CN112993311A - 一种冲压的仿生流场燃料电池双极板及气体输送方法 - Google Patents

一种冲压的仿生流场燃料电池双极板及气体输送方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种冲压的仿生流场燃料电池双极板及气体输送方法，包括定位销孔、流场入口、密封垫圈、仿生流场、流场出口、双极板本体、主流道和分支流道，其中定位销孔、流场入口、密封垫圈、仿生流场、流场出口均加工于双极板本体上，定位销孔位于双极板本体的四个角上，仿生流场前端与流场入口，后端与流场出口相连，仿生流场分为主流道和分支流道。其特征在于：所述的仿生流场是通过冲压工艺制成，具有一种模拟心脏毛细血管的流场结构，气体从流场入口进入仿生流场中的主流道，不断分支，口径渐细，最后分成大量的分支流道，分布到整个双极板，再汇合，从流场出口排出。本发明专利以新型仿生流场代替传统流场形式，有效的解决了现有双极板换热性差、传质效率低、气体短路、水淹等问题，提高了氢氧燃料的利用率，并且增加了燃料电池的效率及稳定性。

Description

一种冲压的仿生流场燃料电池双极板及气体输送方法
技术领域
本发明涉及燃料电池双极板技术领域，特别涉及一种冲压的仿生流场燃料电池双极板，以及一种气体输送方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有室温快速启动、效率高、无污染、噪音小等优点，已在航空航天、新能源汽车等领域得到广泛使用，发展前景广阔。燃料电池工作时，在催化剂的作用下，发生的反应为：2H2+02→H20，生成的无污染的水被直接排出或者被重新回收用来加湿气体，电极反应产生的电子经外电路到达阴极，从而可以对外做功。双极板是PEMFC非常重要的多功能部件,其重量占PEMFC电堆的80％，成本约占30％。双极板具有各种各样的流场结构，其主要作用是通过表面的流场向膜电极输送反应气体,同时收集和传导电流并排出反应的热量及产物水。双板的性能很大程度上取决于其流场结构。
传统的双极板流道有平行流场、蛇形流场、螺旋流场、交指流场等形式，但这几种流场形式各有利弊。平行流场具有气体流动阻力较小，压降也较小，但气体低流速时，液态水不容易排出；蛇形流场能迅速排除流道积聚的水，不易出现堵塞流道的情况，但压降大，流道后段气体供应不足；螺旋流场排水功能强，气体在流道中的分配较均匀，但压降大，流动易短路，加工复杂；交指流场气体能利用率较高，排水功能强，但压降较大。
发明内容
本发明针对现有的技术缺陷，提供一种冲压的仿生流场燃料电池双极板，这种新型的仿生流场基于动物心脏的毛细血管的仿生原理，能够有效、均匀的将流场内的气体分配到各个分支流道，对电池内部的水热管理、传质效率起到优化作用，提高燃料电池的效率及稳定性。
为解决上述问题，本发明的技术方案是：一种冲压的仿生流场燃料电池双极板，包括定位销孔、流场入口、密封垫圈、仿生流场、流场出口、双极板本体、主流道和分支流道。其中定位销孔、流场入口、密封垫圈、仿生流场、流场出口均加工于双极板本体上，定位销孔位于双极板本体的四个角上，仿生流场前端与流场入口，后端与流场出口相连，仿生流场分为主流道和分支流道。
优选的，所述仿生流场为模拟心脏毛细血管结构：所述主流道的一端与所述流场入口连接，另一端与所述流场出口连接，所述主流道的中段向所述主流道的两侧分支为一定数量的分支流道，所述分支流道包括第一级分支流道、第二级分支流道、第三级分支流道、.....、第N级分支流道，设n大于一且小于N，当所述分支流道为第n级分支流道时，所述第n级分支流道在靠近所述主流道前端的位置分支为第n+1分支流道，所述第n+1分支流道在靠近所述主流道后端的位置合并为所述第n分支流道。
优选的，仿生流场通过冲压工艺制成。
优选的，双极板本体厚度为0.2mm，流道深度为2.15mm，中间的主流道脊宽1.75，分支流道脊宽大于等于0.45mm，且小于等于1.25mm，流道截面为矩形。
优选的，所述的流场入口和流场出口呈长方形，长宽比为1:0.618。
