CN113903948A - 一种燃料电池的流场结构及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池的流场结构及燃料电池，涉及燃料电池技术领域。燃料电池的流场结构包括入口导流区、直流区和出口导流区，入口导流区包括入口流道，直流区包括多个直流流道，一个入口流道与多个直流流道连通，与一个入口流道连通的多个直流流道中，位于中间的直流流道的出口封闭。出口导流区包括出口流道，与一个入口流道连通的多个直流流道汇流至一个出口流道。本发明提供的燃料电池的流场结构，不仅能提高气体反应区面积利用率，而且能促进流道脊下液态水的排出，提高了传输物质的效率；而且相对于现有技术中流道脊采用波浪形和直线形交替分布的形式，本发明中的直流流道更易于加工，加工工艺更简单。

Description

一种燃料电池的流场结构及燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池的流场结构及燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种可以直接将氢气与氧气的化学能转换为电能的发电装置。质子交换膜燃料电池由双极板、膜电极、气体扩散层等部件组成。其中双极板是燃料电池的重要部件之一，双极板上的流场起着输送反应气体，同时排出电化学反应产生的液态水的作用。

对于传统的流场结构，流道脊下方由于封装载荷的作用，反应气体浓度小，且反应产生的液态水不能及时排出，严重影响燃料电池的传输物质性能。如图1所示，现有技术中，燃料电池的流道呈蛇形分布，在气体入口处，波浪形流脊1ˊ和直流脊2ˊ在流场中交替分布，直至气体出口；波浪形流脊1ˊ在转弯处平直设置。该燃料电池的流道能够促进波浪形流脊1ˊ两侧的脊下对流，增强气体在流场内的分布均匀性，同时波浪形流脊1ˊ使得流道内部压强循环波动，提高了流道的排水能力。但是采用蛇形结构的燃料电池流道，从入口到出口相较于直线形流道具有更长的流道长度，带来了较大的沿程压力损失。其次，流道脊部采用波浪形和直线形交替分布的形式，增大了整个流场的加工工艺难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池的流场结构及燃料电池，该燃料电池的流场结构不仅能够提高传输物质的效率，而且加工工艺简单。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种燃料电池的流场结构，包括：

入口导流区，包括入口流道；

直流区，包括多个直流流道，一个所述入口流道与多个所述直流流道连通，与一个所述入口流道连通的多个所述直流流道中，位于中间的所述直流流道的出口封闭；

出口导流区，包括出口流道，与一个所述入口流道连通的多个所述直流流道汇流至一个所述出口流道。

作为燃料电池的流场结构的一个可选方案，所述出口导流区还包括隔断流道，所述隔断流道设置于所述出口流道远离所述直流流道的一端，所述隔断流道沿竖直方向设置，所述出口流道与所述隔断流道靠近所述出口流道的一侧的下端连通，所述隔断流道远离所述出口流道的一侧的上端设置有出气口，下端设置有液态水出口。

作为燃料电池的流场结构的一个可选方案，所述出口流道与所述隔断流道连通的一端倾斜向下设置。

作为燃料电池的流场结构的一个可选方案，所述出口导流区还包括液态水导出流道，所述液态水导出流道设置于所述隔断流道远离所述出口流道的一侧，与所述隔断流道连通，且与所述出口流道相对设置。

作为燃料电池的流场结构的一个可选方案，所述出口导流区还包括气体导出流道，所述气体导出流道设置于所述隔断流道远离所述出口流道的一侧，与所述隔断流道连通，且所述气体导出流道的入口高于所述出口流道的出口设置。

作为燃料电池的流场结构的一个可选方案，所述气体导出流道包括第一气体导出流道和第二气体导出流道，所述第一气体导出流道的一端与所述隔断流道的顶端连通，另一端与所述出气口连通；所述第二气体导出流道设置于所述液态水导出流道的一侧，与所述出气口连通。

作为燃料电池的流场结构的一个可选方案，所述入口流道倾斜设置。

作为燃料电池的流场结构的一个可选方案，所述直流流道的深度自入口处至出口处逐渐减小，所述入口流道的深度与所述直流流道的入口处的深度相同，所述出口流道的深度与所述直流流道的出口处的深度相同。

