CN113140746A - 一种梭子鱼仿生燃料电池双极板 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种梭子鱼仿生燃料电池双极板，包括带有凹槽的底板，所述凹槽内形成流场，所述凹槽的一端具有所述流场的流场入口，所述凹槽的另一端具有所述流场的流场出口；所述凹槽内布有多排梭子肋组，每排所述梭子肋组中具有多个间隔排列的梭子肋；相临两排所述梭子肋组中的梭子肋交错排列；所述梭子肋呈梭状；且所述梭子肋的两个尖端的连线平行于所述流体在所述流场内的流动方向。本发明提供的一种梭子鱼仿生燃料电池双极板的梭子肋仿生梭子鱼的流水线结构减小流体的流动阻力，便于气体的充分流动和扩散，有利于气体分布均匀性。

Description

一种梭子鱼仿生燃料电池双极板

技术领域

本发明涉及双极板技术领域，具体而言是一种梭子鱼仿生燃料电池双极板。

背景技术

随着能源危机的日益加剧和化石能源对全球环境的严重损害，各国政府和企业对环境保护的严格把控，发展清洁能源已迫在眉睫。质子交换膜燃料电池是一种清洁无污染的高效绿色发电装置，广泛应用于家居、商业、车辆及电子设备等领域。燃料电池堆的关键部件主要包括电极组件、双极板、集流体和端板等。其中，双极板是质子交换膜燃料电池的重要核心部件之一，其质量占电池堆总质量的70％以上，体积达到总体积50％左右，成本为电池成本的30％～50％。它不仅起到集流导电的作用，而且其流场结构直接影响反应气体的均匀分布，不仅影响反应气体的利用率以及燃料电池的排水及散热性能，而且对PEMFC的综合性能有很大的影响，因此双极板的结构对质子交换膜燃料电池至关重要。

通过设计合适的流道结构可以改善通入流道内反应气体的分布均匀性和压降，保证电池电流密度的均匀分布，并且便于多余气体的排出，从而提高电池的整体输出性能。双极板流场常用结构主要有平行流场、蛇形流场、交指流场和点状流场等。其中，平行流场加工简单，流体在流道中流动时压力损失小，但容易引起流场内流体分布均匀性差，不利于水的排出，严重时会出现水淹现象。蛇形流场一般流道距离长，进出口压降大，流速快，便于水的排出，但沿气体流动方向气体浓度下降很快，浓度梯度较大，很容易造成气体分布不均匀，温度梯度较大。交指流场一端封闭，流道内部气压较大，便于气体向扩散层扩散，有利于提高气体利用率和功率密度，由于气体被迫强制对流，产生的水易于流出，但压力过大容易破坏电池结构，不利于电池的长期使用。点状流场的反应气体倾向于从压降较小的路径流出，造成气体分布不均匀，容易形成涡流并发生电池水淹现象，造成电池性能下降。

发明内容

根据上述技术问题，而提供一种梭子鱼仿生燃料电池双极板。为改善燃料电池的输出性能，解决反应气体分布不均匀，利用率低以及排水性能差等问题。本发明提出了一种梭子鱼仿生燃料电池双极板及燃料电池。进出口部分平行流道的递减分布，保证气体从进气口进入时气体能尽可能均匀的进入流场中；梭子形流水线结构减小流体的流动阻力，便于气体的充分流动和扩散，有利于气体分布均匀性；梭子形结构沿气体流动方向相互交错分布可以增加气体的扰流，增强流场的传热传质，保证温度分布的均匀性，有利于水的顺利排出，从而提高燃料电池的整体输出性能，保证电池长期稳定的高效运行。

本发明采用的技术手段如下：

一种梭子鱼仿生燃料电池双极板，包括带有凹槽的底板，所述凹槽内形成流场，所述凹槽的一端具有所述流场的流场入口，所述凹槽的另一端具有所述流场的流场出口；

所述凹槽内布有多排梭子肋组，每排所述梭子肋组中具有多个间隔排列的梭子肋；相临两排所述梭子肋组中的梭子肋交错排列；

所述梭子肋呈梭状；所述梭子肋仿生梭子鱼的形状，梭子鱼的流水线型。

且所述梭子肋的两个尖端的连线平行于所述流体在所述流场内的流动方向。

所述梭子肋与所述凹槽的槽底相接触的面呈梭面，所述梭面是由两个对称设置的弧线拼接形成，所述梭面的长轴为所述梭面的两个尖端的连线；所述梭子肋的形状是所述梭面沿垂直于所述凹槽槽底的方向进行拉伸而形成的形状。所述梭子肋可以为空芯结构也可以为实芯结构。

