CN113410487A - 混合型三口同侧分布燃料电池双极板流道结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了混合型三口同侧分布燃料电池双极板流道结构，主要涉及燃料电池技术领域；包括板体，所述板体上设有阳极面、阴极面，所述板体的一端自前向后依次设有氢气入口、冷却水入口、氧气入口，另一端自前向后依次设有氧气出口、冷却水出口、氢气出口；阳极面上设有叶脉状流场，所述氢气入口、氢气出口与叶脉状流场之间均通过第一点状流场连通；阴极面上设有若干蛇形流道，所述氧气入口、氧气出口与多蛇形流道之间均通过第二点状流场连通；本发明能够使反应剂在气体扩散层尽量均匀分布，从而达到提高电池效率的目的，能够提高氢气的利用率，保证燃料电池反应过程中生成的水可以及时排除，防止发生“水淹”导致气体通道堵塞现象的出现。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体是混合型三口同侧分布燃料电池双极 板流道结构。
背景技术
质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)具有 发电功率高、启动速度块、能量转化效率高等优点，目前，在新能源汽车、国 防、航天、计算机与通讯等许多领域有巨大的市场和十分广泛的应用前景。但 是，PEMFC的发展依然存在一些阻碍，其中，成本问题占主导地位。
燃料电池双极板又称集流板，是燃料电池重要部件之一，其质量占整个燃 料电池的60％～80％，成本占整个燃料电池的一半以上，其运行过程中阴极气体 扩散层与双极板界面处易发生“水淹”导致气体通道堵塞，导致系统停止工作。
现有的双极板流场设计，主要存在以下几点问题：
1、流场肋部的存在增加了反应气体进入膜电极肋部下区域的传质阻力，导 致膜电极内反应气体浓度分布不均匀，从而降低电池性能；
2、流道的弯折拐角处流动阻力大，不利于将反应产生的液滴排出，很有可 能导致阴极氧气出口或拐角处出现水淹现象，同样降低电池性能，甚至对电极 造成破坏；
3、冷却效果不好，导致电池内部温差较大，局部的热解现象会严重影响电 池寿命。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供混合型三口同侧分布 燃料电池双极板流道结构，能够使反应剂在气体扩散层尽量均匀分布，从而达 到提高电池效率的目的，能够提高氢气的利用率，保证燃料电池反应过程中生 成的水可以及时排除，防止发生“水淹”导致气体通道堵塞现象的出现。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
混合型三口同侧分布燃料电池双极板流道结构，包括板体，所述板体上设 有阳极面、阴极面，所述板体的一端自前向后依次设有氢气入口、冷却水入口、 氧气入口，另一端自前向后依次设有氧气出口、冷却水出口、氢气出口；
所述阳极面上设有叶脉状流场，所述氢气入口、氢气出口与叶脉状流场之 间均通过第一点状流场连通；
所述阴极面上设有若干蛇形流道，所述氧气入口、氧气出口与多蛇形流道 之间均通过第二点状流场连通。
优选的，所述叶脉状流场包括氢气主干流道，所述氢气主干流道的两侧均 设有若干支干干流道，所述支干干流道的一端与氢气主干流道连通，另一端与 第一点状流场连通。
优选的，若干所述蛇形流道的宽度依次减小。
优选的，所述叶脉状流场、蛇形流道的平面形状为波形结构。
优选的，所述叶脉状流场、蛇形流道的平面形状为平行结构。
优选的，所述叶脉状流场、蛇形流道的平面形状为曲线形结构。
优选的，所述叶脉状流场、蛇形流道的平面形状为梯形结构。
优选的，所述板体为金属板体。
优选的，所述板体的材质为不锈钢或镍合金或钛合金或铝合金。
对比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明通过优化双极板流道排布方式，使反应剂在气体扩散层尽量均匀分 布，从而达到提高电池效率的目的；阳极面的流道设计能够降低压降损失，从 而降低流速，提高氢气的利用率；阴极面的流道设计能够增大压降，保证燃料 电池反应过程中生成的水可以及时排除，防止燃料电池运行过程中阴极气体扩 散层与双极板界面处易发生“水淹”导致气体通道堵塞现象的出现，保证系统 正常工作。
