CN113675423B - 燃料电池、燃料电池双极板及燃料电池双极板的流场结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池、燃料电池双极板及燃料电池双极板的流场结构，其中，燃料电池双极板的流场结构包括依次连通设置的进气口、通道和出气口，进气口和出气口分别设有端部流道；通道包括中间段以及两个分别设于中间段两端的分配段，中间段包括多条呈波浪形结构且平行设置的中间流道，分配段包括多条分配流道，分配流道对应连通于端部流道和各中间流道之间；相互连通的分配流道和中间流道之间的夹角呈钝角。该流场结构能够简化流场结构并可提高气体流速并可降低阻力降保证排水性能。

Description

燃料电池、燃料电池双极板及燃料电池双极板的流场结构

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池、燃料电池双极板及燃料电池双极板的流场结构。

背景技术

流场结构的设计是改善燃料电池性能的有效途径，良好的流场结构设计可使气体燃料在电池内部达到更佳的传递效率，同时可改善反应产物液态水的排出效果，使传质极限延后，因而提高电池性能。

目前燃料电池双极板的流道结构主要有蛇形流道、直通道流道和网状流道等，其中，蛇形流道是研究最多的流道形式，能够迅速排除燃料电池反应生成的液态水，但对于较大面积的双极板，存在由于流道过长引起压降过大和气体分布不均匀的现象；直通道流道可以减小气体压力降从而提高流通效率，但反应气体在直通流道内流速过快会导致反应效率较低；网状流场设计灵活，结构简单，但流场内气体流速较低，阻力降较大，排水能力亦较差。

并且，反应气体的进气口和出气口与流道之间的夹角往往采用垂直布置，此种设置情况下，使得反应气体在进入流道时会由于直角的布置使得气体流速较低，阻力降较大。

而如何简化燃料电池双极板的流场结构，提高气体流速并可降低阻力降保证排水性能，是本领域技术人员所亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池、燃料电池双极板及燃料电池双极板的流场结构，能够简化流场结构并可提高气体流速并可降低阻力降保证排水性能。

为解决上述技术问题，本发明提供一种燃料电池双极板的流场结构，其包括依次连通设置的进气口、通道和出气口，所述进气口和所述出气口分别设有端部流道；所述通道包括中间段以及两个分别设于所述中间段两端的分配段，所述中间段包括多条呈波浪形结构且平行设置的中间流道，所述分配段包括多条分配流道，所述分配流道对应连通于所述端部流道和各所述中间流道之间；相互连通的所述分配流道和所述中间流道之间的夹角呈钝角。

设于极板的流场结构包括依次连通设置的进气口、通道和出气口，其中，进气口和出气口分别设有端部流道，通道包括中间段以及两个分别设于该中间段两端的分配段，中间段包括多条平行并列设置的中间流道，分配段包括多条分配流道，各分配流道对应连通于端部流道和中间流道之间，其中，各中间流道呈波浪形结构且平行设置，相当于将一条呈波浪形结构的中间流道依次按照预设间隔距离平移并列布置并在极板的表面形成一排具有多条并列设置的中间流道，各中间流道的波峰位置对应，波谷位置也对应。具体可在极板的表面设置多条呈波浪形结构的凸起，各凸起平行并列设置，并在相邻两个凸起之间形成一条中间流道。

详细的讲，反应气体能够由进气口进入并沿分配流道进入中间段的中间流道内，再由中间流道另一端的分配流道进入出气口排出，具体的，反应气体能够在流动过程中扩散至膜电极内与催化剂接触，发生化学反应并释放电流，最后剩余的反应气体以及位于中间流道内的反应生成物(液态水)通过出气口排出。呈波浪形结构布置的中间流道能够延长气流的流动距离，并提高该中间流道的有效面积，使得位于中间流道内的反应气体反应更充分，有利于提高反应效率，并且，波浪形中间流道使得反应气体在经过时能够降低对其产生的流动阻力，便于反应气体在流出时将液态水带出，利于实现排水的效果。

