CN113224341A - 一种串连流道双极板及分段排水电堆结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种串连流道双极板及分段排水电堆结构，电堆为燃料电池电堆，电堆结构包含：堆叠的双极板、排水槽；双极板在相对的两端分别设置有数个用于气体转向的集流道，位于双极板同一端的集流道两两连通，并且连通的集流道之间相邻；双极板至少一面设有多个双极板流道，双极板流道之间并联，双极板两端的集流道之间通过双极板流道连通；排水槽设于集流道底部；其中，进入双极板内的气体，经双极板流道流入集流道内，然后气体流向相邻的集流道，实现气体的转向，再经双极板流道进入另一端的集流道内；集流道内的液态水流入排水槽中。本发明可以实现分段排水，避免了液态水的积累。

Description

一种串连流道双极板及分段排水电堆结构
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及燃料电池结构设计及燃料电池的双极板。
背景技术
燃料电池主要由膜电极和极板组成。膜电极是燃料电池发电的关键核心部件，膜电极与其两侧的双极板组成了燃料电池的基本单元-燃料电池单电池。单电池层叠形成层叠体即为电堆。在燃料电池电堆中，阳极板和阴极板均可以看成是双极板，通常相邻两个燃料电池的双极板由一个阳极板和一个阴极板合并。双极板(又称隔板)的功能是提供气体流道，防止电池气室中的氢气与氧气串通，并在串联的阴阳两极之间建立电流通路。燃料电池水管理是燃料电池稳定工作和寿命的关键因素，水管理的设计和控制层面包括燃料电池双极板流道结构的排水设计，质子交换膜厚度的选择、燃料和氧化剂的流量、湿度控制，吹扫策略等。其中双极板流道结构的设计对液态水的聚集、排出以及燃料电池电堆的压降具有重要影响。
使用广泛的燃料电池双极板流道结构有直流道、蜿蜒流道和蛇形流道等。其中直流道和蜿蜒流道相似，均为两端直进直出结构，蜿蜒流道加强了流道脊下的传质。直流道的特点是流阻小，目前氢空燃料电池空气侧多采用直流道，为多个集流道并联进气，由于流通截面积较大，需要提供较大的空气流量，才能形成足够的气流速度将生成的液态水带出流道。同时，为了避免液态水在流道内的积累，直流道长度也不宜过长。
蛇形流道的进气截面积相对较小，通过多次改变气流方向布满整个双极板活性区域，因流道截面积小，因此气流速度较高，便于排水。但是蛇形流道的流道长度太长，容易造成靠近流道出口位置液态水的大量积累，且在流道转弯处也容易积累液态水，液态水的积累如果导致流道水淹，将严重影响燃料电池的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种串连流道双极板及分段排水电堆结构，以避免液态水的积累。
为了达到上述目的，本发明提供了一种分段排水电堆结构，所述电堆为燃料电池电堆，所述电堆结构包含：堆叠的双极板、排水槽；所述双极板在相对的两端分别设置有数个用于气体转向的集流道，位于所述双极板同一端的集流道两两连通，并且连通的集流道之间相邻；所述双极板至少一面设有多个双极板流道，所述双极板流道之间并联，所述双极板两端的集流道之间通过所述双极板流道连通；所述排水槽设于所述集流道底部；其中，进入所述双极板内的气体，经所述双极板流道流入所述的集流道内，然后所述气体流向相邻的集流道，实现气体的转向，再经所述双极板流道进入另一端的集流道内；所述集流道内的液态水流入所述排水槽中。
可选地，连通的集流道之间设有开口，所述开口设于集流道的底部，以使气体经所述双极板流道流出后形成下行气流，气体经所述开口流入相邻集流道内进行转向后，再形成上行气流，流入所述双极板流道内。
可选地，所述集流道内设有气水分离结构。
可选地，所述气水分离结构为挡水筋。
可选地，所述挡水筋上设有用于与相邻集流道连通的开口，所述开口为竖向裂隙。
可选地，所述双极板流道为直流道、蜿蜒流道、或3D流道等平行流道。
可选地，所述双极板的两面均设有所述的双极板流道，所述双极板的四端均设有所述的集流道。
本发明还提供了一种串连流道双极板，所述的双极板为上述的分段排水电堆结构中采用的双极板；所述双极板在相对的两端分别设置有数个用于气体转向的集流道，位于所述双极板同一端的集流道两两连通，并且连通的集流道之间相邻；所述双极板至少一面设有多个双极板流道，所述双极板流道之间并联，所述双极板两端的集流道之间通过所述双极板流道连通。
可选地，所述双极板的两面均设有所述的双极板流道，所述双极板的四端均设有所述的集流道。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1.流道没有液态水积累：气流每次经过与双极板流道相连的集流道时，均可在集流道内分离液态水，因此在串连直流道内不易形成液态水的积累，避免了水淹。
