，所述阴极板包括进气口，出气口，流道，脊，流道沟底部的凹槽，所述阳极板包括进气口，出气口，流道，脊，流道沟底部的凸台。所述进气口和出气口通过流场板上的流道相连。流道采用S形流道，流道截面采用梯形截面，流道底部的凹槽和凸台为半圆形。电池组装时，阴极板的凹槽和阳极板的凸台相互配合，将两个极板固定，使其无法移动。本发明的流场板在工作时，将气体通入进气口1，气体沿着流道3进行移动和反应，到达出气口2处排出未反应的气体和反应生成的水。流场板5中的4是脊，脊4与流道3交替相间排布，起到了支撑流场板 5和分隔气体的作用。6是流道沟底部的凹槽或凸台结构，7是流道截面放大图。凹槽和凸台将平整的流道壁面进行界面分割，减小了水滴与流道壁的有效接触面积，避免流道内形成连续的水膜，有利于液态水的排出。同时由于凹槽和凸台的存在对气流造成一定扰动，以及对流换热面积的增加，使流场的传质能力和换热能力加强，提高化学反应速率并保证温度温度场的均匀性。
进一步的，在上述四个实施例中，本发明的脊4的两侧还设置有第二凸台，第二凸台连续设置或者第二凸台间距分布设置。
本发明的流场板分别在两个极板的流道底部设置凹槽和凸台，在组装时凹槽和凸台相互配合，对极板进行固定，可以减少螺栓使用数量和组装工作量；流场板通过在流道中设置凹槽和凸台结构，将固液接触界面进行分割，减少了液滴聚积，便于液态水的排出；采用的凹槽和凸台结构可以提高气体在流道内的流速，对气流造成扰动，增强气体向扩散层的传质；保证燃料电池高效稳定地输出。采用的凹槽和凸台结构可以增加对流换热面积，从而增强流场的换热能力，使温度场分布更加均匀；本发明提出的凹槽和凸台结构便于加工制造，具有大规模应用的可能性。本发明可以辅助螺栓进行双极板的固定，减少螺栓的数量，提高安装效率。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种燃料电池流场板，其特征在于，包括流场板、进气口、出气口、流道以及流道脊，其中：
流道和流道脊均设置在流场板上；
流体从进气口进入流道，并从出气口流出；
流道沟底部设置有凹槽和凸台，凹槽和凸台分别位于两个极板上。
2.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于，凹槽和凸台位于流道沟底部的中间位置，凹槽或凸台的长度与流道长度相当。
3.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于，所述流道呈平行流道、蛇形流道、折形流道、S形流道或者交指形流道。
4.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于，凹槽或凸台沿流道宽度方向上的截面形状包括矩形、梯形、三角形、半圆形或半椭圆形。
5.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于，所述流道沿流道宽度方向的截面形状包括梯形、矩形或半圆形。
6.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于，所述流场板包括石墨板或者金属板。
7.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于，流道和流道脊交错分布设置。
8.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于，凹槽和凸台沿流道方向连续分布。
9.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的燃料电池流场板。
10.根据权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括氢-空气燃料电池或者氢氧燃料电池。
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