相互连通的分配流道与中间流道之间的夹角呈钝角，如此一来，使得气体在流动过程中，能够减小气流阻力，并且便于实现排水的效果。

可选地，所述进气口的高度高于所述出气口的高度。

可选地，两个所述分配段关于所述中间段的中心位置对称设置；设于所述进气口的端部流道和设于所述出气口的端部流道关于所述中间段的中心位置对称设置。

可选地，各所述分配流道倾斜设置，且所述分配流道朝向所述进气口的一侧端部高于朝向所述出气口的一侧端部。

可选地，所述中间段还包括至少一条贯通于各所述中间流道之间的均匀流道。

可选地，所述均匀流道倾斜设置且朝向所述进气口的一侧端部高于朝向所述出气口的一侧端部。

可选地，所述中间流道的深度为0.4mm～1.0mm；

和/或，所述中间流道的宽度为0.6mm～2.0mm；

和/或，相邻两条所述中间流道之间的距离为0.3mm～2.0mm。

本发明还提供了一种燃料电池双极板，其包括两个极板，两个所述极板中至少一个设有如上所述的燃料电池双极板的流场结构，且两个所述极板中，一者形成阳极板，另一者形成阴极板。

可选地，所述流场结构的通道的面积与所述极板设有所述通道的一侧面的面积比为50％～75％。

本发明还提供了一种燃料电池，其包括如上所述的燃料电池双极板。

具有如上所述的流场结构的燃料电池双极板，以及具有上述燃料电池双极板的燃料电池，其技术效果与上述燃料电池双极板的流场结构的技术效果类似，为节约篇幅，在此不再赘述。

附图说明

图1是本发明实施例所提供的燃料电池双极板的流场结构的结构示意图；

图2是具有本实施例所提供的燃料电池以及现有技术中的燃料电池的性能测试图。

附图1-2中，附图标记说明如下：

1-进气口；

2-出气口；

3-通道，31-中间段，311-中间流道，312-均匀流道，32-分配段，321-分配流道；

4-端部流道。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1-2，图1是本发明实施例所提供的燃料电池双极板的流场结构的结构示意图；图2是具有本实施例所提供的燃料电池以及现有技术中的燃料电池的性能测试图。

本发明实施例提供了一种燃料电池、燃料电池双极板及燃料电池双极板的流场结构，其中，燃料电池是指具有上述燃料电池双极板的燃料电池，燃料电池双极板包括两个极板，这两个极板中的至少一个设有上述燃料电池双极板的流场结构，并且两个极板中，一个形成阳极板，另一个形成阴极板。

具体的，如图1所示，设于极板的流场结构包括依次连通设置的进气口1、通道3和出气口2，其中，进气口1和出气口2分别设有端部流道4，通道3包括中间段31以及两个分别设于该中间段31两端的分配段32，中间段31包括多条平行并列设置的中间流道311，分配段32包括多条分配流道321，各分配流道321对应连通于端部流道4和中间流道311之间，其中，各中间流道311呈波浪形结构且平行设置，相当于将一条呈波浪形结构的中间流道311依次按照预设间隔距离平移并列布置并在极板的表面形成一排具有多条并列设置的中间流道311，各中间流道311的波峰位置对应，波谷位置也对应。具体可在极板的表面设置多条呈波浪形结构的凸起，各凸起平行并列设置，并在相邻两个凸起之间形成一条中间流道311。

详细的讲，反应气体能够由进气口1进入并沿分配流道321进入中间段31的中间流道311内，再由中间流道311另一端的分配流道321进入出气口2排出，具体的，反应气体能够在流动过程中扩散至膜电极内与催化剂接触，发生化学反应并释放电流，最后剩余的反应气体以及位于中间流道311内的反应生成物(液态水)通过出气口2排出。呈波浪形结构布置的中间流道311能够延长气流的流动距离，并提高该中间流道311的有效面积，使得位于中间流道311内的反应气体反应更充分，有利于提高反应效率，并且，波浪形中间流道311使得反应气体在经过时能够降低对其产生的流动阻力，便于反应气体在流出时将液态水带出，利于实现排水的效果。