2.流道排水能力强：串连直流道兼具蛇形流道流道截面积小，气流速度大的优势，以及直流道流道长度短的优势，比蛇形流道或直流道的排水能力都要更强。
3.结构简单，加工效率高，成本低：双极板流道与集流道直接相连，中间无需分配区，降低了双极板流道设计难度，提高了生产效率，密封结构设计也更加简单。
4.双极板利用率高：双极板流道与集流道直接相连，中间无需分配区，因此双极板活性面积占总面积的比例更大，燃料电池体积功率密度更高。
5.电堆流阻低，对辅助系统要求低：相比蛇形流道的转弯压降，本发明在集流道内实现气体流动方向的改变，由于集流道截面积更大，更易设计出流阻低的结构，因此在保证串连直流道内气流速度较大的前提下，还能降低电堆的流阻，从而降低对空压机的性能需求，有利于降低系统成本。
6.燃料电池具备气水分离功能：所述排水槽可以作为燃料电池端板结构的一部分，也可作为所述集流道内设置的排水结构，所述排水槽包括集成于燃料电池电堆集流道及连通区域的各种气水分离结构，与燃料电池电堆高度集成一体化，是燃料电池电堆的一部分，因此电堆本身具备了气水分离功能。
7.气体湿度条件得到改善：排水槽连通从入口到出口的所有集流道，其中存储的液态水可以提高入口处气体的湿度，同时，由于分段排水的原理，靠近出口处的气体不会含有大量的液态水，整个双极板活性面积范围内气体的湿度更加均匀。
附图说明
图1是实施例1的结构示意图。
图2是实施例1的结构俯视图。
图3是实施例1的结构正视图。
图4是实施例2的结构示意图。
图5是实施例2的结构俯视图。
图中，1.燃料电池电堆；2.双极板；21.双极板流道；3.排水槽；4.气流路径；5.集流道；50～59.集流道；6.下行气流；7.上行气流；8.液态水滴；9.液态水排出电堆路径；10.挡水筋。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
本发明的一种分段排水电堆结构可参阅图1。燃料电池电堆1的结构包含：双极板2、排水槽3。图中，多个水平方向摆放的双极板2沿竖直方向堆叠。电堆结构还包含：膜电极和端板等燃料电池必备组件。双极板在相对的两端分别设置有数个集流道5。双极板2为多个进行堆叠，组合形成的集流道5具有一定深度。位于双极板同一端的集流道5两两连通，并且连通的集流道之间相邻；双极板至少一面设有多个双极板流道21，双极板流道21之间并联，双极板2两端的集流道5之间通过双极板流道21连通；排水槽3设于集流道5底部；其中，进入双极板2内的气体，经双极板流道21流入集流道5内，然后气体流向相邻的集流道5，实现气体的转向，再经双极板流道21进入另一端的集流道5内；集流道5内的液态水流入排水槽3中。双极板任意一端的集流道5设置为3个以上。每一片双极板2中，气体流过双极板流道21后汇合于集流道5。排水槽3包括集成于燃料电池电堆集流道及连通区域的各种气水分离结构，与燃料电池电堆高度集成一体化，是燃料电池电堆的一部分。
所述双极板流道21为不存在交叉和换向的流道，可以是直流道、蜿蜒流道、或3D流道等平行流道。换向是指气体发生方向改变时，气体的转弯处，转弯后气体流向相反。平行流道内气流的整体流向是平行的。直流道是最简单的平行流道，对直流道稍微修改可得到蜿蜒流道和3D流道。双极板流道21和与其连通的集流道5形成串联结构，为串连流道双极板。相邻的两个集流道5之间连通，气体转向后再次流入双极板流道21内，形成蛇形的气体流向，因此，双极板流道21和集流道5整体上为蛇形流道。本发明通过在集流道5下方设置排水槽3，气流每次转向时，在集流道5内可分离液态水，因此在双极板流道21内不易形成液态水的积累，避免了水淹。本发明设置数个集流道5，因此可以分段排水。
本发明气流截面积仅为一个集流道的截面积。因此具有蛇形流道气体流速快，排水效果好的优点，同时通过集流道作为串连通道，避免了传统蛇形流道转弯处流阻大的问题，同时具备所述双极板结构的电堆可以实现分段集流道排水，避免了液态水的堆积。
双极板流道21要求两端与集流道5连通。本发明并不限定双极板流道21的形式，可以是直流道、蜿蜒流道或3D流道等。
双极板2的一面可作为阳极面，另一面作为阴极面。阳极面和阴极面通入不同的气体。一些实施例中，通过在双极板的两面均设置双极板流道21，双极板的四端均设置集流道5，实现双极板的阳极面和阴极面的分段排水。例如，图1所示的实施例中，双极板朝上的一面设有直流道，直流道连通集流道50～59；同时，可在双极板朝下的一面也设置直流道，双极板两面的直流道流向垂直。设置在双极板朝下一面的直流道连通集流道5’。
实施例1
