CN113394425A - 一种燃料电池的流场流道结构、双极板和燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池的流场流道结构、双极板和燃料电池，流场流道结构包括：第一流道壁和第二流道壁，所述第一流道壁和第二流道壁构成流场流道；所述第一流道壁和第二流道壁以流场流道的中心线对称设置，所述第一流道壁呈起伏状；设流场流道的流道起点为原点建立直角坐标系，其中，往流场流道的流道延伸方向为横坐标方向，往第一流道壁方向为纵坐标方向，设流场流道的长为x，第一流道壁相对于流场流道的中心线的起伏幅度为y，x与y满足正弦变化关系，即y=Asin（x）+C，A和C为常数。双极板包括上述的流场流道结构。同时燃料电池具有上述的双极板。本发明主要用于燃料电池技术领域。

Description

一种燃料电池的流场流道结构、双极板和燃料电池
技术领域
本发明涉及氢燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池的流场流道结构、双极板和燃料电池。
背景技术
氢燃料电池由于具有热效率高且无污染排放的特点，被广泛的应用于各种动力领域。燃料电池双极板的设计直接关系到燃料电池的性能。目前燃料电池双极板的设计主要考虑提高燃料电池的供气能力、单体一致性以及提高排水性。目前燃料电池双极板提高排水性的方式主要有两种，一是给燃料电池双极板表面进行疏水涂层的处理；二是设计具有疏水特性的流道。
但是，现有的双极板，水在流道中排除速度较慢，水容易在流道中积累。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池的流场流道结构、双极板和燃料电池，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
本发明解决其技术问题的解决方案是：提供一种燃料电池的流场流道结构，包括：第一流道壁和第二流道壁，所述第一流道壁和第二流道壁构成流场流道；
所述第一流道壁和第二流道壁以流场流道的中心线对称设置，所述第一流道壁呈起伏状；
设流场流道的流道起点为原点建立直角坐标系，其中，往流场流道的流道延伸方向为横坐标方向，往第一流道壁方向为纵坐标方向，设流场流道的长为x，第一流道壁相对于流场流道的中心线的起伏幅度为y，x与y满足正弦变化关系，即y=Asin（x）+C，A和C为常数。
进一步，所述流场流道的最窄处的尺寸为0.1mm至1.1mm。
进一步，所述流场流道的最窄处的尺寸为0.6mm。
另一方面，提供一种燃料电池的双极板，包括燃料气进口、燃料气出口和燃料气流场，所述燃料气进口通过燃料气流场与燃料气出口连接；所述燃料气流场的具有权利要求1至3任一项所述的流场流道结构。
进一步，本双极板还包括氧化剂进口、氧化剂出口和氧化剂流场；所述氧化剂进口通过氧化剂流场与氧化剂出口连接；所述氧化剂流场具有上述技术方案所述的流场流道结构。
进一步，本双极板还包括冷却剂进口、冷却剂出口和冷却剂流场，所述冷却剂进口通过冷却剂流场与冷却剂出口连接；所述冷却剂流场具有上述技术方案所述的流场流道结构。
进一步，双极板的材质包括：金属材质、石墨材质或者复合材质。
另一方面，提供一种燃料电池，所述燃料电池包括上述技术方案所述的双极板。
本发明的有益效果是：一方面，本发明通过流场流道结构，能够起到提高燃料气体或者空气流动的均匀性，并提高排水效率防止电堆水淹的作用，从而提高电堆性能和高功率时稳定性的作用。另一方面，提供具有流场流道结构的双极板和具有双极板的燃料电池。该双极板和燃料电池均具有流场流道结构的有益效果，这里就不重复描述了。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员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设计方案和附图。
图1是燃料电池的流场流道结构的结构示意图；
图2是燃料电池的双极板的结构示意图；
图3是采用本发明的双极板所制成的燃料电池的性能比较曲线图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
实施例1，参考图1和图2，为了更加好的描述燃料电池的流场流道结构，本具体实施例以一种燃料电池的双极板的角度进行描述。其中，一种燃料电池的双极板，包括：燃料气进口201、燃料气出口202和燃料气流场，所述燃料气进口201通过燃料气流场与燃料气出口202连接；所述燃料气流场的具有一种燃料电池的流场流道结构。其中，所述流场流道结构包括：第一流道壁101和第二流道壁102，所述第一流道壁101和第二流道壁102构成流场流道200；所述第一流道壁101和第二流道壁102以流场流道200的中心线对称设置；所述第一流道壁101呈起伏状；设流场流道200的流道起点为原点建立直角坐标系，其中，往流场流道200的流道延伸方向为横坐标方向，往第一流道壁101方向为纵坐标方向，设流场流道200的长为x，第一流道壁101相对于流场流道200的中心线的起伏幅度为y，x与y满足正弦变化关系，即y=Asin（x）+C，A和C为常数。
对于流场流道200的结构，其主要是通过改变第一流道壁101和第二流道壁102的结构，使得第一流道壁101和第二流道壁102所组成的流场流道200具有很好的排水性。第一流道壁101和第二流道壁102通过流场流道200的中心线对称设置。第一流道壁101和第二流道壁102的结构相同，且均呈起伏状。第一流道壁101和第二流道壁102的最大特点在于具有规律的起伏。为了更加好的说明第一流道壁101和第二流道壁102的结构。下面以第一流道壁101为例进行描述。