附图说明
附图1是本发明的阳极面的平面示意图；
附图2是本发明的阴极面的平面示意图；
附图3是本发明的双极板反应表面温度分布图；
附图4是本发明与传统流道设计极化曲线对比分析图。
附图中标号：1、板体；2、氢气入口；21、氢气出口；3、冷却水入口；31、 冷却水出口；4、氧气入口；41、氧气出口；5、叶脉状流场；51、氢气主干流 道；52、支干干流道；6、第一点状流场；7、蛇形流道；8、第二点状流场。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说 明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内 容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样 落于本申请所限定的范围。
实施例1：本发明所述是混合型三口同侧分布燃料电池双极板流道结构，包 括板体1，所述板体1上设有阳极面、阴极面，所述板体1的一端自前向后依次 设有氢气入口2、冷却水入口3、氧气入口4，另一端自前向后依次设有氧气出 口41、冷却水出口31、氢气出口21；
所述阳极面上设有叶脉状流场5，所述氢气入口2、氢气出口21与叶脉状 流场5之间均通过第一点状流场6连通；
所述阴极面上设有若干蛇形流道7，所述氧气入口4、氧气出口41与多蛇 形流道7之间均通过第二点状流场8连通。
优选的，所述叶脉状流场5包括氢气主干流道51，所述氢气主干流道51的 两侧均设有若干支干干流道52，所述支干干流道52的一端与氢气主干流道51 连通，另一端与第一点状流场6连通。
优选的，若干所述蛇形流道7的宽度依次减小。
具体的：
混合型三口同侧分布燃料电池双极板流道结构包括有空气、氢气和冷却水 流道，并且三种流体入口必须相互错开，其双极板设计可以从板进口到出口可 以细分为5区：进口区、分配区、反应区、汇合区、出口区。由于版型基本对 称，可以把整个大的双极板划分为三大块：进出口区、过渡区(混合区)和反应 区，并且本发明氢气道，空气道，冷却水道入口位于板的同一侧，此外，还需 注意氢气、空气、水道进出口形状和大小不一，但其排布基本是板的同侧，且 水道位于两个气道之间。
本发明第一块为进出口区，不仅是双极板的气道、水道进出口，该区形状 和尺寸也决定了电堆整体的进出口尺寸，因此其设计除了影响双极板的流体均 匀分布问题和压降大小，同时也影响电堆的电片流量分配问题，所以设计上采 用变截面设计，其优点在于，变截面引起的气流扰动有利传质，变路径流道具 有高效的换热性能，可是使得气体更均匀的扩散到双极板的第二块区域过渡区。
本发明第二块为过渡区，是板中设计比较关键的一块，它主要起引导气体 和水从第一块区域向第三块区域过渡的作用，同时得保证每个单流道的流量均 匀分布，设计采用点状流场过渡的方式设计，其优点在于能有效引导水气从入 口到反应区的过渡，并且该种设计方式可以最大化的保证进入第三块区域的气 体均匀性效果最好。
本发明第三块为反应区，其主要在作用于膜电极(MEA)上最大的活性面积， 其流场设计对燃料电池的性能影响极其重要，其设计阴极侧为多蛇形流道设计 方式，该设计方式可以保证流道压降增加，保证燃料电池反应过程中生成的水 可以及时排除，防止燃料电池运行过程中阴极气体扩散层与双极板界面处易发 生“水淹”导致气体通道堵塞现象的出现，导致系统停止工作。阳极侧为叶脉 性流场在保证反应剂在气体扩散层尽量均匀分布，从而达到提高电池效率的前 提下，进一步的降低压降损失从而降低流速，提高氢气的利用率。
除此之外本发明进一步设置：针对阴阳两侧第三块反应区的流道设计包括 第一进气口和第二进气口，所述叶脉状或多蛇形进气流道包括第一气体流道和 第二气体流道，所述第一进气口设置于所述第一气体流道外端，所述第二进气 口设置于所述第二气体流道外端。
除此之外本发明进一步设置：针对阳极侧流道设计所述第一气体流道包括 第一气体主干流道和多条第一气体分支流道，所述第一气体分支流道设置于所 述第一气体主干流道上，所述第一气体分支流道和所述第一气体主干流道相连 通，所述第二气体流道包括第二气体主干流道和多条第二气体分支流道，所述 第二气体分支流道设置于所述第二气体主干流道上，所述第二气体分支流道和 所述第二气体主干流道相连通。