作为燃料电池的流场结构的一个可选方案，所述隔断流道的深度大于所述出口流道的深度。

一种燃料电池，包括电池极板和如以上任一方案所述的燃料电池的流场结构，所述燃料电池的流场结构设置于所述电池极板上。

本发明的有益效果：

本发明提供的燃料电池的流场结构，反应气体通过一个入口流道进入多个直流流道，进行电化学反应，可优化气体分配，保证反应气体的分布均匀性。经电化学反应产生液态水和废气，多个直流流道的液体水和气体汇集到一个出口流道，可增大气体流速，有助于流道中液态水的排出。将多个直流流道中位于中间的直流流道的出口封闭，形成插指流道，采用直流流道与插指流道相间分布的结构，可增大插指流道与相邻的直流流道间的压力差，促进相邻流道间的气体流动，不仅提高气体反应区面积利用率，而且能促进流道脊下液态水的排出，提高了传输物质的效率；而且相对于现有技术中流道脊采用波浪形和直线形交替分布的形式，本发明中的直流流道更易于加工，加工工艺更简单。

本发明提供的燃料电池，将上述的燃料电池的流场结构布置在电池极板上，不仅提高了传输物质的效率，而且加工工艺更简单，提高了燃料电池的性能，降低了加工成本。

附图说明

图1是现有技术中燃料电池的结构示意图；

图2是本实施例提供的燃料电池的电池极板的结构示意图；

图3是本实施例提供的燃料电池的流场结构示意图；

图4是本实施例提供的出口导流区气液分离的结构示意图。

图中：

1ˊ、波浪形流脊；2ˊ、直流脊；

100、电池极板；

101、公共通道；

1、入口流道；2、直流流道；3、出口流道；4、隔断流道；5、出气口；6、液态水出口；7、液态水导出流道；8、气体导出流道；

21、插指流道；81、第一气体导出流道；82、第二气体导出流道。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而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，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一特征和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图2所示，本实施例提供了一种燃料电池，包括电池极板100和燃料电池的流场结构，燃料电池的流场结构设置于电池极板100上。在电池极板100的两侧均有反应物，其中一侧为燃料，另一侧为氧化剂，通过向电池极板100的流场结构的反应区输送反应气体，反应气体与反应物发生电化学反应产生电能、液态水和废气。电能储存于燃料电池中，液态水和废气经电池的流场结构排出。

本实施例提供的燃料电池，将燃料电池的流场结构布置在电池极板100上，不仅提高了传输物质的效率，而且加工工艺更简单，提高了燃料电池的性能，降低了加工成本。

如图3所示，本实施例还提供了一种燃料电池的流场结构，应用于上述的燃料电池。该燃料电池的流场结构包括入口导流区、直流区和出口导流区，入口导流区包括入口流道1，直流区包括多个直流流道2，一个入口流道1与多个直流流道2连通，与一个入口流道1连通的多个直流流道2中，位于中间的直流流道2的出口封闭。出口导流区包括出口流道3，与一个入口流道1连通的多个直流流道2汇流至一个出口流道3。

本实施例提供的燃料电池的流场结构，反应气体通过一个入口流道1进入多个直流流道2，进行电化学反应，可优化气体分配，保证反应气体的分布均匀性。经电化学反应产生液态水和废气，多个直流流道2的气体和液态水汇集到一个出口流道3，可增大气体流速，有助于流道中液态水的排出。将多个直流流道2中位于中间的直流流道2的出口封闭，形成插指流道21，采用直流流道2与插指流道21相间分布的结构，可增大插指流道21与相邻的直流流道2间的压力差，促进相邻流道间的气体和液态水流动，不仅提高气体反应区面积利用率，而且能促进流道脊下液态水的排出，提高了传输物质的效率；而且相对于现有技术中流道脊部采用波浪形和直线形交替分布的形式，本实施例中的直流流道2更易于加工，加工工艺更简单。

在本实施例中，入口导流区、直流区和出口导流区沿电池极板100的长度方向依次设置。在电池极板100的两端还设置有公共通道101，燃料电池的流场结构设置于两个公共通道101之间。反应气体经电池极板100其中一端的公共通道101进入入口导流区，在直流区反应完成后产生的液态水和废气经另一端的公共通道101排出。