所述梭面的长轴h为4～6mm；

所述梭面的短轴w为1.2～2mm；

所述梭子肋组中的相临两个梭子肋的同侧尖端之间的水平距离L1为4mm；

相临两排所述梭子肋组中的两个所述梭子肋之间的竖直距离L2为2～3mm。

所述梭子肋在垂直于所述凹槽槽底方向的厚度为1mm。

所述流场入口设置在所述凹槽的顶部一侧，且所述流场入口处设有多个上下依次排列的入口肋板；所述入口肋板包括水平段Ⅰ、圆弧段Ⅰ和竖直段Ⅰ；所述水平段Ⅰ远离所述流场入口的一端通过所述圆弧段Ⅰ过渡后与所述竖直段Ⅰ的顶端固定连接；多个所述入口肋板的水平段Ⅰ由上至下依次变短；

所述流场出口设置在所述凹槽的底部另一侧，且所述流场出口处设有多个上下依次排列的出口肋板；所述出口肋板包括水平段Ⅱ、圆弧段Ⅱ和竖直段Ⅱ；所述水平段Ⅱ远离所述流场出口的一端通过所述圆弧段Ⅱ过渡后与所述竖直段Ⅱ的底端固定连接；多个所述出口肋板的水平段Ⅱ由下至上依次变短。

多个所述竖直段Ⅰ的下端点连线为直线Ⅰ，多个所述竖直段Ⅱ的上端点连线为直线Ⅱ，且所述直线Ⅰ与所述直线Ⅱ平行；

所述梭子肋组倾斜排列，且倾斜方向与所述直线Ⅰ平行。

相临两个所述竖直段Ⅰ之间的空隙下端、所述竖直段Ⅰ与凹槽的槽壁之间的空隙下端正对第一排所述梭子肋组中的所述梭子肋；

相临两个所述竖直段Ⅱ之间的空隙上端、所述竖直段Ⅱ与凹槽的槽壁之间的空隙上端正对最后一排所述梭子肋组中的所述梭子肋。

所述圆弧段Ⅰ和所述圆弧段Ⅱ的所在圆半径为1～2mm。

所述入口肋板和所述出口肋板在垂直于所述凹槽槽底方向的厚度为1mm；

相临两个所述水平段Ⅰ和相临两个所述水平段Ⅱ之间的距离为1mm；

所述入口肋板和所述出口肋板的宽度为1mm。

电池运行时，反应气体(流体)由流场入口沿着多个入口肋板形成的流道均匀的进入双极板流场部分内，然后气体遇到梭子肋的尖端进行分流，分流气体沿着梭子形的流线流动，有一部分气体沿着梭子肋背气体流动面流动，另一部分气体沿着梭子肋迎气体流动面流动，依次重复，不断分流。这样不但改变了气体的流动方向，增加了气体的扰动程度，而且减小了气体的流动阻力，使反应气体更加充分的流动和扩散，增加了气体扩散层与质子交换膜接触面的反应气体的浓度，提高气体的利用率，同时能顺利的将多余的气体和水排出，避免造成水淹现象，提高了电池的整体输出性能，保证电池长期持续的高效运行。反应后的多余气体和生成的水通过多条流道的流场出口排出，这样可以尽可能的降低压降，保证气体顺利的排出。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、通过侧部开设流场入口和通过入口肋板的结构设计实现流体(气体)从流畅入口进入时气体能尽可能均匀的进入流场中，同理从流场出口出气时也能顺利的排出。

2、梭子肋仿生梭子鱼的流水线结构减小流体的流动阻力，便于气体的充分流动和扩散，有利于气体分布均匀性。

3、梭子肋沿气体流动方向相互交错分布可以增加气体的扰动程度，增强反应气体的充分且均匀的通过多孔扩散层扩散至电极反应区域，保证温度分布和气体分布的均匀性，有利于水的顺利排出，从而提高燃料电池的整体输出性能，保证电池长期稳定的高效运行。

4、与传统的平行流场相比，其流场的流程更长，大大增加了反应气体的反应时间，充分消耗反应气体，增强了电池的输出性能；在流道拐角处设置的圆弧段Ⅰ和圆弧段Ⅱ和梭子肋的流水线形，减小了气体的流动阻力，便于气体的充分流动和扩散，也有利于水和多余气体的及时排出，避免了质子交换膜的水淹现象，提高了电池长期运行的稳定性和寿命。相比于传统的蛇形流场，梭子鱼仿生网状流场的压降更小，气体分布更加均匀，气体反应的更充分，提升了电池的整体性能。

