CN113823809A - 一种燃料电池双极板的流场结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种燃料电池双极板的流场结构，包括双极板本体，其由两块贴合在一起的极板，阳极板和阴极板组成，每块极板表面上设有“十”字型凸台阵列。阴极板“凸侧”的凸台与凸台之间的“网状交叉凹槽”为阴极流路；阳极板“凸侧”的凸台与凸台之间的交叉网状凹槽为阳极流路；阳极板和阴极板的“凹侧”错位贴合，“凹腔”阵列错位搭接形成的立体流道为冷却流路。本发明的“十”字型凸台阵列设计，使阴极和阳极流路上的所有流道连通，提升了流体分配均匀性；凸台与凸台之间的“网状交叉凹槽”发挥的强制对流作用，可强化燃料电池内部的传质效果，具有很高的换热效率，有效提升燃料电池的可靠性能和耐久性能。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体为一种燃料电池双极板的流场结构。
背景技术
燃料电池被认为是最有潜力的清洁能源发电装置，由于零排放、功率密度高、电效率高、噪音低等优点，非常适合作为电动汽车、无人飞行器、水下潜器、信号基站等的动力源。
流场的传质、传热、排水能力是影响燃料电池可靠性、耐久性、输出效率的主要因素。一般的，可通改进材料、流场设计、操作条件等措施来提升燃料电池的传质、传热、排水能力，其中改进流场设计是最为通用普遍的方式。
现有的燃料电池技术中，双极板冷却侧流场构型分为平行流场、蛇形流场、混合流场、点状流场以及仿生流场等等。以上几种流场构型存在基本特点是：流道多采用小横截面，长流程的微通道结构；且顺着流道方向，其流道的横截面积的形状和面积不发生变化；受脊的阻隔，流道与流道之间是不连通的，流态通常是层流。
就现有燃料电池传质性能而言，以质子膜燃料电池为例，对于阴极和阳极流路，气体的传输主要依靠扩散。当气体作层流运动时，气体向MEA的传递就相对比较弱，传质能力不强。
就现有燃料电池传热性能而言，以质子膜燃料电池为例，对于冷却流路，因为冷却剂的流动通常是以层流状态流动的，冷却剂与双极板之间的换热为层流换热，换热效率低；此外，由于每根流道相对封闭，流量分配一致性差，容易造成温度分布不均和局部过热，继而影响燃料电池的可靠性和耐久性。
就现有燃料电池排水性能而言，以质子膜燃料电池为例，对于阴极流路，尤其在高电流密度工况条件下，燃料电池阴极液态水的生成量显著增加，易出现水淹故障。水淹会使得气体反应物到达反应位点的传输受阻，氧化剂气体供应严重不足，导致燃料电池输出电压波动剧增，性能稳定性下降，甚至缩短剩余寿命。一般提升温度场均匀性和降低温度极差的方式是增加冷却溶液流量，但从理论上讲在层流条件下由于热边界层的存在，简单地采用提高流速的方法不仅不能有效地传热的，还必然导致辅助功耗成倍增加。
当前通用的流场在传质、传热、排水能力的提升方面存在一定的局限性，因此很有必要开发新型的燃料电池双极板结构。
发明内容
针对以上现有技术的缺点以及不足，本发明提供一种燃料电池双极板的流场结构，具有更优异的传质、传热能力和排水效果。本发明极板结构特征简单，易于加工成型，非常适合规模化生产制造。
本发明采用如下技术方案：一种燃料电池双极板的流场结构，包括双极板本体，双极板本体由阴极板和阳极板构成，阴极板和阳极板表面设有“十”字型凸台阵列；
优选的，所述“十”字凸台有A、B、C、D四个棱角，其中棱角A和B几何特征相同，棱角C和D几何特征相同，可通过改变凸台棱角的几何特征来优化流场的传质、传热、排水特性。优选的，所述“十”字凸台的纵向半长a、横向半长b、凸台的高度值h可随极板的力学特性进行调整，凸台顶面边缘设置圆角，可以避免对燃料电池膜电极的物理损伤。优选的，“十”字凸台阵列布置方式具体为，叉排布置的形式组成阵列，其疏密程度可通过改变行间距、列间距值进行调整；行间距和列间距的取值大小随极板力学、电学特性以及燃料电池的热管理需求进行设定。
优选的，阴极板上叉排布置“十”字型凸台阵列，在其“凸侧”面，“十”字凸台阵列采用叉排布置的形式，使凸台与凸台之间形成网状交叉“凹槽”，称之为阴极流路，通氧化剂气体；所述的一种燃料电池双极板的流场结构，可使燃料电池内部阴极流路上的所有流道连通，提升了流体分配均匀性，流体在流动过程中，不断进行“分流-合流-分流-合流”的强制对流流动。在质子膜燃料电池中，膜电极会覆盖在凸台顶面，形成空气的流动通道，强制对流流动能够促使消耗层气体与富集层气体的混合，可促进空气和反应生成的液态水的混合，一方面起到强化传质的效果；另一方面能够促进脊下和扩散层中生成水的排出，可有效避免和缓解水淹故障的发生。