电池极板100的长度为400mm，宽度为100mm，厚度为1mm，直流区布置四十八条直流流道2，四十八条直流流道2分为十六个子单元，每个子单元分配有三条直流流道2，每个直流流道2的宽度为1.1mm，流道脊的宽度为0.7mm。每个子单元对应一个入口流道1和一个出口流道3。因此，在电池极板100上设置有十六个入口流道1和十六个出口流道3。每个子单元中的反应气体由一个入口流道1分配至三个直流流道2中，在子单元中经过电化学反应产生的液态水和废气汇流至一个出口流道3。每个子单元的三个直流流道2中，位于中间的直流流道2的出口封闭，形成插指流道21。插指流道21的设置，增大了插指流道21与其他两个直流流道2之间的压力差，该压力差驱动气体和液态水穿过流道脊底部在相邻流道间流动，增强了流道脊底部的液态水的排出能力，增大了气体反应面积的利用率，提高了传输物质的效率。

可选地，入口流道1倾斜设置。倾斜设置的入口流道1，不仅能满足一个入口流道1同时为三个直流流道2分配气体；而且有助于反应气体向直流流道2扩散，减小气体的局部压力损失。

可选地，直流流道2的深度自入口处至出口处逐渐减小，入口流道1的深度与直流流道2的入口处的深度相同，出口流道3的深度与直流流道2的出口处的深度相同。在本实施例中，入口流道1的深度和直流流道2入口处的深度均为0.4mm，出口流道3的深度和直流流道2出口处的深度均为0.3mm。这样的设置有助于增大直流流道2的出口处的气体的摩尔浓度和压力，促进直流流道2的出口处的气体向扩散层扩散，提高燃料电池物质传输的均匀性和反应气体利用率。

可选地，出口导流区还包括隔断流道4，隔断流道4设置于出口流道3远离直流流道2的一端，隔断流道4沿竖直方向设置，出口流道3与隔断流道4靠近出口流道3的一侧的下端连通，隔断流道4远离出口流道3的一侧的上端设置有出气口5，下端设置有液态水出口6。出口流道3的出口处利用隔断流道4，采用分段式，相互错开的流道设计，使得出口流道3的液态水由于重力作用流入隔断流道4，并经隔断流道4下端的液态水出口6流出；而气体始终从隔断流道4的上端的出气口5排出，实现了液态水与气体的分离，解决了燃料电池在较低温度下工作时，从出口流道3排出的液态水结冰，出口流道3的气体被冰堵塞的问题，提高了燃料电池的冷启动性能。

可选地，隔断流道4的深度大于出口流道3的深度。在本实施例中，隔断流道4的宽度为5mm，深度为0.5mm。隔断流道4的深度大于出口流道3的深度，更有利于液态水的排出。

可选地，出口流道3与隔断流道4连通的一端倾斜向下设置。在本实施例中，出口流道3的具体形式根据出口流道3在电池极板100上的具体位置设计。布置于电池极板100上端的直流流道2的子单元对应的出口流道3，包括引流段和排出段，引流段用于将液态水和气体引流至隔断流道4的下端，排出段倾斜向下设置，有助于液态水的排出。布置于电池极板100下端的直流流道2对应的出口流道3只设置有排出段，排出段倾斜向下设置。布置于电池极板100最底端与液态水出口6相对设置的直流流道2则无需设置出口流道3，直接与隔断流道4连通即可。

如图4所示，可选地，出口导流区还包括液态水导出流道7，液态水导出流道7设置于隔断流道4远离出口流道3的一侧，与隔断流道4连通，且与出口流道3相对设置。在本实施例中，每个出口流道3对应设置一个液态水导出流道7，使得从每个出口流道3排出的液态水尽可能地从与其相对应的液态水导出流道7排出，避免都从隔断流道4下端的液态水出口6流出，从而避免燃料电池在较低温度下工作时，大量的液态水均在液态水出口6处结冰，从而导致液态水无法排出。

可选地，出口导流区还包括气体导出流道8，气体导出流道8设置于隔断流道4远离出口流道3的一侧，与隔断流道4连通，且气体导出流道8的入口高于出口流道3的出口设置。利用气体往上走，液态水受重力作用向下走的特性，在隔断流道4内实现液态水和气体的分离。

