CN113506889B - 一种具有引射作用的双极板流道、双极板及燃料电池 - Google Patents

一种具有引射作用的双极板流道、双极板及燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有引射作用的双极板流道，由若干基本单元横纵重复排列组成，每个基本单元包括四个流道脊，第一流道脊和第二流道脊之间、第三流道脊和第四流道脊之间组成容气体通过的流道；四个流道脊的第一端指向所述基本单元的中心，使所述第一流道脊和所述第二流道脊之间的流道逐渐缩窄，所述第三流道脊和所述第四流道脊之间的流道逐渐放宽。本发明提供的流道结构，能加强液态水排出效果；结构简单，加工容易，成本低；兼容主动排水和静态排水，排水效果好。

Description

一种具有引射作用的双极板流道、双极板及燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种具有引射作用的双极板流道、双极板及燃料电池。
背景技术
燃料电池由膜电极和双极板交替层叠，并在两端由前后导电板及端板等压叠组成，双极板两侧分别通入燃料和氧化剂，电化学的氧化还原反应通过离子在膜电极内的传导，以及电子在外电路的传导完成，发电过程具有安静、效率高的优势。
低温燃料电池电化学反应过程会生成液态水，如果液态水在燃料电池膜电极的催化层、扩散层和流道内聚集会降低反应物的浓度，甚至造成催化剂的水淹，会降低燃料电池发电效率，恶化燃料电池反应环境，甚至造成停机。因此燃料电池的水管理十分重要。其中双极板流道的排水效率又是燃料电池水管理十分重要的环节。燃料电池排水工作模式分为主动排水和静态排水两种，主动排水即通过提供过量的反应气体，使双极板流道内形成足够高速的气体流动，从而将生成的液态水从双极板流道内排出。静态排水即燃料电池常态为末端封闭系统，不提供过量的反应气体，仅依靠燃料电池组件的亲疏水特性和排水组件将生成的液态水在压差或毛细等作用下排出燃料电池。
目前的双极板流道结构往往在流道转弯处、脊下和流动死区位置形成液态水的聚集，造成燃料电池性能下降。一些为了加强排水效果的流道设计往往采用3D流道、交指流道等结构，会带来加工难度大、气体流阻大等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、非连续流道结构，形成气体引射作用，加强流道脊下水的排出。
为了达到上述目的，本发明提供了一种具有引射作用的双极板流道，由若干基本单元横纵重复排列组成，每个基本单元包括四个流道脊，第一流道脊和第二流道脊之间、第三流道脊和第四流道脊之间组成容气体通过的流道；四个流道脊的第一端指向所述基本单元的中心，使所述第一流道脊和所述第二流道脊之间的流道逐渐缩窄，所述第三流道脊和所述第四流道脊之间的流道逐渐放宽。
优选地，在所述基本单元的中心处形成微负压；
射流气体由第一流道脊和第二流道脊之间、第三流道脊和第四流道脊之间组成的流道沿纵向流过，射流气体在所述基本单元的中心处流速最大；
引流气体由横向相邻两个基本单元之间组成的流道流过；
在微负压的作用下，所述引流气体能够被射流气体吸引，再与所述射流气体混合。
优选地，所述流道脊的形状为棒状、纺锤状或流线型。
优选地，所述第一流道脊和所述第二流道脊呈V型排布，所述第三流道脊和所述第四流道脊呈倒V型排布。
优选地，所述V型和所述倒V型为轴对称关系；气体由所述V型的尖角处流出后，从所述倒V型的尖角处流入。
本发明还提供了一种双极板，包含上述的双极板流道。
优选地，所述双极板上，在所述基本单元的中心，设有排水孔。
优选地，所述排水孔设于所述第一流道脊的第一端和第二流道脊的第一端之间，和/或所述第三流道脊的第一端和第四流道脊的第一端之间。
优选地，所述双极板为阴极板和/或阳极板。
本发明还提供了一种燃料电池，所述燃料电池的双极板，包含上述双极板流道。
本发明的有益效果为：
(1)加强液态水排出效果：通过V型结构形成的流道宽度渐缩，气体被逐渐加速，并在V型开口处形成微负压，对周围气体形成引射作用，有利于促进流道脊下扩散层内液态水的排出，有利于相邻流道内液态水的排出，避免了流动死区的形成，避免了液态水的聚集。
(2)结构简单，加工容易，成本低：通过非连续流道脊的组合，在双极板流道平面内形成具有引射作用的流道，流道脊为常规的短棒状、纺锤状或流线型，均为易于冲压成型或切削成型的结构，相比3D流道或在流道高度上变化的流道结构更易于加工，成本更低。
(3)兼容主动排水和静态排水：常规连续流道适合主动排水电堆工作，且需要一定的气流速度保证液态水的排出，点状或网状流道适合静态排水，但排水效率较低，本发明提供的非连续V型流道结构具有引射效果，排水效果好，兼具连续流道和点状/网状流道结构特征，可兼容主动排水和静态排水电堆。
附图说明
图1为本发明提供的双极板流道结构示意图。
图2为本发明提供的双极板流道形成的流场压力分布云图。
图3为本发明提供的双极板流道的流场速度矢量分布图。
图中，1-第一流道脊，2-第二流道脊，3-第三流道脊，4-第四流道脊，5-基本单元，6-基本单元的中心，7-射流气体，8-引流气体。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
本发明提供了一种具有引射作用的双极板流道，由若干基本单元横纵重复排列组成，每个基本单元包括四个流道脊，第一流道脊和第二流道脊之间、第三流道脊和第四流道脊之间组成容气体通过的流道；四个流道脊的第一端指向所述基本单元的中心，使所述第一流道脊和第二流道脊之间的流道逐渐缩窄，所述第三流道脊和第四流道脊之间的流道逐渐放宽。在所述基本单元的中心处形成微负压；射流气体由第一流道脊和第二流道脊之间、第三流道脊和第四流道脊之间组成的流道沿纵向流过，射流气体在所述基本单元的中心处流速最大；引流气体由横向相邻两个基本单元之间组成的流道流过；在微负压的作用下，所述引流气体能够被射流气体吸引，再与所述射流气体混合。所述流道脊的形状为棒状、纺锤状或流线型。
本发明还提供了一种燃料电池双极板，采用了上述双极板流道结构。在双极板上任意基本单元的中心，设有排水孔。优选地，排水孔设于所述第一流道脊的第一端和第二流道脊的第一端之间，及所述第三流道脊的第一端和第四流道脊的第一端之间。
实施例
如图1所示，本发明提供了一种双极板，包含由V型结构和倒V型结构组成的双极板流道。V型结构和倒V型结构为轴对称关系。流道脊为短棒状。第一流道脊1、第二流道脊2、第三流道脊3和第四流道脊4组成一个基本单元5。第一流道脊1的一端和第二流道脊2的一端指向基本单元5的中心处，使第一流道脊1和第二流道脊2呈尖角处开口的V型结构；第三流道脊3的一端和第四流道脊4的一端指向基本单元5的中心处，使第三流道脊3和第四流道脊4呈尖角处开口的倒V型结构。
气体从第一流道脊1和第二流道脊2之间、第三流道脊3和第四流道脊4之间流过。同时，在与气体流动方向相垂直的方向上(即图1中的横向)，气体也会从相邻的两基本单元5之间流过。
如图2和图3所示，第一流道脊1和第二流道脊2组成的流道逐渐缩窄，气体由第一流道脊1和第二流道脊2之间流过时，流速逐渐加快，形成局部微负压，对旁侧流道的气体形成引射作用。第三流道脊3和第四流道脊4组成的流道逐渐放宽，气体由第三流道脊3和第四流道脊4之间流过时，流速逐渐放缓。故在V型和倒V型结构的尖角处，即基本单元的中心6处，气体流速最大。在此处，由于气体流速的变化，使非连续的流道脊下扩散层内的水更容易被抽吸，利于水的排出。从相邻两基本单元之间的流道流过的引流气体8因引射作用能够被吸入至基本单元的中心6，与射流气体7混合。引流气体8的存在避免了流动死区的形成，促进相邻流道液态水的排出。
本例中，在V型结构和/或倒V型结构的尖角开口处，设置排水孔，用于静态排水。当液态水流经排水孔位置处时，能够通过排水孔将汇聚的液态水排出，从而提高静态排水效率。
综上所述，本发明提供了一种具有引射作用的双极板流道，该流道结构简单、非连续，具有V型渐缩流道宽度的特点，形成气体引射作用，加强了流道脊下水的排出，以及不同流道内气体的相互引射作用，不存在流道转弯和死区的液态水聚集问题。
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 (8)

