CN114678556B - 一种流场沟槽深部不均的双极板及燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体公开了一种流场沟槽深度不均的双极板及燃料电池，所述双极板包括固定连接在一起的阳极单极板和阴极单极板，阳极单极板包括平行交错排列且槽口方向相反的阳极流场沟槽和阳极冷却槽，阴极单极板包括平行交错排列且槽口方向相反的阴极流场沟槽和阴极冷却槽，阳极流场沟槽的槽底与阴极流场沟槽的槽底对应连接，阳极冷却槽的槽口与阴极冷却槽的槽口相对形成冷却剂通道，阳极流场沟槽包括多个深度不同且沿气体流场方向交替设置的阳极深槽部分和阳极浅槽部分，阴极流场沟槽均包括多个深度不同且沿气体流场方向交替设置的阴极深槽部分和阴极浅槽部分。本发明通过上述结构实现了电池堆反应气体的均匀分配。

Description

一种流场沟槽深部不均的双极板及燃料电池
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，尤其涉及一种流场沟槽深部不均的双极板及燃料电池。
背景技术
双极板是燃料电池的核心部件之一，其作用是为电池堆提供支撑，分隔反应气体，连接导电通道，排出燃料电池电化学反应生成的废热等。因此它通常由三个通道，即空气流场、氢气流场和冷却剂流场组成。一个燃料电池堆通常由几百片膜电极和双极板串联而成，反应气体通过公用管道再向各个单电池分配，为了保证气体在各个单电池分配均匀就要优化设计公用管道阻力与流场阻力，通常流场阻力要比公用管道阻力大一个数量级。为满足这一条件要么加大公用管道口径，要么优化流场沟槽的深度或缩小宽度。这两种方法在设计上都受加工的一定限制。另一方面气体在流道内流动向膜电极传递的扩散速度与气体的流动的雷诺数有关，提高雷诺数可以减薄气体传递的边界层厚度，提高传递速度，而增大湍动是提高雷诺数的有效途径。目前，现有技术中针对反应气体在各个单电池均匀分配的问题还没有比较有效的结构设计方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种流场沟槽深部不均的双极板及燃料电池，以解决上述技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种流场沟槽深部不均的双极板及燃料电池，包括固定连接在一起的阳极单极板和阴极单极板，所述阳极单极板包括平行交错排列且槽口方向相反的阳极流场沟槽和阳极冷却槽，所述阴极单极板包括平行交错排列且槽口方向相反的阴极流场沟槽和阴极冷却槽，所述阳极流场沟槽的槽底与所述阴极流场沟槽的槽底对应连接，所述阳极冷却槽的槽口与所述阴极冷却槽的槽口相对形成冷却剂通道，所述阳极流场沟槽包括多个深度不同且沿气体流场方向交替设置的阳极深槽部分和阳极浅槽部分，所述阴极流场沟槽均包括多个深度不同且沿气体流场方向交替设置的阴极深槽部分和阴极浅槽部分。
优选地，所述阳极深槽部分与所述阴极浅槽部分位置相对应，所述阳极浅槽部分与所述阴极深槽部分位置相对应，所述阳极流场沟槽与阴极流场沟槽各处的深度之和均一致。
优选地，所述阳极深槽部分的深度为0.3mm-0.35mm，所述阳极浅槽部分的深度为0.2mm-0.25，所述阴极深槽部分的深度为0.4mm-0.45mm，所述阴极浅槽部分的深度为0.3mm-0.35mm。
优选地，所述阴极流场沟槽在其气体进出口的分配段为阴极深槽部分。
优选地，所述阳极深槽部分和阳极浅槽部分各段的长度均相等。
或者，所述阳极深槽部分和阳极浅槽部分各段的长度不同。
优选地，所述阳极深槽部分和阳极浅槽部分的长度为10mm-50mm。
优选地，所述阳极流场沟槽和阴极流场沟槽均为梯形槽。
优选地，所述所述阳极流场沟槽和阴极流场沟槽的槽脊宽度为0.7mm-1mm。
本发明还提供了一种燃料电池，包括所述的流场沟槽深度不均的双极板。
本发明的流场沟槽深部不均的双极板及燃料电池流采用场沟槽深度不均一设计，气体能够在流场沟槽中流动形成湍动，增强了气体向膜电极内扩散深度，促进了液态水排除电池；通过改变流场沟槽深槽和浅槽部分的多少和比例，可以调节流场阻力，为双极板设计提供了一个新的调节变量，有利于优化电池堆各节气体分配的均一性；在空气进出口分配段采用深的流场沟槽，可以减小空气进入各节单电池的入口阻力，促进气体分配均匀。
附图说明
图1为本发明实施例的流场沟槽深度不均的双极板的剖面图；
图2为本发明实施例的阴极单极板的结构图；
图3为图2中A处的局部放大图。
图中，1：阳极单极板；11：阳极深槽部分；12：阳极浅槽部分；2：阴极单极板；21：阴极深槽部分；22：阴极浅槽部分；3：冷却剂通道。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以是两个元件内部的连通。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。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1-3所示，本实施例的流场沟槽深度不均的双极板包括：固定连接在一起的阳极单极板1和阴极单极板2，双极板为传统的金属双极板，固定连接方式可以为焊接或粘结，阳极单极板1包括平行交错排列且槽口方向相反的阳极流场沟槽和阳极冷却槽，阴极单极板2包括平行交错排列且槽口方向相反的阴极流场沟槽和阴极冷却槽，阳极流场沟槽的槽底与阴极流场沟槽的槽底对应连接，阳极冷却槽的槽口与阴极冷却槽的槽口相对形成冷却剂通道3，阳极流场沟槽包括多个深度不同且沿气体流场方向交替设置的阳极深槽部分11和阳极浅槽部分12，阴极流场沟槽均包括多个深度不同且沿气体流场方向交替设置的阴极深槽部分21和阴极浅槽部分22。
阳极深槽部分11与阴极浅槽部分22位置相对应，阳极浅槽部分12与阴极深槽部分21位置相对应，阳极流场沟槽与阴极流场沟槽各处的深度之和均一致。一个流场沟槽深的部分与另一个流场沟槽浅的部分相对应，即阴极流场沟槽(空气流场)深的部分的深度比浅的部分多出深度，与阳极流场沟槽(氢流场)浅的部分比深的部分浅出距离相同。这样保证了冷却剂流场中两片单极板是全接触，防止由于接触面积不够导致接触电阻增大。
阳极深槽部分的深度为0.3mm-0.35mm，阳极浅槽部分的深度为0.2mm-0.25，阴极深槽部分的深度为0.4mm-0.45mm，阴极浅槽部分的深度为0.3mm-0.35mm。阳极深槽部分和阳极浅槽部分的长度为10mm-50mm。阳极流场沟槽和阴极流场沟槽的槽脊宽度可以按传统规格设计为0.7mm-1mm。
阴极流场沟槽在其气体进出口的分配段为阴极深槽部分。阳极深槽部分和阳极浅槽部分各段的长度可以均相等。阳极深槽部分和阳极浅槽部分各段的长度也可以不同。阳极流场沟槽和阴极流场沟槽均为梯形槽。
本实施例的燃料电池为质子交换膜燃料电池，其电池堆包括多个所述的流场沟槽深度不均的双极板。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (9)