优选的，密封垫圈加工于双极板本体上，其轮廓为仿生流场的最外侧轮廓。
基于上述结构，本发明还提供一种气体输送方法，应用于所述的冲压的仿生流场燃料电池双极板，步骤如下：
1)反应气体从流场入口进入，通过主流道将反应气体分配到各个分支流道，由主流道到分支流道的横截面积逐渐减小；
2)当反应气体在仿生流场内充分反应之后，反应生成的气体及液体再由分支流道汇集至主流道，由流场出口排出，由分支流道到主流道的横截面积逐渐增大；
3)反应生成的水由于流场的仿生结构，可以有效地，在毛细力、表面张力的作用下随反应尾气排出仿生流场内的积水。
通过以上技术方案可以看出，本发明的优点在于：
1)具有心脏毛细血管仿生原理的流场结构可以提高流体浓度分布均匀性，流道的深度在2.5mm以内，可以促进气体向扩散层扩散，提高传质效率。气体流经主流道时，主流道的脊宽较宽以减小压降以及流动阻力，同时确保多余的水能顺利排出，经主流道流至分支流道时，分支流道的脊宽设置为多种宽度以增加反映面积，保证充足的气体流量，提高效率及稳定性。
2)流道面积占比较大，且该流场结构的相邻流道压差较小，气体不易流经流道脊部，不易导致气体短路及水淹现象。
3)由于其较为细密的流道分布的流场结构，形成一种窄脊设计，可以减少水的聚集，且可起到加强筋的作用，在双极板厚度仅为0.2mm时仍能保持一定的强度，对燃料电池的重量具有优化作用。
4)采用冲压工艺制作，加工简易。
附图说明
图1是本发明的仿生流场的燃料电池双极板的一个实施例的俯视图；
图2是本发明的仿生流场的燃料电池双极板的一个实施例的下视图；
图3是本发明的仿生流场的燃料电池双极板的一个实施例的左视图；
图4是本发明的仿生流场的燃料电池双极板的一个实施例等轴侧视图。
图5是心脏血管的解剖示意图。
图6是图5中心脏血管的解剖示意简图。
具体实施方式
结合说明书附图，进一步说明本发明的具体实施过程。在以下实施例中，前端为反应气体进入流道的一端(即靠近流道入口的一端)，后端为反应气体及液体排出流道的一端(即靠近流道出口的一端)。
如图1所示，一种冲压的仿生流场燃料电池双极板，包括定位销孔1、流场入口2、密封垫圈3、仿生流场4、流场出口5、双极板本体6、主流道7和分支流道8。其中定位销孔1、流场入口2、密封垫圈3、仿生流场4、流场出口5均加工于双极板本体6上，定位销孔1位于双极板本体6的四个角上，仿生流场4前端与流场入口2，后端与流场出口5相连，仿生流场4分为主流道7和分支流道8。其特征在于：
所述仿生流场4为模拟心脏毛细血管结构：所述主流道7的一端与所述流场入口2连接，另一端与所述流场出口5连接，所述主流道7的中段向所述主流道7的两侧分支为一定数量的分支流道8，所述分支流道8包括第一级分支流道、第二级分支流道、第三级分支流道、.....、第N级分支流道，在本实施例中，N为3，双极板本体6厚度为0.2mm，流道深度为2.15mm，中间的主流道7脊宽1.75，分支流道8包括第一级分支流道、第二级分支流道、第三级分支流道，当所述分支流道8为所述第一级分支流道时，所述第一级分支流道在靠近所述主流道7前端的位置分支为所述第二分支流道，所述第二级分支流道在靠近所述主流道7前端的位置分支为所述第三分支流道，所述第三分支流道在靠近所述主流道7后端的位置合并为所述第二分支流道，所述第二分支流道在靠近所述主流道7后端的位置合并为所述第一分支流道，流道截面为矩形。
对比图1和图4和图5，在仿生流场4中，主流道7相当于主血管9，第一级分支流道相当于第一级分支血管10，第二级分支流道相当于第二级分支血管11，第三级分支流道相当于第三级分支血管12。
作为优选的实施例，仿生流场4通过冲压工艺制成。
作为优选的实施例，所述的流场入口2和流场出口5呈长方形，长宽比为1:0.618。
作为优选的实施例，密封垫圈3加工于双极板本体6上，其轮廓为仿生流场4的最外侧轮廓。
基于上述结构，本发明还提供一种气体输送方法，应用于所述的冲压的仿生流场燃料电池双极板，步骤如下：
