CN113707902A - 一种氢燃料电池的双极板及氢燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种氢燃料电池的双极板及氢燃料电池，双极板上设有渐缩流道结构，渐缩流道结构包括相对设置的第一边和第二边，第一边的长度大于第二边的长度，第一边和第二边之间形成有多条内凹的流道和多条外凸的脊背，脊背形成于相邻流道之间；流道的第一端和脊背的第一端位于第一边上，流道的第二端和脊背的第二端位于第二边上，反应气流在流道内由第一边向第二边的方向流通，流道和脊背的宽度由反应气流流通方向呈逐渐变小的趋势；双极板上形成多个流场级，多个流场级沿反应气体流动方向上逐级布置，每个流场级中包括至少一个渐缩流道结构。本发明的双极板利用了渐缩流道的优势的同时避免单级渐缩流道难以成型加工的情况。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种氢燃料电池的双极板及氢燃料电池。
背景技术
氢燃料电池(亦质子交换膜燃料电池)是一种将氢氧反应气体的化学能直接转化成电能的装置，具有能量转换率高、环境友好、操作温度低等优点，是一种极具发展前景的清洁能源技术。从极板材料上可分为金属双极板和石墨双极板。其中超薄金属双极板相较于石墨和复合双极板具有明显的优势，如导热导电性能佳、阻气性好、机械强度高等，正逐步成为高功率密度燃料电池设计的技术潮流和研究热点。无论是金属双极板还是常规的石墨双极板，流场设计均是影响燃料电池性能与寿命的主要因素之一。
双极板上刻画有阴阳极流道，用于输送反应气体。相比于常规的等直径流道，渐缩流道在已有的研究中已被证明具有性能上的优势。对于燃料电池的流道而言，在中后段反应生成水积累增多，反应气体的浓度下降，电化学反应强度和传质性能均下降，而工质在渐缩流道中流动时，流速会逐渐增加，流动压强增加，有利于反应生成水的排出和传质强化，一定程度上能够提升流场中后段的产电性能。然而，渐缩流道在实际加工中并不容易，尤其对于长度较长或渐缩程度较大的流道，中后段的流道变得极其细密(流道数量不变但流道宽度降低)，需要极其精密的加工手段，有些甚至出现材料无法成型的情况。
有鉴于此特提出本发明。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种氢燃料电池的双极板及氢燃料电池。
本发明提出了一种氢燃料电池的双极板，所述双极板上设有渐缩流道结构，所述渐缩流道结构包括相对设置的第一边和第二边，所述第一边的长度大于所述第二边的长度，所述第一边和所述第二边之间形成有多条内凹的流道和多条外凸的脊背，所述脊背形成于相邻所述流道之间；所述流道的第一端和所述脊背的第一端位于所述第一边上，所述流道的第二端和所述脊背的第二端位于所述第二边上，反应气流在所述流道内由所述第一边向所述第二边的方向流通，所述流道和所述脊背的宽度由反应气流流通方向呈逐渐变小的趋势；
所述双极板上形成多个流场级，所述多个流场级沿反应气体流动方向上逐级布置，每个所述流场级中包括至少一个所述渐缩流道结构。
进一步可选地，所述渐缩流道结构中所述第一边和所述第二边呈相互平行的弧线，所述多条流道以相同的长度沿所述第一边或第二边的周向设置形成扇形流场。
进一步可选地，同一流场级中包括多个扇形流场，所述多个扇形流场围绕同一圆心布置，且该圆心距离每个所述扇形流场的第二边的距离相同。
进一步可选地，每个流场级中包括多个扇形流场，同一流场级中的所述多个扇形流场围绕同一圆心布置形成环形流场。
进一步可选地，相邻的所述流场级之间，其中一个所述流场级中的流道与另一个所述流场级中的脊背相对，其中一个所述流场级中的脊背与另一个所述流场级中的流道相对。
进一步可选地，相邻的所述流场级之间间隙设置形成过渡区域。
进一步可选地，同一流场级中的所述流道和所述脊背的渐缩率相同；
和/或，不同流场级中的所述流道和所述脊背的渐缩率相同。
进一步可选地，同一流场级中的所述流道和所述脊背的长度相同；
和/或，不同流场级中的所述流道和所述脊背的长度相同。
进一步可选地，所述所述双极板包括背向设置的正面和反面，所述双极板的正面和反面中的一个上形成阴极流场，所述双极板的正面和反面中的另一个上形成阳极流场，所述阴极流场和所述阳极流场上分别设有所述渐缩流道结构；
位于所述阴极流场中的所述渐缩流道结构中的脊背对应于所述阳极流场的所述渐缩流道结构中的流道，位于所述阴极流场中的所述渐缩流道结构中的流道对应于所述阳极渐缩流道结构中的的脊背。
本发明还提出了一种氢燃料电池，包括膜电极和多块层叠设置的上述任一项所述的双极板，所述膜电极位于相邻两块双极板之间，所述流道与所述膜电极之间形成反应气流通路，所述脊背与所述膜电极相接触。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明通过设置多个流场级，且多个流场级沿气体流动方向上逐级布置，这种方案能够做到在增大流场区域面积的同时避免采用过长的渐缩流道，整个流场所包含的流道特征基本一致，确保了在成型过程中材料形变特征的一致性。本发明的双极板利用了渐缩流道的优势的同时避免单级渐缩流道难以成型加工的情况.
