CN112928297A - 燃料电池流场板 - Google Patents

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Abstract

本发明属于汽车燃料电池技术领域，公开了一种燃料电池流场板，包括第一扰流板组和第二扰流板组，第一扰流单元包括沿X轴方向连接的第一底板、第一顶板、第一过渡板和第一尾板，第二扰流单元包括沿X轴方向连接的第二底板、第二顶板、第二过渡板和第二尾板，相互对置的第一顶板和第二底板中，所述第一顶板相连的所述第一过渡板与所述第二底板相连的所述第二尾板之间形成沿Y轴方向延伸、Z轴方向对置的两个三角形通道。相互对置的第一顶板和第二底板中，第一顶板连接的第一过渡板与第二底板连接的第二尾板之间形成沿Y轴方向延伸、Z轴方向对置的两个三角形通道，进而使反应物能够在X轴方向上扩散时的梯度变化更均匀，在Y轴方向上扩散时更均匀。

Description

燃料电池流场板
技术领域
本发明涉及汽车燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池流场板。
背景技术
流场板是燃料电池的一个重要组成部分，其作用体现在：1、流体分布，将燃料与氧化剂分别输送到阳极和阴极的催化剂层进行反应，未反应的氧化剂将阴极反应后生成的水通过流场板带出，以防止阴极遭受水淹；2、机械支撑，支撑膜电极以使燃料以及氧化剂可在指定压力下进行反应；3、串联单电池形成电通路。
为了保证燃料电池的性能和寿命，需要保持膜电极各点性能一致，因此需要保持膜电极各点的气体分布均匀、温度分布均匀。如果气体分布不一致，膜电极各点散热条件不一致，会导致膜电极各点实际性能有较大差异，严重时会导致膜电极出现局部过热，甚至烧穿质子交换膜。此外，如果燃料电池运行中生成的多余的水不能及时排除，堵塞流道，会造成气体流动受阻，无法均匀分布。同时燃料电池阴极流场、阳极流场、冷却流场的压降对风机、气泵、液泵的选型有很大影响。
传统的燃料电池流场板的结构带有明显的沟槽和脊，其通常是以冲压工艺制备的。其不足主要是连续性的沟槽和脊会隔断供给气体的分布，使得在沟槽部分对应的反应区域气体的浓度与脊部分对应的反应区域的气体浓度具有明显差异；另一方面，由于所有沟槽都处于同一平面，使得气体的流动速度主要在平行于流场的方向上进行；此外，由于入口处的尺寸限制，分配区的上下区域压力分布以及流速分布差异通常比较大。
另一种流场板如丰田公司所使用的，这种流场板是网状结构，其包含无数个精密冲压工艺制备的开孔槽结构。显然其可以实现良好的气体分布和不同方向的传输速率，但是并没有对沿双极板宽度方向上的流场分布做出优化和改善，这显然会造成该方向上的浓度分布差异。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池流场板，以解决燃料电池内部横向压力梯度差异过大导致流速不均匀的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种燃料电池流场板，包括沿Y轴方向交错排列的第一扰流板组和第二扰流板组，所述第一扰流板组包括若干个沿X轴方向连接的第一扰流单元，所述第二扰流板组包括若干个沿X轴方向连接的第二扰流单元，其中：
所述第一扰流单元包括沿X轴方向连接的第一底板、第一顶板、第一过渡板和第一尾板，所述第一过渡板倾斜地连接在所述第一底板和所述第一顶板之间，所述第一尾板倾斜地连接在所述第一顶板背离所述第一过渡板的一端；
所述第二扰流单元包括沿X轴方向连接的第二底板、第二顶板、第二过渡板和第二尾板，所述第二过渡板倾斜地连接在所述第二底板和所述第二顶板之间，所述第二尾板倾斜地连接在所述第二顶板背离所述第二过渡板的一端，任一所述第一顶板设有与其沿Y轴方向对置的一个所述第二底板；
其中，相互对置的所述第一顶板和所述第二底板中，所述第一顶板相连的所述第一过渡板与所述第二底板相连的所述第二尾板之间形成沿Y轴方向延伸、Z轴方向对置的两个三角形通道。
作为上述燃料电池流场板的优选方案，所述第一扰流单元和所述第二扰流单元的结构和尺寸相同。