除此之外本发明进一步设置：针对阴极侧流道设计所述多蛇形流道设计方 式为间缩设计，假设第一直流道宽度为M，则第二直流道宽度为0.7～0.9M，第 三直流道为0.5～0.7M，其优点在于随着流道宽度的降低氧气流速增加，可以更 好的保证气体均匀性的同时，把燃料电池反应生产的水及时的排除，避免燃料 电池运行过程中阴极气体扩散层与双极板界面处易发生“水淹”导致气体通道 堵塞现象的出现，提高燃料电池发电效率。
通过采用上述技术方案，针对阴阳两侧流道设计均为多流道设置，通过压 力差增强有效面积内气体对流与扩散能力，均匀分配反应气体到各分支流道， 使反应气体能够均匀的分布在反应流场，从而提升电池的性能。
通过采用上述技术方案，针对阳极侧流道设计所述第一气体分支流道和所 述第二气体分支流道呈叶脉型结构设置，流道不连续迫使气体在压力作用下穿 过扩散层参加反应，提高了气体的利用率和电池功率密度，从而提升电池的性 能。
上述方案中，所述流道的平面形状为波形结构、平行结构、曲线形结构或 梯形结构。
进一步的，所述流道的平面形状为波形结构，双极板的尺寸参数为：长度 为30～70mm；宽度为25～60mm；厚度为2～6mm；所述流道的尺寸为：长度为 20～65mm；宽度为0.7～1.1mm；深度为0.8～1.2mm；流道间隔为0.7～1.1mm； 表面粗糙度小于或等于0.02μm，波纹倾角30°～70°，波纹间距0.3～0.7mm， 波纹深度0.3～0.7mm。
进一步的，所述单流道的平面形状为平行结构，双极板的尺寸参数为：长 度为30～70mm；宽度为25～60mm；厚度为2～6mm；所述流道的尺寸为：长度 为20～65mm；宽度为0.7～1.1mm；深度为0.8～1.2mm；流道间隔为0.7～1.1mm； 表面粗糙度小于或等于0.02μm。
进一步的，所述流道的平面形状为曲线形结构，双极板的尺寸参数为：长 度M为30～70mm；宽度N为25～60mm；厚度为2～6mm；所述流道的尺寸为：长 度为20～65mm；宽度为0.7～1.1mm；深度为0.8～1.2mm；流道间隔为0.7～1.1mm；表面粗糙度小于或等于0.02μm；型线曲率半径R＝3.5～8mm。
进一步的，所述流道的平面形状为梯形结构，双极板的尺寸参数为：长度 为30～70mm；宽度为25～60mm；厚度为2～6mm；所述流道尺寸为：长度为20～ 65mm；宽度为0.7～1.1mm；深度为0.8～1.2mm；流道间隔为0.7～1.1mm；表面 粗糙度小于或等于0.02μm；梯形迎坡面/背坡面角度为20°～70°，梯形凸起的宽 度与流道沟槽的宽度一致，高度为流道沟槽的0.2～0.8倍。
所述板体1为金属双极板，材料为不锈钢、镍合金、钛合金或铝合金。
实施例2：本发明的性能的衡量标准如下：
1、压降
本发明针对燃料电池流场压降进行计算，并与传统流场对比分析得出如下 结论：阳极侧流道设计压降小于传统流场压降，从而降低流速，提高氢气的利 用率；阴极侧流道设计大于传统流场压降，保证燃料电池反应过程中生成的水 可以及时排除，防止燃料电池运行过程中阴极气体扩散层与双极板界面处易发 生“水淹”导致气体通道堵塞现象的出现，导致系统停止工作，其具体计算方法如 下所示。
在燃料电池中通常将流场设计成众多平行的流道，因此，沿某个流道的压 降也就是整个流场的压降。在一个典型的流道中，气体以平均速度从一端流向 另一端，出入口之间的压差驱动流体流动。通过提高出入口的压降，可提高速 度。本发明中假设双极板流道中的流动为层流，与流速成比例，可使用针对管 道中不可压缩流的公式来近似压降：
式中，f为摩擦因子；Lchan为流道长度；DH为水力直径；ρ为流体密度；v为 平均速度；KL为局部阻抗。
对于典型的矩形流场，水力直径可定义为：
DH＝2ωcdc/(ωc+dc)------------------------------(2)
式中，ωc为流道宽度；dc为流道深度。
流道长度可定义为：
Lchan＝Acell/[Nch(ωc+ωl)------------------------------(3)
式中，Acell为电池活性面积；Nch为平行流道数；ωc为流道宽度；ωl为脊背 宽度。