基于上述理由本发明可在双极板等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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为本发明具体实施方式中一种梭子鱼仿生燃料电池双极板结构示意图。

图2为本发明具体实施方式中梭子肋结构尺寸图。

图3为本发明具体实施方式中入口肋板结构示意图。

图4为本发明具体实施方式中出口肋板结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1～4所示，一种梭子鱼仿生燃料电池双极板，包括带有凹槽的底板1，所述凹槽内形成流场，所述凹槽的一端具有所述流场的流场入口2，所述凹槽的另一端具有所述流场的流场出口3；

所述凹槽内布有多排梭子肋组，每排所述梭子肋组中具有多个间隔排列的梭子肋4；相临两排所述梭子肋组中的梭子肋4交错排列；

所述梭子肋4呈梭状；所述梭子肋仿生梭子鱼的形状，梭子鱼的流水线型。

且所述梭子肋4的两个尖端的连线平行于所述流体在所述流场内的流动方向。

所述梭子肋4与所述凹槽的槽底相接触的面呈梭面，所述梭面是由两个对称设置的弧线拼接形成，所述梭面的长轴为所述梭面的两个尖端的连线；所述梭子肋4的形状是所述梭面沿垂直于所述凹槽槽底的方向进行拉伸而形成的形状。所述梭子肋4可以为空芯结构也可以为实芯结构。

如图2所示，所述梭面的长轴h为4～6mm；所述梭面的短轴w为1.2～2mm；所述梭子肋组中的相临两个梭子肋4的同侧尖端之间的水平距离L1为4mm；相临两排所述梭子肋组中的两个所述梭子肋4之间的竖直距离L2为2～3mm。所述梭子肋4在垂直于所述凹槽槽底方向的厚度为1mm。最相临的两个所述梭子肋4的尖端之间的水平距离L3为2mm。

所述流场入口2设置在所述凹槽的顶部一侧，且所述流场入口2处设有多个上下依次排列的入口肋板5；所述入口肋板包括水平段Ⅰ51、圆弧段Ⅰ52和竖直段Ⅰ53；所述水平段Ⅰ51远离所述流场入口2的一端通过所述圆弧段Ⅰ52过渡后与所述竖直段Ⅰ53的顶端固定连接；多个所述入口肋板5的水平段Ⅰ53由上至下依次变短；

所述流场出口3设置在所述凹槽的底部另一侧，且所述流场出口3处设有多个上下依次排列的出口肋板6；所述出口肋板包括水平段Ⅱ61、圆弧段Ⅱ62和竖直段Ⅱ63；所述水平段Ⅱ61远离所述流场出口3的一端通过所述圆弧段Ⅱ62过渡后与所述竖直段Ⅱ63的底端固定连接；多个所述出口肋板6的水平段Ⅱ61由下至上依次变短。