作为上述燃料电池流场板的优选方案，相互对置的第一顶板和所述第二底板中，所述第一顶板的沿Y轴方向延伸的中心轴和所述第二底板的沿Y轴方向延伸的中心轴延长线重合，且所述第一底板和所述第一过渡板之间的第一夹角与第一顶板和所述第一尾板之间的第二夹角相同。
作为上述燃料电池流场板的优选方案，所述第一夹角介于100°-150°之间。
作为上述燃料电池流场板的优选方案，所述第一扰流单元中，所述第一底板沿X轴方向延伸的长度和所述第一顶板沿X轴方向延伸的长度相同。
作为上述燃料电池流场板的优选方案，所述第一底板沿X轴方向延伸的长度介于0.02mm-100mm之间。
作为上述燃料电池流场板的优选方案，所述第一底板、所述第一顶板、所述第一过渡板和所述第一尾板沿Y轴方向延伸的长度均相同。
作为上述燃料电池流场板的优选方案，所述第一底板沿Y轴延伸的长度介于0.05mm-10mm。
作为上述燃料电池流场板的优选方案，所述第一底板和所述第一顶板的厚度相同，并介于0.05mm-1mm。
作为上述燃料电池流场板的优选方案，所述第一底板的上表面与所述第一顶板的下表面的沿Z轴方向的间距介于0.05mm-2mm。
本发明的有益效果：相互对置的第一顶板和第二底板中，第一顶板连接的第一过渡板与第二底板连接的第二尾板之间形成沿Y轴方向延伸、Z轴方向对置的两个三角形通道，进而使反应物或反应产物能够在X轴方向上扩散时的梯度变化更均匀，在Y轴方向上扩散时更均匀。
附图说明
图1是本申请实施例一的燃料电池流场板的结构示意图；
图2是本申请实施例一的第一扰流单元的结构示意图；
图3是本申请实施例一的第二扰流单元的结构示意图；
图4是本申请实施例一的相邻两排第一扰流单元和第二扰流单元的第一视角的结构示意图；
图5是本申请实施例一的相邻两排第一扰流单元和第二扰流单元的第二视角的结构示意图；
图6A是现有技术的流场板的压力分布示意图；
图6B是实施例一燃料电池流场板的压力分布示意图；
图7A是现有技术的流场板的流速分布示意图；
图7B是实施例一燃料电池流场板的速分布示意图；
图8是本申请实施例二的第一扰流单元的侧视图；
图9是本申请实施例二的两个第一扰流单元和相邻的第二扰流单元的侧视图；
图10是本申请实施例三的第一扰流单元和相邻的第二扰流单元的侧视图。
图中：
100-第一扰流板组；200-第二扰流板组；
1-第一扰流单元；2-第二扰流单元；
11-第一底板；12-第一顶板；13-第一过渡板；14-第一尾板；
21-第二底板；22-第二顶板；23-第二过渡板；24-第二尾板。
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详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
本发明提供一种燃料电池流场板，该燃料电池流场板安装在燃料电池中，反应物或反应产物能够在燃料电池流场板上流动，以下实施例以氢气进行说明。
实施例一
图1是本申请实施例一的燃料电池流场板的结构示意图，如图1所示，燃料电池流场板包括基板(图1中未示出)、第一扰流板组100和第二扰流板组200，第一扰流板组100和第二扰流板组200沿Y轴方向交错排列在基板上。即一个第一扰流板组100的Y轴方向的一侧设有一个第二扰流板组200，第二扰流板组200的Y轴方向的另一侧设有第二个第一扰流板组100，以此类推。
进一步，第一扰流板组100包括若干个沿X轴方向连接的第一扰流单元1，第二扰流板组200包括若干个沿X轴方向连接的第二扰流单元2。
图2是本申请实施例一的第一扰流单元1的结构示意图，如图2所示，第一扰流单元1包括沿X轴方向连接的第一底板11、第一顶板12、第一过渡板13和第一尾板14，第一过渡板13倾斜地连接在第一底板11和第一顶板12之间，第一尾板14倾斜地连接在第一顶板12背离第一过渡板13的一端。
需要说明的是，第一过渡板13和第一尾板14与X-Y平面形成夹角，换言之，第一顶板12、第一过渡板13和第一尾板14之间形成相对于基板的一个凸起。
进一步，第一底板11、第一顶板12、第一过渡板13和第一尾板14均为平板结构。
图3是本申请实施例一的第二扰流单元2的结构示意图，如图3所示，第二扰流单元2包括沿X轴方向连接的第二底板21、第二顶板22、第二过渡板23和第二尾板24，第二过渡板23倾斜地连接在第二底板21和第二顶板22之间，第二尾板24倾斜地连接在第二顶板22背离第二过渡板23的一端。