2、本发明中包含渐缩流道结构的双极板具有实际应用的可能，开发了模块化的渐缩流道结构流场设计方法；采用渐缩流道结构的同时也使得反应活性面积逐渐减少，有效避免了流场中后段催化层反应气体“饥饿”的情况，同时还可避免水淹和腐蚀的发生。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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附图。在附图中：
图1：为本发明实施例的渐缩流道结构示意图。
图2：为本发明实施例的扇形流场结构示意图。
图3：为本发明实施例同一流场级中扇形流场布置图。
图4：为本发明实施例多个流场级中扇形流场布置图。
其中：1-第一边；2-第二边；3-流道；4-脊背；5-过渡区域。
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“接触”、“连通”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了解决现有燃料电池的双极板采用渐缩流道在实际加工中不容易实现，尤其对于对于长度较长或渐缩程度较大的流道，中后段的流道变得极其细密(流道数量不变但流道宽度降低)，需要极其精密的加工手段，有些甚至出现材料无法成型的情况，本实施例为了更好利用渐缩流道的优势，同时避免渐缩流道难以成型加工的情况，本实施例提出了一种氢燃料电池的双极板。
如图1-图4所示，双极板上设有渐缩流道结构，渐缩流道结构包括相对设置的第一边1和第二边2，第一边1的长度大于第二边2的长度，第一边1和第二边2之间形成有多条内凹的流道3和多条外凸的脊背4，脊背4形成于相邻流道3之间；流道3的第一端(即流道3入口)和脊背4的第一端位于第一边1上，流道3的第二端(流道3出口)和脊背4的第二端位于第二边2上，反应气流在流道3内由第一边1向第二边2的方向流通，流道3和脊背4的宽度由反应气流流通方向呈逐渐变小的趋势；双极板上形成多个流场级，多个流场级沿反应气体流动方向上逐级布置，每个流场级中包括至少一个渐缩流道结构。
本实施例公开的渐缩流道结构的设计充分考虑燃料电池流场中工质流动过程中反应气体浓度逐渐下降的特点，将流场中后段的反应活性面积适当减小，从而避免了流场中后段催化层反应气体“饥饿”以及由此引发的腐蚀和反极情况，同时渐缩的流道3起到加速反应气体流动的作用，强化了末端的排水，避免水淹的发生。若仅设置一个流场级，为了增加流场区域面积，不得不增加流道3长度或降低流道3渐缩率，这样带来了不利后果，在流道3进口区域流道3宽度过大，而在流道3出口区域流道3宽度过小，不利于加工成型。针对在流场中后段的流道3变得极其细密不易加工成型的情况，本实施例通过设置多个流场级，且多个流场级沿气体流动方向上逐级布置，这种方案能够做到在增大流场区域面积的同时避免采用过长的渐缩流道，整个流场所包含的流道3特征基本一致，确保了在成型过程中材料形变特征的一致性。
进一步可选地，如图2所示，渐缩流道结构中第一边1和第二边2呈相互平行的弧线，多条流道3以相同的长度沿第一边1或第二边2的周向设置形成扇形流场。第一边1为扇形的外弧线，第二边2为扇形的内弧线。渐缩流道结构在入口处的流道3宽度(包括脊背4宽度)均宽于出口，在实际设计中，为了保证流量能够在所有流道3中均匀分配，就要求所有流道3的流动阻力一致，因此应保证所有流道3的长度一致。这就需要渐缩流道结构的设计应按照如图2所示的方式分布于同心圆形区域上，即形成一个扇形流场，其中流道3的进口位置分布在外弧线，出口位置分布在内弧线，这样每条流道3的长度均为两个同心圆的半径差:R1-R2。
进一步的，为了保证反应气流在扇形流场中的均匀分配以及流速一致，每条流道3距离所述第一边1或所述第二边2相同距离处的宽度相同；和/或每条脊背4距离所述第一边1或所述第二边2相同距离处的宽度相同。
进一步可选地，同一流场级中包括多个扇形流场，多个扇形流场围绕同一圆心布置，且该圆心距离每个扇形流场的第二边2的距离相同。扇形流场中流道3的绝对渐缩率为两个同心圆的半径比，相对渐缩率为绝对渐缩率与流道3长度之比。显然，流道3长度越大，相对渐缩率越小。对于同一流场级，为了增加流场面积，可通过阵列的方式将多个扇形流场围绕一个圆心进行布置，如图3所示，可布置为更大的扇形区域或直至成为一个圆形区域。在实际设计过程中，还可将模块化的扇形区域轻微变形为梯形区域以便于加工。
进一步可选地，每个流场级中包括多个扇形流场，同一流场级中的多个扇形流场围绕同一圆心布置形成环形流场。在一个具体实施方式中，双极板上设有两个流场级，如图4所示，这两个流场级中的扇形流场为荣同一个圆心布置呈环形流场。位于内环的扇形流场与位于外环的扇形流场采用相近或相同的渐缩率，相邻流场级之间间隙设置形成了用于汇流和混合的过渡区域。这种方案能够做到在增大流场区域面积的同时避免采用过长的渐缩流道，整个流场所包含的流道3特征基本一致，确保了在成型过程中材料形变特征的一致性。除此之外，还可以按照相似的方式设计三级或更多级的流场级。