可选地，气体导出流道8包括第一气体导出流道81和第二气体导出流道82，第一气体导出流道81的一端与隔断流道4的顶端连通，另一端与出气口5连通；第二气体导出流道82设置于液态水导出流道7的一侧，与出气口5连通。由于反应气体经过电化学反应后的废气中包括氧气和氢气等气体，而不同气体的密度不同，将气体导出流道8设置为第一气体导出流道81和第二气体导出流道82，使得不同密度的气体进入不同的气体导出流道8中，最后都从出气口5排出。

需要说明的是，液态水导出流道7和气体导出流道8的深度与隔断流道4的深度相同，均为0.5mm。

本实施例提供的燃料电池工作过程为：

反应气体经电池极板100其中一端的公共通道101进入入口导流区，分配至不同的入口流道1中，每个入口流道1中的反应气体又被分配至三个直流流道2中，进行电化学反应，插指流道21和与其相邻的直流流道2产生压力差，促进了反应气体和产生的液态水的流动，提高了气体的反应区面积利用率，同时增强了流道脊下液态水的排出能力。反应完成后产生的液态水和废气进入与每个子单元对应的出口流道3，在隔断流道4中实现液态水和气体的分离，液态水在重力作用下从与每个出口流道3对应的液态水导出流道7或隔断流道4下端的液态水出口6排出，气体从隔断流道4的上端分别进入第一气体导出流道81和第二气体导出流道82经出气口5排出。排出的液态水和气体最后都通过电池极板100另一端的公共通道101排出。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种燃料电池的流场结构，其特征在于，包括：

入口导流区，包括入口流道(1)；

直流区，包括多个直流流道(2)，一个所述入口流道(1)与多个所述直流流道(2)连通，与一个所述入口流道(1)连通的多个所述直流流道(2)中，位于中间的所述直流流道(2)的出口封闭；

出口导流区，包括出口流道(3)，与一个所述入口流道(1)连通的多个所述直流流道(2)汇流至一个所述出口流道(3)。

2.根据权利要求1所述的燃料电池的流场结构，其特征在于，所述出口导流区还包括隔断流道(4)，所述隔断流道(4)设置于所述出口流道(3)远离所述直流流道(2)的一端，所述隔断流道(4)沿竖直方向设置，所述出口流道(3)与所述隔断流道(4)靠近所述出口流道(3)的一侧的下端连通，所述隔断流道(4)远离所述出口流道(3)的一侧的上端设置有出气口(5)，下端设置有液态水出口(6)。

3.根据权利要求2所述的燃料电池的流场结构，其特征在于，所述出口流道(3)与所述隔断流道(4)连通的一端倾斜向下设置。

4.根据权利要求3所述的燃料电池的流场结构，其特征在于，所述出口导流区还包括液态水导出流道(7)，所述液态水导出流道(7)设置于所述隔断流道(4)远离所述出口流道(3)的一侧，与所述隔断流道(4)连通，且与所述出口流道(3)相对设置。

5.根据权利要求4所述的燃料电池的流场结构，其特征在于，所述出口导流区还包括气体导出流道(8)，所述气体导出流道(8)设置于所述隔断流道(4)远离所述出口流道(3)的一侧，与所述隔断流道(4)连通，且所述气体导出流道(8)的入口高于所述出口流道(3)的出口设置。

6.根据权利要求5所述的燃料电池的流场结构，其特征在于，所述气体导出流道(8)包括第一气体导出流道(81)和第二气体导出流道(82)，所述第一气体导出流道(81)的一端与所述隔断流道(4)的顶端连通，另一端与所述出气口(5)连通；所述第二气体导出流道(82)设置于所述液态水导出流道(7)的一侧，与所述出气口(5)连通。

7.根据权利要求1所述的燃料电池的流场结构，其特征在于，所述入口流道(1)倾斜设置。

8.根据权利要求1所述的燃料电池的流场结构，其特征在于，所述直流流道(2)的深度自入口处至出口处逐渐减小，所述入口流道(1)的深度与所述直流流道(2)的入口处的深度相同，所述出口流道(3)的深度与所述直流流道(2)的出口处的深度相同。

9.根据权利要求2所述的燃料电池的流场结构，其特征在于，所述隔断流道(4)的深度大于所述出口流道(3)的深度。

10.一种燃料电池，其特征在于，包括电池极板(100)和如权利要求1-9任一项所述的燃料电池的流场结构，所述燃料电池的流场结构设置于所述电池极板(100)上。

Images