设流场流道200的流道起点为原点建立直角坐标系，其中，往流场流道200的流道延伸方向为横坐标方向，往第一流道壁101方向为纵坐标方向，设流场流道200的长为x，第一流道壁101相对于流场流道200的中心线的起伏幅度为y，x与y满足正弦变化关系，即y=Asin（x）+C，A和C为常数。
在一些优选实施例，第一流道壁101的起伏关系满足如下规则，即y=0.25sin（x）+0.85，其中，单位为mm。即第一流道壁101相对于流场流道200的中心线的高点起伏幅度为0.55mm，第一流道壁101相对于流场流道200的中线的低点起伏幅度为0.3mm。由于第一流道壁101和第二流道壁102是以流场流道200的中心线对称。基于此，在这些实施例中，流场流道200的最窄处尺寸为0.6mm，流场流道200的最宽处尺寸为1.1mm。对于这些实施例中，流场流道200的长度优选为100mm。
通过研究试验，在一些实施例中，所述流场流道200的最窄处的尺寸为0.1mm至1.1mm；所述流场流道200的长度为99mm至101mm。
通过上述任一项实施例所述的流场流道200，第一流道壁101和第二流道壁102形成类似葫芦形状的流场。在阴极侧和阳极侧能够起到提高燃料气体或者空气流动的均匀性，并提高排水效率防止电堆水淹的作用，从而提高电堆性能和高功率时稳定性的作用。
对于本实施例中的双极板，其的燃料气流场是由多条线性的流场流道200构成，如图2所示，第一流道壁101和第二流道壁102流场凸台的形式呈现。线性的流场流道200连接燃料气进口201和燃料气出口202。
在一些实施例中，本双极板还包括氧化剂进口501、氧化剂出口502和氧化剂流场；所述氧化剂进口501通过氧化剂流场与氧化剂出口502连接；所述氧化剂流场具有上述任一项实施例中的流场流道结构。对于本实施例中的双极板，其的氧化剂流场是由多条线性的流场流道200构成，线性的流场流道200连接氧化剂进口501和氧化剂出口502。
在一些实施例中，本双极板还包括冷却剂进口401、冷却剂出口402和冷却剂流场，所述冷却剂进口401通过冷却剂流场与冷却剂出口402连接；所述冷却剂流场具有任一项实施例中的流场流道结构。对于本实施例中的双极板，其的冷却剂流场是由多条线性的流场流道200构成，线性的流场流道200连接冷却剂进口401和冷却剂出口402。
在一些优选的实施例中，双极板的材质包括：金属材质、石墨材质或者复合材质。
本发明还提供一种燃料电池，所述包括本具体实施例中任一项所述的双极板。
如图3所示，以本发明中实施例中的双极板所组装成燃料电池后，与对比例相比，不同电流下燃料电池的电压均有所提高。燃料电池操作压力为100kPa -110kPa(表压)，操作温度为65℃，空气侧增湿50～60％(RH)，氢气侧不增湿；组装采用5节燃料电池的电堆。对比燃料电池仅为不采用流场流道结构的同样的电堆，其它结构及操作条件相同。两个电堆的性能对比。在较大功率，如1000mA/cm2下，本实施例则比对比例相比有较大提升。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种燃料电池的流场流道结构，其特征在于，包括：第一流道壁和第二流道壁，所述第一流道壁和第二流道壁构成流场流道；
所述第一流道壁和第二流道壁以流场流道的中心线对称设置，所述第一流道壁呈起伏状；
设流场流道的流道起点为原点建立直角坐标系，其中，往流场流道的流道延伸方向为横坐标方向，往第一流道壁方向为纵坐标方向，设流场流道的长为x，第一流道壁相对于流场流道的中心线的起伏幅度为y，x与y满足正弦变化关系，即y=Asin（x）+C，A和C为常数。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池的流场流道结构，其特征在于，所述流场流道的最窄处的尺寸为0.1mm至1.1mm。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池的流场流道结构，其特征在于，所述流场流道的最窄处的尺寸为0.6mm。
4.一种燃料电池的双极板，其特征在于，包括燃料气进口、燃料气出口和燃料气流场，所述燃料气进口通过燃料气流场与燃料气出口连接；所述燃料气流场的具有权利要求1至3任一项所述的流场流道结构。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池的双极板，其特征在于，还包括氧化剂进口、氧化剂出口和氧化剂流场；所述氧化剂进口通过氧化剂流场与氧化剂出口连接；所述氧化剂流场具有权利要求1至3任一项所述的流场流道结构。
6.根据权利要求4所述的一种燃料电池的双极板，其特征在于，还包括冷却剂进口、冷却剂出口和冷却剂流场，所述冷却剂进口通过冷却剂流场与冷却剂出口连接；所述冷却剂流场具有权利要求1至3任一项所述的流场流道结构。
7.根据权利要求4所述的一种燃料电池的双极板，其特征在于，双极板的材质包括：金属材质、石墨材质或者复合材质。
8.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括权利要求4所述的双极板。
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