如图1所示，为本实施例的串连直流道双极板结构装配形成的分段排水电堆结构示意图。双极板流道采用直流道。燃料电池电堆1包含：双极板2，排水槽3，以及集流道50～59。双极板流道21为直流道。其中，集流道50和集流道51之间的间距与双极板流道21的长度相同，构成了一个串连单元。集流道51与集流道52连通，集流道53与集流道54连通，依此类推，形成两两连通的，用于气体转向的集流道。集流道51和集流道53，以及集流道52和集流道54错位设置。集流道50和集流道59与其相邻的集流道不连通，作为气流进口和出口，而不用于气流转向。气流路径4依次穿过集流道50～59，以及它们之间的双极板直流道，形成串连式直流道结构。从图2俯视图中可以看出类似蛇形流道的流动方向。结合图1～3可以看出，气流路径4可以描述为三维空间的蛇形气流路径。蛇形路径有利于提高气流速度，同时在集流道内改变气流方向比在双极板流道内改变气流方向的流阻更低。同时，本发明中长度较短的双极板直流道也更利于液态水从流道内排出。
从图3中可以看出，气流路径4每经过一次集流道，都会形成下行气流6，使液态水滴8在重力和气流双重作用下流入排水槽3中。气流路径4流经排水槽3后，液态水被分离下来，气体形成上行气流7重新进入双极板直流道之中，完成分段排水的功能。排水槽3中收集的液态水则在液态水排出电堆路径9所示的方向排出电堆。图3中液态水滴8中颜色较浅的液滴，以及虚线表示位于视图后端的集流道内，反之则位于视图前端的集流道内。另外，排水槽3中收集的液态水对平衡燃料电池从入口到出口的气体湿度有好处。
实施例2
如图4所示，为实施例2的串连直流道双极板结构装配形成的分段排水电堆结构示意图，其关键结构以及工作原理与实施例1中相同。不同点在于实施例2中气流路径4不需经过排水槽，也不会形成交替的下行气流6和上行气流7，气流路径4直接在集流道5内完成气流方向的改变。同时，为了提高液态水分离效率，集流道5内可设计挡水筋10，使液态水沿挡水筋10在重力的作用下流向排水槽3。图4所示实施例中的挡水筋10呈齿状，凹凸的结构有利于增大表面积。挡水筋10与集流道外侧面之间有一条竖向裂隙，气流从竖向裂隙流入相邻的集流道内。
如图5所示，实施例2中的气流路径4可描述为类层流分布的蛇形气流路径。气流改变方向的位置不在双极板内部，而在集流道5内，其好处是保证气流速度较高的前提下，气体流阻较低，短的直流道不易积累液态水，以及每次气流换向均可完成一次分段排水。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种分段排水电堆结构，其特征在于，所述电堆为燃料电池电堆，所述电堆结构包含：堆叠的双极板、排水槽；
所述双极板在相对的两端分别设置有数个用于气体转向的集流道，位于所述双极板同一端的集流道两两连通，并且连通的集流道之间相邻；
所述双极板至少一面设有多个双极板流道，所述双极板流道之间并联，所述双极板两端的集流道之间通过所述双极板流道连通；
所述排水槽设于所述集流道底部；
其中，
进入所述双极板内的气体，经所述双极板流道流入所述的集流道内，然后所述气体流向相邻的集流道，实现气体的转向，再经所述双极板流道进入另一端的集流道内；所述集流道内的液态水流入所述排水槽中。
2.根据权利要求1所述的分段排水电堆结构，其特征在于，连通的集流道之间设有开口，所述开口设于集流道的底部，以使气体经所述双极板流道流出后形成下行气流，气体经所述开口流入相邻集流道内进行转向后，再形成上行气流，流入所述双极板流道内。
3.根据权利要求1所述的分段排水电堆结构，其特征在于，所述集流道内设有气水分离结构。
4.根据权利要求3所述的分段排水电堆结构，其特征在于，所述气水分离结构为挡水筋。
5.根据权利要求4所述的分段排水电堆结构，其特征在于，所述挡水筋上设有用于与相邻集流道连通的开口，所述开口为竖向裂隙。
6.根据权利要求1所述的分段排水电堆结构，其特征在于，所述双极板流道为直流道、蜿蜒流道、或3D流道。
7.根据权利要求1所述的分段排水电堆结构，其特征在于，所述双极板的两面均设有所述的双极板流道，所述双极板的四端均设有所述的集流道。
8.一种串连流道双极板，其特征在于，所述的双极板为权利要求1至7中任意一项所述的分段排水电堆结构中采用的双极板；所述双极板在相对的两端分别设置有数个用于气体转向的集流道，位于所述双极板同一端的集流道两两连通，并且连通的集流道之间相邻；所述双极板至少一面设有多个双极板流道，所述双极板流道之间并联，所述双极板两端的集流道之间通过所述双极板流道连通。
9.根据权利要求8所述的串连流道双极板，其特征在于，所述双极板的两面均设有所述的双极板流道，所述双极板的四端均设有所述的集流道。
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