需要说明的是，第二过渡板23和第二尾板24与X-Y平面形成夹角，换言之，第二顶板22、第二过渡板23和第二尾板24之间形成相对于基板的另一个凸起。
图4是本申请实施例一的相邻两排第一扰流单元1和第二扰流单元2的第一视角的结构示意图，图5是本申请实施例一的相邻两排第一扰流单元1和第二扰流单元2的第二视角的结构示意图。从图4和图5可以看出，任一第一顶板12设有与其沿Y轴方向对置的第二底板21，对于相互对置的第一顶板12和第二底板21，第一顶板12相连的第一过渡板13与第二底板21相连的第二尾板24之间形成沿Y轴方向延伸、Z轴方向对置的两个三角形通道。
继续参见图1-5，氢气沿S1路线进入图5左侧的第二扰流单元2，之后遇到第二扰流单元2的第二过渡板23向两侧运动，分别沿S21和S22进入其相邻的两个第一扰流单元1，以S21为例，一部分到达图5中的第一顶板12和第一尾板14之间，也可以进入第一尾板14和第一底板11之间，其中，进入第一顶板12和第一尾板14之间是沿Y轴方向运动，而进入第一尾板14和第一底板11之间是沿X轴方向运动，以此类推。
进一步，在本申请实施例中，第一扰流单元1和第二扰流单元2的结构和尺寸相同。进而使第一扰流板组100和第二扰流板组200的结构相同，并且可以采用相同的制作工艺，进而节省了工艺成本。
另一方面，第一扰流单元1和第二扰流单元2的整体沿Y轴方向延伸的长度一致，即第一扰流单元1和第二扰流单元2在X-Y平面投影为矩形。这样并排连接第一扰流单元1和第二扰流单元2时，两者的连接处沿一条直线。
在本申请实施例中，以第一扰流单元1为例，第一底板11沿Y轴方向延伸的长度介于0.05mm-10mm，第一顶板12、第一过渡板13和第一尾板14沿Y轴方向延伸的长度和第一底板11一致。优选地，第一底板11沿Y轴方向延伸的长度为10mm。
进一步，为了保证燃料电池流场板的力学性能，第一底板11和第一顶板12的厚度相同，并介于0.05mm-1mm。在实施例一中，第一底板11和第一顶板12的厚度均为1mm。
进一步，为了保证氢气的交换效率，第一底板11的上表面与第一顶板12的下表面的沿Z轴方向的间距介于0.05mm-2mm。在实施例一中，，第一底板11的上表面与第一顶板12的下表面的沿Z轴方向的间距为0.5mm。
图6A是现有技术的流场板的压力分布示意图，图6B是实施例一燃料电池流场板的压力分布示意图，图6A和图6B中，横坐标表示距离(单位为mm)，纵坐标表示压力(本领域用压强单位Pa表示)，现有技术的流场板，从流场板左上角输入，再到右下角输出，整个流场板的压力梯度横向分布差异较大，而本实施例的燃料电池流场板中沿X轴方向和Y轴方向的压力分布均非常均匀，即同一X轴坐标位置的压力差别沿Y轴方向的变化较小，几乎一致，而沿同一Y轴坐标位置的压力沿X轴方向均匀递减。
图7A是现有技术的流场板的流速分布示意图，图7B是实施例一燃料电池流场板的速分布示意图，图7A和图7B中，横坐标表示沿X轴方向的长度(单位为mm),纵坐标表示流速(单位为m/s)，可以看出，现有技术的流场板在流到拐角处的流速较大，和其他位置的流速差异明显，而本实施例的燃料电池流场板中整体分布均匀，并形成网状结构。
实施例二
在本实施例是在实施例一的基础上进行改进，在实施例二中，一方面，第一扰流单元1和第二扰流单元2的结构和尺寸相同，并且，相互对置的第一顶板12和第二底板21的沿Y轴方向延伸的中心轴延长线重合，图8是本申请实施例二的第一扰流单元1的侧视图，如图8所示，第一底板11和第一过渡板13之间的第一夹角θ1与第一顶板12和第一尾板14之间的第二夹角θ2相同。
图9是本申请实施例二的两个第一扰流单元1和相邻的第二扰流单元2的侧视图，可以看出，图9中第一扰流单元1和第二扰流单元2形成的第一三角形通道M1和第二三角形通道M2关于Z轴对称。并且相互对置的第一扰流单元1和第二扰流单元2之间形成所有的第一三角形通道M1的形状均相同，且形成的所有的第二三角形通道M2的形状均相同，这样氢气在燃料电池流场板沿X向和Y向的压力变化更加均匀。
进一步，在本申请实施例中，第一夹角θ1和第二夹角θ2介于100°-150°之间。
在本申请实施例中，第一夹角θ1和第二夹角θ2均设置为120°。