相互连通的分配流道321与中间流道311之间的夹角呈钝角，如此一来，使得气体在流动过程中，能够减小气流阻力，并且便于实现排水的效果。

另外，本实施例中，对于端部流道4的具体结构不做限制，如图1所示，分配流道321的数量大于端部流道4的数量，并且分配流道321的数量不大于中间流道311的数量，也就是说，每一条端部流道4对应一组分配流道321，每一条分配流道321分别与一条中间流道311对应连通，如此一来，气体由进气口1进入各端部流道4内，然后在分散在更多条分配流道321内并沿分配流道321进入中间流道311，并在此过程中，经过夹角呈钝角的拐角，空气阻力较小，该分配流道321能够使得由进气口1进入的反应气体均匀地进入各中间流道311内。另外，由于分配流道321的设置，气流在沿分配流道321进入中间流道311内时可保证气流稳定，从而使得对于端部流道4的设置更为灵活。

具体的，本实施例中，可以是阴极板设有上述流场结构，也可以是阳极板设有上述流场结构，或者阴极板和阳极板分别设有上述流场结构均可。

在上述实施例中，进气口1的高度高于出气口2的高度，也就是说，在使用状态下，反应气体由高度较高的端部流道4进入，并由高度较低的端部流道4流出，如此设置，可减小对反应气体的气流扰动，减小对反应气体的流动阻力。如图1所示，本实施例中的进气口1设于极板的一端的顶部，出气口2设于极板的另一端的底部，也就是说，进气口1和出气口2分别位于极板的对角位置，以保证重力作用能够对反应气体的流动提供动力而非阻力，进一步减小气流阻力。

进一步的，中间段31两端的两个分配段32关于中间段31的中心位置对称设置，同时，设于进气口1处的端部流道4以及设于出气口2处的端部流道4关于中间段31的中心位置对称设置。如此设置，使得各中间流道311的长度相同，经过各中间流道311的反应气体的流动情况均匀一致，减小经过各中间流道311内的反应气体彼此之间的差异性，保证该燃料电池的性能和使用寿命。

在上述实施例中，各分配流道321均倾斜且平行设置，并且各分配流道321朝向进气口1的一侧端部的高度高于朝向出气口2的一侧端部的高度，反应气体在由设于进气口1的端部流道4经过分配流道321流向中间流道311的过程中，以及反应气体在由中间流道311经过分配流道321流向设于出气口2的端部流道4的过程中，反应气体可在重力的作用下沿倾斜设置的分配流道321向下流动，如此设置，可使得重力作用能够为反应气体的流动提供动力而非阻力，进一步降低对反应气体在经过分配流道321时造成的阻力和扰动。

在上述实施例中，中间段31还包括至少一条贯通于各中间流道311之间的均匀流道312，该均匀流道312与各中间流道311连通，用于在各中间流道311之间起到平衡气流的作用，保证各中间流道311内的反应气体的分配的均匀性，同时，还能够将各中间流道311内的反应产物—液态水快速排出，防止个别流道出现堵塞、水淹等问题，提升该燃料电池的性能和使用寿命。

具体的，本实施例中，对于均匀流道312的数量不做限制，如图1所示，本实施例中的中间段31设有三条均匀流道312，当然也可以仅设置一条均匀流道312，或者两条、四条、更多条均可，具体可根据各中间流道311的长度、宽度等进行设置。

在上述实施例中，均匀流道312倾斜设置且朝向进气口1的一侧端部高于朝向出气口2的一侧端部，由于进气口1的高度高于出气口2的高度，当各中间流道311内的气流分配不均时，位于高处的中间流道311内的气量容易较大(进气口1的高度较高)，即高处的中间流道311内的气流量相对较大，将均匀流道312倾斜设置并朝向进气口1的一侧端部较高时，部分气流量较大的中间通道3内的反应气体将沿均匀流道312流向气流量较小的中间通道3内，由于中间流道311和均匀流道312之间的夹角为钝角，可减小高处的中间流道311内的反应气体在沿均匀流道312向低处的中间流道311流动时的阻力。