优选的，阳极板上同样叉排布置“十”字型凸台阵列，在其“凸侧”面，凸台与凸台之间形成网状交叉“凹槽”，称之为第二流路，通燃料气体。例如，在质子膜燃料电池中，膜电极会覆盖在凸台顶面，形成的氢气的流动通道。所述的一种燃料电池双极板的流场结构，可使燃料电池内部阳极流路上的所有流道连通，提升了流体分配均匀性，流体在流动过程中，不断进行“分流-合流-分流-合流”的强制对流流动，能够促使消耗层气体与富集层气体的混合，起到强化传质的效果。
优选的，将阴极板和阳极板的“凹侧”错位贴合，“凹腔”阵列错位搭接形成的立体流道为冷却流路，通冷却介质。所述的一种燃料电池双极板的流场结构，能够有效诱导冷却流路中微涡的产生，可强化换热，具有很高的换热效率。若极板制作基材是金属，则在阳极板和阴极板的“凹侧”的贴合面位置，通过焊点焊接在一起，这样能减小极板间的接触电阻，提高导电性能的同时，提高双极板的结构强度。
优选的，分别布置在阳极板和阴极板上的凸台的形状规格、参数可以相同，也可不同。
优选的，所述双极板基材的制作材料是金属时，可以是不锈钢、钛合金、铝合金等，可采用冲压、辊压、蚀刻成型工艺制造。
优选的，所述双极板基材的制作材料是石墨时，可采用机雕加工成型工艺制造。
优选的，所述双极板基材的制作材料是石墨复合树脂材料时，可采用模压、辊压成型工艺制造。
如上所述，本发明具有以下有益效果：
1、具有良好的强制对流和排水功能，强化燃料电池内部阴极、阳极的传质效果的同时，能够促进脊下和扩散层中生成水的排出，可有效避免和缓解水淹故障的发生，可提升燃料电池的可靠性和耐久性。
2、在冷却流路，能够有效诱导二次涡流的产生，加剧主流区和近壁面区的热量对流置换，使传热强化，从而提升换热效率；同时，冷却剂具有较好的分配一致性，利于降低温度场值极差、提高流场板温度分布均匀性。
3、极板结构特征简单化、薄板化，且能很好地平衡在极板设计中存在的，“阴极流路-阳极流路-冷却流路”三路之间的干涉问题，使每路物理功能最优发挥。该结构易于加工成型，适合批量化制造，成本优势明显，可大幅度提高燃料电池的比功率密度。
附图说明
图1为双极板本体结构图；
图2(a)-(b)为凸台样式一结构图；
图3(a)-(b)为凸台样式二结构图；
图4为图1“A-A”剖面示意图；
图5为阳极板“凹侧”示意图；
图6为阴极流路腔体示意图；
图7为冷却流路腔体示意图；
图8为阳极流路腔体示意图；
图中:1.双极板本体；2.阴极板；3.阳极板；4.凸台；5.凹槽；6.凸台顶面；7.圆角；8.贴合面；9.焊点；10.凹腔；11.凹槽平面；12.凸台侧面。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明做出详细说明，应当了解，实施例只用于说明本发明，而不是用于对本发明进行限定，任何在本发明基础上所做的修改、等同替换等均在本发明的保护范围内。
如图1所示，一种燃料电池双极板的流场结构，包括双极板本体1，双极板本体1由阴极板2和阳极板3构成，阴极板2和阳极板3表面设有“十”字型凸台4阵列；阴极板2的“凸侧”，凸台与凸台之间的网状交叉形成的凹槽5为阴极流路，通氧化剂气体，如图6所示；阳极板3的“凸侧”，凸台与凸台之间的网状交叉形成的凹槽5为阳极流路，通燃料气体，如图8所示；阴极板2和阳极板3的“凹侧”的“凹台”阵列错位贴合形成的区域为冷却流路，通冷却介质，如图4和图7所示。
实施例1
本实施例的凸台形状规格及阵列布置如图2所示，“十”字凸台4的纵向半长a、横向半长b、凸台的高度值h可随极板的力学特性进行调整，凸台顶面6边缘和底边设置圆角7，纵向半长a与横向半长b的比值a/b可取0.2-5，凸台5的高度值h其值可取0.1-3mm；阵列布置方式具体为叉排布置的形式组成阵列，其疏密程度可通过改变行间距、列间距值进行调整；行间距和列间距的取值大小随极板力学、电学特性以及燃料电池的热管理需求进行设定。
阴极板2在其“凸侧”面，“十”字凸台4阵列采用叉排布置的形式，使凸台与凸台之间形成网状交叉凹槽5，称之为阴极流路；在氢氧燃料电池中，膜电极会覆盖在凸台顶面6，形成空气的流动通道，空气和反应生成的液态水混合在一起流动，如图6所示。