实施例三
在本实施例是在实施例二的基础上进行改进，在实施例三中，第一扰流单元1中，第一底板11沿X轴方向延伸的长度和第一顶板12沿X轴方向延伸的长度相同。也即第一底板11、第二底板21、第一顶板12和第二顶板22沿X轴方向延伸的长度均相同。
即在实施例二的基础上，且第一底板11沿X轴方向延伸的长度和第一顶板12沿X轴方向延伸的长度相同时，如图10所示，根据几何原理，实施例三中的第一扰流单元1和第二扰流单元2均形成有等角梯形部分结构，第一过渡板13和第二尾板24交叉形成的第三三角形通道M3与第四三角形通道M4分别关于X轴和Z轴对称，氢气在第一扰流单元1和第二扰流单元2之间流动时更平稳，沿Y轴方向变化和沿X轴方向压力梯度变化更均匀。
在本申请实施例中，第一底板11沿X轴方向延伸的长度介于0.02mm-100mm之间。具体地，在本实施例三中，第一底板11沿X轴方向延伸的长度为10mm。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池流场板，其特征在于，包括基板及设置在所述基板上并沿Y轴方向间隔排列的第一扰流板组(100)和第二扰流板组(200)，所述第一扰流板组(100)包括若干个沿X轴方向连接的第一扰流单元(1)，所述第二扰流板组(200)包括若干个沿X轴方向连接的第二扰流单元(2)，其中：
所述第一扰流单元(1)包括沿X轴方向连接的第一底板(11)、第一顶板(12)、第一过渡板(13)和第一尾板(14)，所述第一过渡板(13)倾斜地连接在所述第一底板(11)和所述第一顶板(12)之间，所述第一尾板(14)倾斜地连接在所述第一顶板(12)背离所述第一过渡板(13)的一端；
所述第二扰流单元(2)包括沿X轴方向连接的第二底板(21)、第二顶板(22)、第二过渡板(23)和第二尾板(24)，所述第二过渡板(23)倾斜地连接在所述第二底板(21)和所述第二顶板(22)之间，所述第二尾板(24)倾斜地连接在所述第二顶板(22)背离所述第二过渡板(23)的一端，任一所述第一顶板(12)设有与其沿Y轴方向对置的一个所述第二底板(21)；
其中，相互对置的所述第一顶板(12)和所述第二底板(21)中，所述第一顶板(12)相连的所述第一过渡板(13)与所述第二底板(21)相连的所述第二尾板(24)之间形成沿Y轴方向延伸、Z轴方向对置的两个三角形通道。
2.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于，所述第一扰流单元(1)和所述第二扰流单元(2)的结构和尺寸相同。
3.根据权利要求2所述的燃料电池流场板，其特征在于，相互对置的第一顶板(12)和所述第二底板(21)中，所述第一顶板(12)的沿Y轴方向延伸的中心轴和所述第二底板(21)的沿Y轴方向延伸的中心轴延长线重合，且所述第一底板(11)和所述第一过渡板(13)之间的第一夹角与第一顶板(12)和所述第一尾板(14)之间的第二夹角相同。
4.根据权利要求3所述的燃料电池流场板，其特征在于，所述第一夹角介于100°-150°之间。
5.根据权利要求2所述的燃料电池流场板，其特征在于，所述第一扰流单元(1)中，所述第一底板(11)沿X轴方向延伸的长度和所述第一顶板(12)沿X轴方向延伸的长度相同。
6.根据权利要求5所述的燃料电池流场板，其特征在于，所述第一底板(11)沿X轴方向延伸的长度介于0.02mm-100mm之间。
7.根据权利要求2所述的燃料电池流场板，其特征在于，所述第一底板(11)、所述第一顶板(12)、所述第一过渡板(13)和所述第一尾板(14)沿Y轴方向延伸的长度均相同。
8.根据权利要求7所述的燃料电池流场板，其特征在于，所述第一底板(11)沿Y轴延伸的长度介于0.05mm-10mm。
9.根据权利要求2所述的燃料电池流场板，其特征在于，所述第一底板(11)和所述第一顶板(12)的厚度相同，并介于0.05mm-1mm。
10.根据权利要求2所述的燃料电池流场板，其特征在于，所述第一底板(11)的上表面与所述第一顶板(12)的下表面的沿Z轴方向的间距介于0.05mm-2mm。
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