并且，由于中间流道311呈波浪形结构布置，位于高处的中间流道311内的液态水沿均匀流道312流向位于低处的中间流道311内，可避免高处气流量较大液态水较多导致在中间流道311的波谷处囤积造成堵塞的情况。

在上述实施例中，对中间流道311的尺寸规格并不做限制，具体的，将中间流道311的尺寸设置为满足以下至少一项：中间流道311的深度为0.4mm～1.0mm，中间流道311的宽度为0.6mm～2.0mm，相邻两条中间流道311之间的距离为0.3mm～2.0mm(即设于极板的凸起的宽度为0.3mm～2.0mm)。如此设置，可在保证具有足够大的有效面积的同时，简化加工工艺。

并且，设于极板的流场结构的通道3的面积与极板设有该通道3的一侧面的面积比为50％～75％，以保证极板具有足够的利用率的同时，降低对流场结构的加工工艺要求。

对本实施例所提供的燃料电池以及现有技术中的燃料电池的性能进行测试，结果如图2所示，其中，现有技术中的燃料电池是指具有蛇形流道的燃料电池，可以看出，在相同电流密度的情况下，具有本实施例所提供的流场结构的燃料电池的电压要高于具有普通流场的燃料电池的电压，其功率较大、性能优势较为明显。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种燃料电池双极板的流场结构，其特征在于，包括依次连通设置的进气口(1)、通道(3)和出气口(2)，所述进气口(1)和所述出气口(2)分别设有端部流道(4)；

所述通道(3)包括中间段(31)以及两个分别设于所述中间段(31)两端的分配段(32)，所述中间段(31)包括多条呈波浪形结构且平行设置的中间流道(311)，所述分配段(32)包括多条分配流道(321)，所述分配流道(321)对应连通于所述端部流道(4)和各所述中间流道(311)之间；

分配流道(321)的数量大于端部流道(4)的数量；

相互连通的所述分配流道(321)和所述中间流道(311)之间的夹角呈钝角；

所述进气口(1)的高度高于所述出气口(2)的高度；

各所述分配流道(321)倾斜设置，且所述分配流道(321)朝向所述进气口(1)的一侧端部高于朝向所述出气口(2)的一侧端部。

2.根据权利要求1所述的燃料电池双极板的流场结构，其特征在于，两个所述分配段(32)关于所述中间段(31)的中心位置对称设置；

设于所述进气口(1)的端部流道(4)和设于所述出气口(2)的端部流道(4)关于所述中间段(31)的中心位置对称设置。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池双极板的流场结构，其特征在于，所述中间段(31)还包括至少一条贯通于各所述中间流道(311)之间的均匀流道(312)。

4.根据权利要求3所述的燃料电池双极板的流场结构，其特征在于，所述均匀流道(312)倾斜设置且朝向所述进气口(1)的一侧端部高于朝向所述出气口(2)的一侧端部。

5.根据权利要求1或2所述的燃料电池双极板的流场结构，其特征在于，所述中间流道(311)的深度为0.4mm～1.0mm；

和/或，所述中间流道(311)的宽度为0.6mm～2.0mm；

和/或，相邻两条所述中间流道(311)之间的距离为0.3mm～2.0mm。

6.一种燃料电池双极板，其特征在于，包括两个极板，两个所述极板中至少一个设有如权利要求1-5任一项所述的燃料电池双极板的流场结构，且两个所述极板中，一者形成阳极板，另一者形成阴极板。

7.根据权利要求6所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述流场结构的通道(3)的面积与所述极板设有所述通道(3)的一侧面的面积比为50％～75％。

8.一种燃料电池，其特征在于，包括如权利要求6或7所述的燃料电池双极板。

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