1.一种具有引射作用的双极板流道，其特征在于，由若干基本单元横纵重复排列组成，每个基本单元包括四个流道脊，第一流道脊和第二流道脊之间、第三流道脊和第四流道脊之间组成容气体通过的流道；四个流道脊的第一端指向所述基本单元的中心，使所述第一流道脊和所述第二流道脊之间的流道逐渐缩窄，所述第三流道脊和所述第四流道脊之间的流道逐渐放宽，在所述基本单元的中心处形成微负压；
所述基本单元的中心设有排水孔，或
所述第一流道脊的第一端和第二流道脊的第一端之间、和/或所述第三流道脊的第一端和第四流道脊的第一端之间设有排水孔。
2.如权利要求1所述的双极板流道，其特征在于，
射流气体由第一流道脊和第二流道脊之间、第三流道脊和第四流道脊之间组成的流道沿纵向流过，射流气体在所述基本单元的中心处流速最大；
引流气体由横向相邻两个基本单元之间组成的流道流过；
在微负压的作用下，所述引流气体能够被射流气体吸引，再与所述射流气体混合。
3.如权利要求1所述的双极板流道，其特征在于，所述流道脊的形状为棒状、纺锤状或流线型。
4.如权利要求1-3任意一项所述的双极板流道，其特征在于，所述第一流道脊和所述第二流道脊呈V型排布，所述第三流道脊和所述第四流道脊呈倒V型排布。
5.如权利要求4所述的双极板流道，其特征在于，所述V型和所述倒V型为轴对称关系；气体由所述V型的尖角处流出后，从所述倒V型的尖角处流入。
6.一种双极板，其特征在于，包含如权利要求1-5任意一项所述的双极板流道。
7.如权利要求6所述的双极板，其特征在于，所述双极板为阴极板和/或阳极板。
8.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池的双极板，包含如权利要求1-5任意一项所述的双极板流道。
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