1)反应气体从流场入口2进入，通过主流道7将反应气体分配到各个分支流道8，由主流道7到分支流道8的横截面积逐渐减小；
2)当反应气体在仿生流场4内充分反应之后，反应生成的气体及液体再由分支流道7汇集至主流道8，由流场出口5排出，由分支流道8到主流道7的横截面积逐渐增大；
3)反应生成的水由于流场的仿生结构，可以有效地，在毛细力、表面张力的作用下随反应尾气排出仿生流场4内的积水。
通过以上技术方案可以看出，本发明的优点在于：
1)具有心脏毛细血管仿生原理的流场结构可以提高流体浓度分布均匀性，流道的深度在2.5mm以内，可以促进气体向扩散层扩散，提高传质效率。气体流经主流道7时，主流道7的脊宽较宽以减小压降以及流动阻力，同时确保多余的水能顺利排出，经主流道7流至分支流道8时，分支流道8的脊宽设置为多种宽度以增加反映面积，保证充足的气体流量，提高效率及稳定性。
2)流道面积占比较大，且该流场结构的相邻流道压差较小，气体不易流经流道脊部，不易导致气体短路及水淹现象。
3)由于其较为细密的流道分布的流场结构，形成一种窄脊设计，可以减少水的聚集，且可起到加强筋的作用，在双极板厚度仅为0.2mm时仍能保持一定的强度，对燃料电池的重量具有优化作用。
4)采用冲压工艺制作，加工简易。
对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种冲压的仿生流场燃料电池双极板，包括定位销孔(1)、流场入口(2)、密封垫圈(3)、仿生流场(4)、流场出口(5)、双极板本体(6)、主流道(7)和分支流道(8)。其中定位销孔(1)、流场入口(2)、密封垫圈(3)、仿生流场(4)、流场出口(5)均加工于双极板本体(6)上，定位销孔(1)位于双极板本体(6)的四个角上，仿生流场(4)前端与流场入口(2)，后端与流场出口(5)相连，仿生流场(4)分为主流道(7)和分支流道(8)。
2.根据权利要求1所述的一种冲压的仿生流场燃料电池双极板，其特征在于：所述仿生流场(4)为模拟心脏毛细血管结构：所述主流道(7)的一端与所述流场入口(2)连接，另一端与所述流场出口(5)连接，所述主流道(7)的中段向所述主流道(7)的两侧分支为一定数量的分支流道(8)，所述分支流道(8)包括第一级分支流道、第二级分支流道、第三级分支流道、.....、第N级分支流道，设n大于一且小于N，当所述分支流道(8)为第n级分支流道时，所述第n级分支流道在靠近所述主流道(7)前端的位置分支为第n+1分支流道，所述第n+1分支流道在靠近所述主流道后端的位置合并为所述第n分支流道。
3.根据权利要求1所述的一种冲压的仿生流场燃料电池双极板，其特征在于：仿生流场(4)通过冲压工艺制成。
4.根据权利要求1所述的一种冲压的仿生流场燃料电池双极板，其特征在于：双极板本体(6)厚度为0.2mm，流道深度为2.15mm，中间的主流道(7)脊宽1.75，分支流道(8)脊宽大于等于0.45mm，且小于等于1.25mm，流道截面为矩形。
5.根据权利要求1所述的一种冲压的仿生流场燃料电池双极板，其特征在于：所述的流场入口(2)和流场出口(5)呈长方形，长宽比为1:0.618。
6.根据权利要求1所述的一种冲压的仿生流场燃料电池双极板，其特征在于：密封垫圈(3)加工于双极板本体(6)上，其轮廓为仿生流场(4)的最外侧轮廓。
7.一种气体输送方法，其特征在于，应用如权利要求1-6任一所述的冲压的仿生流场燃料电池双极板，步骤如下：
1)反应气体从流场入口(2)进入，通过主流道(7)将反应气体分配到各个分支流道(8)，由主流道(7)到分支流道(8)的横截面积逐渐减小；
2)当反应气体在仿生流场(4)内充分反应之后，反应生成的气体及液体再由分支流道(8)汇集至主流道(7)，由流场出口(5)排出，由分支流道(8)到主流道(7)的横截面积逐渐增大；
3)反应生成的水由于流场的仿生结构，可以有效地，在毛细力、表面张力的作用下随反应尾气排出仿生流场(4)内的积水。
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