摩擦因子可定义为：
f＝56/Re---------------------------------------(4)
式中，Re为雷诺数。
燃料电池入口处的速度为：
v＝Qstack/NcellNchAch---------------------------(5)
式中，v为流道中的速度；Qstack为燃料电池堆入口空气流速；Ncell燃料电 池堆中的电池数；Nch为各电池中的平行流道数；Ach为流道的交叉部分面积。
2、均匀化指标
本发明阳极提供一种更均匀地分配反应气体到各分支流道，更有利于电池 的热管理，能提升电池性能的主动排水叶脉状交指型流场燃料电池双极板。阴 极提供一种多蛇形流道，可以避免出现流道的是电池出口部分由于电池生成水 的积累，液态水较多容易导致电池水淹，影响电池性能。
由数值分析可得到各反应流道中的气体流速，但这些数据必须通过统计方 法加以整理，转换成容易分析的信息，才可以作为判断各反应流道流量是否均 匀的指标。所采用的统计方法如下：
首先，选取数值分析中所得到的各流道中气体流速来作为所需的样本空间。 但是每条流道中气体流速并不是定值，所以必须设法找到一个固定的平均速度 来代替。本文中每条流道中选取同一水平上的个气体流速的平均值作为该流道 的固定气体流速，以此类推，所有流道上的固定气体流速组成了分析的样本。 在每一组数值分析中会有个样本数，作为总体来分析。
其次，将这些样本数据值取其算术平均数，即
以此来代表总体的平均水平，便于相互比较。总体平均数值的大小反应了 样本数据的变化程度。若某组数据与总体平均值的差异大，则数组的变动程度 也大，反之亦然。
最后，采用总体的标准差来描述各流速相对于平均值的差异程度，作为评 估流速是否均勻的值。可定义为样本空间中所有样本数值与其平均数之差的平 方和，除以数据的总数，再开根号。
其阴极侧及阳极侧双极板均匀化参数如附图3所示，我们可以看到应用本 发明的双极板流道设计的燃料电池反应表面温差小于1℃，因此可以推断反应表 面气体分布均匀，从而得出本发明的新型双极板设计合理。
Claims (9)
1.混合型三口同侧分布燃料电池双极板流道结构，包括板体(1)，所述板体(1)上设有阳极面、阴极面，其特征在于：所述板体(1)的一端自前向后依次设有氢气入口(2)、冷却水入口(3)、氧气入口(4)，另一端自前向后依次设有氧气出口(41)、冷却水出口(31)、氢气出口(21)；
所述阳极面上设有叶脉状流场(5)，所述氢气入口(2)、氢气出口(21)与叶脉状流场(5)之间均通过第一点状流场(6)连通；
所述阴极面上设有若干蛇形流道(7)，所述氧气入口(4)、氧气出口(41)与多蛇形流道(7)之间均通过第二点状流场(8)连通。
2.根据权利要求1所述的混合型三口同侧分布燃料电池双极板流道结构，其特征在于：所述叶脉状流场(5)包括氢气主干流道(51)，所述氢气主干流道(51)的两侧均设有若干支干干流道(52)，所述支干干流道(52)的一端与氢气主干流道(51)连通，另一端与第一点状流场(6)连通。
3.根据权利要求1所述的混合型三口同侧分布燃料电池双极板流道结构，其特征在于：若干所述蛇形流道(7)的宽度依次减小。
4.根据权利要求1所述的混合型三口同侧分布燃料电池双极板流道结构，其特征在于：所述叶脉状流场(5)、蛇形流道(7)的平面形状为波形结构。
5.根据权利要求1所述的混合型三口同侧分布燃料电池双极板流道结构，其特征在于：所述叶脉状流场(5)、蛇形流道(7)的平面形状为平行结构。
6.根据权利要求1所述的混合型三口同侧分布燃料电池双极板流道结构，其特征在于：所述叶脉状流场(5)、蛇形流道(7)的平面形状为曲线形结构。
7.根据权利要求1所述的混合型三口同侧分布燃料电池双极板流道结构，其特征在于：所述叶脉状流场(5)、蛇形流道(7)的平面形状为梯形结构。
8.根据权利要求1所述的混合型三口同侧分布燃料电池双极板流道结构，其特征在于：所述板体(1)为金属板体。
9.根据权利要求8所述的混合型三口同侧分布燃料电池双极板流道结构，其特征在于：所述板体(1)的材质为不锈钢或镍合金或钛合金或铝合金。
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