多个所述竖直段Ⅰ53的下端点连线为直线Ⅰ，多个所述竖直段Ⅱ63的上端点连线为直线Ⅱ，且所述直线Ⅰ与所述直线Ⅱ平行；

所述梭子肋组倾斜排列，且倾斜方向与所述直线Ⅰ平行。

相临两个所述竖直段Ⅰ53之间的空隙下端、所述竖直段Ⅰ53与凹槽的槽壁之间的空隙下端正对第一排所述梭子肋组中的所述梭子肋4；

相临两个所述竖直段Ⅱ63之间的空隙上端、所述竖直段Ⅱ63与凹槽的槽壁之间的空隙上端正对最后一排所述梭子肋组中的所述梭子肋4。

所述圆弧段Ⅰ52和所述圆弧段Ⅱ62的所在圆半径为1～2mm。

所述入口肋板5和所述出口肋板6在垂直于所述凹槽槽底方向的厚度为1mm；

相临两个所述水平段Ⅰ51和相临两个所述水平段Ⅱ61之间的距离为1mm；

所述入口肋板5和所述出口肋板6的宽度为1mm。

电池运行时，反应气体(流体)由流场入口2沿着多个入口肋板5形成的流道均匀的进入双极板流场部分内，然后气体遇到梭子肋4的尖端进行分流，分流气体沿着梭子形的流线流动，有一部分气体沿着梭子肋4背气体流动面41流动，另一部分气体沿着梭子肋4的迎气体流动面42流动，依次重复，不断分流。这样不但改变了气体的流动方向，增加了气体的扰动程度，而且减小了气体的流动阻力，使反应气体更加充分的流动和扩散，增加了气体扩散层与质子交换膜接触面的反应气体的浓度，提高气体的利用率，同时能顺利的将多余的气体和水排出，避免造成水淹现象，提高了电池的整体输出性能，保证电池长期持续的高效运行。反应后的多余气体和生成的水通过多条流道的流场出口3排出，这样可以尽可能的降低压降，保证气体顺利的排出。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种梭子鱼仿生燃料电池双极板，其特征在于，包括带有凹槽的底板，所述凹槽内形成流场，所述凹槽的一端具有所述流场的流场入口，所述凹槽的另一端具有所述流场的流场出口；

所述凹槽内布有多排梭子肋组，每排所述梭子肋组中具有多个间隔排列的梭子肋；相临两排所述梭子肋组中的梭子肋交错排列；

所述梭子肋呈梭状；

且所述梭子肋的两个尖端的连线平行于所述流体在所述流场内的流动方向。

2.根据权利要求1所述的一种梭子鱼仿生燃料电池双极板，其特征在于：

所述梭子肋与所述凹槽的槽底相接触的面呈梭面，所述梭面是由两个对称设置的弧线拼接形成，所述梭面的长轴为所述梭面的两个尖端的连线；所述梭子肋的形状是所述梭面沿垂直于所述凹槽槽底的方向进行拉伸而形成的形状。

3.根据权利要求2所述的一种梭子鱼仿生燃料电池双极板，其特征在于：

所述梭面的长轴h为4～6mm；

所述梭面的短轴w为1.2～2mm；

所述梭子肋组中的相临两个梭子肋的同侧尖端之间的水平距离L1为4mm；

相临两排所述梭子肋组中的两个所述梭子肋之间的竖直距离L2为2～3mm；

所述梭子肋在垂直于所述凹槽槽底方向的厚度为1mm。

4.根据权利要求1所述的一种梭子鱼仿生燃料电池双极板，其特征在于：

所述流场入口设置在所述凹槽的顶部一侧，且所述流场入口处设有多个上下依次排列的入口肋板；所述入口肋板包括水平段Ⅰ、圆弧段Ⅰ和竖直段Ⅰ；所述水平段Ⅰ远离所述流场入口的一端通过所述圆弧段Ⅰ过渡后与所述竖直段Ⅰ的顶端固定连接；多个所述入口肋板的水平段Ⅰ由上至下依次变短；

所述流场出口设置在所述凹槽的底部另一侧，且所述流场出口处设有多个上下依次排列的出口肋板；所述出口肋板包括水平段Ⅱ、圆弧段Ⅱ和竖直段Ⅱ；所述水平段Ⅱ远离所述流场出口的一端通过所述圆弧段Ⅱ过渡后与所述竖直段Ⅱ的底端固定连接；多个所述出口肋板的水平段Ⅱ由下至上依次变短。

5.根据权利要求4所述的一种梭子鱼仿生燃料电池双极板，其特征在于：

多个所述竖直段Ⅰ的下端点连线为直线Ⅰ，多个所述竖直段Ⅱ的上端点连线为直线Ⅱ，且所述直线Ⅰ与所述直线Ⅱ平行；

所述梭子肋组倾斜排列，且倾斜方向与所述直线Ⅰ平行。

6.根据权利要求5所述的一种梭子鱼仿生燃料电池双极板，其特征在于：

相临两个所述竖直段Ⅰ之间的空隙下端、所述竖直段Ⅰ与凹槽的槽壁之间的空隙下端正对第一排所述梭子肋组中的所述梭子肋；

相临两个所述竖直段Ⅱ之间的空隙上端、所述竖直段Ⅱ与凹槽的槽壁之间的空隙上端正对最后一排所述梭子肋组中的所述梭子肋。

7.根据权利要求4所述的一种梭子鱼仿生燃料电池双极板，其特征在于：所述圆弧段Ⅰ和所述圆弧段Ⅱ的所在圆半径为1～2mm。

8.根据权利要求4所述的一种梭子鱼仿生燃料电池双极板，其特征在于：

所述入口肋板和所述出口肋板在垂直于所述凹槽槽底方向的厚度为1mm；

相临两个所述水平段Ⅰ和相临两个所述水平段Ⅱ之间的距离为1mm；

所述入口肋板和所述出口肋板的宽度为1mm。

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