1.一种流场沟槽深度不均的双极板，其特征在于，包括固定连接在一起的阳极单极板和阴极单极板，所述阳极单极板包括平行交错排列且槽口方向相反的阳极流场沟槽和阳极冷却槽，所述阴极单极板包括平行交错排列且槽口方向相反的阴极流场沟槽和阴极冷却槽，所述阳极流场沟槽的槽底与所述阴极流场沟槽的槽底对应连接，所述阳极冷却槽的槽口与所述阴极冷却槽的槽口相对形成冷却剂通道，所述阳极流场沟槽包括多个深度不同且沿气体流场方向交替设置的阳极深槽部分和阳极浅槽部分，所述阴极流场沟槽均包括多个深度不同且沿气体流场方向交替设置的阴极深槽部分和阴极浅槽部分，所述阳极深槽部分与所述阴极浅槽部分位置相对应，所述阳极浅槽部分与所述阴极深槽部分位置相对应，所述阳极流场沟槽与阴极流场沟槽各处的深度之和均一致。
2.根据权利要求1所述的流场沟槽深度不均的双极板，其特征在于，所述阳极深槽部分的深度为0.3mm-0.35mm，所述阳极浅槽部分的深度为0.2mm-0.25mm ，所述阴极深槽部分的深度为0.4mm-0.45mm，所述阴极浅槽部分的深度为0.3mm-0.35mm。
3.根据权利要求1所述的流场沟槽深度不均的双极板，其特征在于，所述阴极流场沟槽在其气体进出口的分配段为阴极深槽部分。
4.根据权利要求1所述的流场沟槽深度不均的双极板，其特征在于，所述阳极深槽部分和阳极浅槽部分各段的长度均相等。
5.根据权利要求1所述的流场沟槽深度不均的双极板，其特征在于，所述阳极深槽部分和阳极浅槽部分各段的长度不同。
6.根据权利要求4或5所述的流场沟槽深度不均的双极板，其特征在于，所述阳极深槽部分和阳极浅槽部分的长度为10mm-50mm。
7.根据权利要求1所述的流场沟槽深度不均的双极板，其特征在于，所述阳极流场沟槽和阴极流场沟槽均为梯形槽。
8.根据权利要求7所述的流场沟槽深度不均的双极板，其特征在于，所述阳极流场沟槽和阴极流场沟槽的槽脊宽度为0.7mm-1mm。
9.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求1-8中任何一项所述的流场沟槽深度不均的双极板。
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