进一步可选地，相邻的流场级之间，其中一个流场级中的流道3与另一个流场级中的脊背4相对，其中一个流场级中的脊背4与另一个流场级中的流道3相对。
进一步可选地，为了便于成型加工，将同一流场级中的流道3和脊背4的渐缩率相同；和/或，不同流场级中的流道3和脊背4的渐缩率相同；同一流场级中的流道3和脊背4的长度相同；和/或，不同流场级中的流道3和脊背4的长度相同。
进一步可选地，双极板包括背向设置的正面和反面，双极板的正面和反面中的一个上形成阴极流场，双极板的正面和反面中的另一个上形成阳极流场，阴极流场和阳极流场上分别设有渐缩流道结构；
位于阴极流场中的渐缩流道结构中的脊背4对应于阳极流场的渐缩流道结构中的流道3，位于阴极流场中的渐缩流道结构中的流道3对应于阳极渐缩流道结构中的的脊背4。
本实施例还提出了一种氢燃料电池，包括膜电极和多块层叠设置的上述任一项的双极板，膜电极位于相邻两块双极板之间，流道3与膜电极之间形成反应气流通路，脊背4与膜电极相接触，反应气体通过流道3流动，在流动过程中向膜电极进行扩散并进行反应。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。
Claims (10)
1.一种氢燃料电池的双极板，其特征在于，所述双极板上设有渐缩流道结构，所述渐缩流道结构包括相对设置的第一边和第二边，所述第一边的长度大于所述第二边的长度，所述第一边和所述第二边之间形成有多条内凹的流道和多条外凸的脊背，所述脊背形成于相邻所述流道之间；所述流道的第一端和所述脊背的第一端位于所述第一边上，所述流道的第二端和所述脊背的第二端位于所述第二边上，反应气流在所述流道内由所述第一边向所述第二边的方向流通，所述流道和所述脊背的宽度由反应气流流通方向呈逐渐变小的趋势；
所述双极板上形成多个流场级，所述多个流场级沿反应气体流动方向上逐级布置，每个所述流场级中包括至少一个所述渐缩流道结构。
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池的双极板，其特征在于，所述渐缩流道结构中所述第一边和所述第二边呈相互平行的弧线，所述多条流道以相同的长度沿所述第一边或第二边的周向设置形成扇形流场。
3.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池的双极板，其特征在于，同一流场级中包括多个扇形流场，所述多个扇形流场围绕同一圆心布置，且该圆心距离每个所述扇形流场的第二边的距离相同。
4.根据权利要求3所述的一种氢燃料电池的双极板，其特征在于，每个流场级中包括多个扇形流场，同一流场级中的所述多个扇形流场围绕同一圆心布置形成环形流场。
5.根据权利要求4所述的一种氢燃料电池的双极板，其特征在于，相邻的所述流场级之间，其中一个所述流场级中的流道与另一个所述流场级中的脊背相对，其中一个所述流场级中的脊背与另一个所述流场级中的流道相对。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种氢燃料电池的双极板，其特征在于，相邻的所述流场级之间间隙设置形成过渡区域。
7.根据权利要求6所述的一种氢燃料电池的双极板，其特征在于，同一流场级中的所述流道和所述脊背的渐缩率相同；
和/或，不同流场级中的所述流道和所述脊背的渐缩率相同。
8.根据权利要求7所述的一种氢燃料电池的双极板，其特征在于，同一流场级中的所述流道和所述脊背的长度相同；
和/或，不同流场级中的所述流道和所述脊背的长度相同。
9.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池的双极板，其特征在于，所述所述双极板包括背向设置的正面和反面，所述双极板的正面和反面中的一个上形成阴极流场，所述双极板的正面和反面中的另一个上形成阳极流场，所述阴极流场和所述阳极流场上分别设有所述渐缩流道结构；
位于所述阴极流场中的所述渐缩流道结构中的脊背对应于所述阳极流场的所述渐缩流道结构中的流道，位于所述阴极流场中的所述渐缩流道结构中的流道对应于所述阳极流场中的所述渐缩流道结构中的的脊背。
10.一种氢燃料电池，其特征在于，包括膜电极和多块层叠设置的权利要求1-9任一项所述的双极板，所述膜电极位于相邻两块双极板之间，所述流道与所述膜电极之间形成反应气流通路，所述脊背与所述膜电极相接触。
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2021
- 2021-08-23 CN CN202110968557.4A patent/CN113707902A/zh active Pending
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