阳极板3同样叉排布置“十”字型凸台阵列，在其“凸侧”面，凸台与凸台之间形成网状交叉“凹槽”，称之为第二流路。例如，在氢氧燃料电池中，膜电极会覆盖在凸台顶面，形成的氢气的流动通道，如图8所示。
将阴极板和阳极板的“凹侧”的“凹腔”错位搭接贴合，形成冷却流路。若极板制作基材是金属，则在阳极板和阴极板的“凹侧”的贴合面8通过焊点9焊接在一起焊接在一起，这样能减小极板间的接触电阻，提高导电性能的同时，提高双极板的结构强度，如图5所示。
需要说明的是，布置在燃料电池阳极板和阴极板上的凸台的形状规格、参数可以相同，也可不同；燃料电池阴极流路和阳极流路的流体流向可以是逆流或并流，优选的，冷却流路的流体流向为交叉流动。
实施例2
本实施例的凸台形状规格及阵列布置如图3所示，与实施例1相比，本实施例通过调整凸台的A、B、C、D四个棱角的几何特征，具体体现在凸台样式二的A、B、C、D四个棱角较“钝”，凸台样式一的A、B、C、D四个棱角较“尖”，可降低冷却流路的流动阻力和增强冷却流路的换热能力。凸台顶面6边缘设置圆角7，凸台侧面和凹槽平面的相接处设置圆角7，纵向半长a与横向半长b的比值a/b为0.2-5mm，凸台5的高度值h其值为0.1-3mm，其余与实施例1相同。
实施例3
本实施例中双极板基材的制作材料为金属时，例如不锈钢、钛合金、铝合金等，可采用冲压、辊压、蚀刻工艺制造。
实施例4
本实施例中所述双极板基材的制作材料是石墨时，可采用机械加工成型工艺制造。
实施例5
本实施例中所述双极板基材的制作材料是石墨复合树脂材料时，可采用模压、辊压成型工艺制造。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (8)
1.一种燃料电池双极板的流场结构，其特征在于，包括双极板本体，所述双极板本体由阴极板和阳极板构成，阴极板和阳极板表面设有“十”字型凸台阵列；阴极板的“凸侧”，凸台与凸台之间的网状交叉“凹槽”为阴极流路，通氧化剂气体；阳极板的“凸侧”，凸台与凸台之间的网状交叉“凹槽”为阳极流路，通燃料气体；阴极板和阳极板的“凹侧”错位贴合，“凹腔”阵列错位搭接形成的区域为冷却流路，通冷却介质。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板的流场结构，其特征在于，所述的“十”字型凸台具有四个棱角，剖面形状为“十”字型，凸台的纵向半长a和横向半长b的比值a/b为0.2-5，凸台的高度值h为0.1-3mm。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板的流场结构，其特征在于，“十”字型凸台以叉排布置的形式组成阵列，其疏密程度通过改变行间距、列间距值进行调整；行间距和列间距的取值大小随极板力学、电学特性以及燃料电池的热管理需求进行设定。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板的流场结构，其特征在于，凸台顶面边缘、凸台侧面和凹槽平面的相接处设置圆角。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板的流场结构，其特征在于，阳极板和阴极板的“凹侧”的贴合面通过焊点连接在一起。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板的流场结构，其特征在于，所述双极板本体基材制作材料包含不锈钢、钛合金、铝合金、石墨、复合石墨树脂材料中的任意一种。
7.一种使用具有离子交换能力的聚合物作为电解质的燃料电池，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的双极板的流场结构。
8.根据权利要求7所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括直接甲酸燃料电池、微生物燃料电池、可再生燃料电池、直接甲醇燃料电池、重整甲醇燃料电池、直接乙醇燃料电池、氨燃料电池、和质子膜燃料电池。
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2021
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