CN114709440B - 一种质子交换膜燃料电池流场板 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池流场板 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池流场板，包括：至少一个流场板组件，流场板组件包括开设有至少一个蛇形流道的流场板本体，蛇形流道包括两个第一流道、第二流道及第三流道，两个第一流道沿蛇形流道的流向设置，并具有第一入口端和第一出口端，第二流道沿蛇形流道的流向方向设置，并具有第二入口端和第二出口端，且第二入口端与两个第一出口端均相连通，第三流道沿蛇形流道的流向设置，并具有第三入口端和第三出口端，且第三入口与第二出口相连通，用于引导反应物沿两个第一流道流入蛇形流道，并经第三流道流出蛇形流道，以使得反应物在蛇形流道内发生反应。本发明能实现在压力增加不多的情况下用过优化路径来提高反应气体利用率。

Description

一种质子交换膜燃料电池流场板
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池流场板。
背景技术
双极板为燃料电池的重要部件之一，主要功能是为反应区域中各个区域分配提供良好的工质压力浓度，从而使得燃料电池能够充分利用反应物达到良好的发电状况。
经典燃料电池双极板使用流场主要为蛇形流场、平行流场，例如申请号为：CN201711146218.8的中国发明专利，名称为：一种用于质子交换膜燃料电池的流场板结构，包括流场板本体，在流场板本体的正面开设有总体呈蛇形排布的流道场，在流道场的起始端设有流道进气孔；流道场包括多条平行排布且依次相连的单流道，相邻两个单流道之间为流道肩，流道肩上开设有排水槽；在排水槽的底部布置有出水孔，出水孔与开设而在流场板本体背面的集水槽连通，集水槽与开设在流场板本体的流道排气孔连通。本发明的有益效果为：流道肩上开有排水槽，产物水通过生成位置附近的排水槽和出水孔迅速排出燃料电池；同时，运送反应气体到燃料电池各部分和排水分离开来，避免了流道内气体随着流道水含量越来越多的情况发生，降低了阻塞的风险，同时也使得流道内湿度更均衡，更利于排水。但该装置中由于流场的流道路径长，为了保证气体的利用率，在使用中需要先将反应物加高压以使得其沿蛇形流道的入口流入和经蛇形流道的出口流出，这样必然导致流场存在较大的压差的问题。
因此，亟需一种质子交换膜燃料电池流场板，用于解决现有技术中在不影响流场板的排水性能的前提下，避免因蛇形流道的路径长导致流场存在较大的压差的问题。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种质子交换膜燃料电池流场板，解决现有技术中在不影响流场板的排水性能的前提下，避免因蛇形流道的路径长导致流场存在较大的压差的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种质子交换膜燃料电池流场板，包括：
至少一个流场板组件，所述流场板组件包括流场板本体，所述流场板本体开设有至少一个蛇形流道，所述蛇形流道开设有四个直角弯折，所述蛇形流道包括两个第一流道、第二流道及第三流道，两个所述第一流道沿所述蛇形流道的流向设置，并具有第一入口端和第一出口端，所述第二流道沿所述蛇形流道的流向方向设置，并具有第二入口端和第二出口端，且所述第二入口端与两个第一出口端均相连通，所述第三流道沿所述蛇形流道的流向设置，并具有第三入口端和第三出口端，且所述第三入口端与所述第二出口端相连通，用于引导反应物沿两个所述第一流道流入所述蛇形流道，并经所述第三流道流出所述蛇形流道，以使得反应物在所述蛇形流道内发生反应；
所述流场板组件还包括第一隔板、至少一个第二隔板、至少一个第三隔板、第一封板及第二封板，所述第一隔板沿所述蛇形流道的导向设置，并连接于所述蛇形流道的内壁，且所述第一隔板将所述蛇形流道分隔为彼此相互连通且大小相等的第一空腔和第二空腔，所述第二隔板与所述第一隔板相互平行且间隔设置，并连接于所述第一空腔的内壁，且至少一个所述第二隔板将所述第一空腔分隔为至少两个相互连通且大小相等的第一流道，所述第三隔板与所述第一隔板相互平行且间隔设置，并连接于所述第二空腔的内壁，且所述第三隔板将所述第二空腔分隔为至少两个相互连通且大小相等的第二流道和第三流道，所述第一封板内置于所述蛇形流道，并连接于所述蛇形流道的内壁和所述第二隔板，所述第一封板、第二隔板及蛇形流道的内壁合围形成用于连通所述第二流道的入口端和两个所述第一流道出口端的第一连通腔，所述第二封板内置于所述蛇形流道，并连接于所述蛇形流道的内壁和一所述第一隔板，所述第二封板、第一隔板及蛇形流道的内壁合围形成用于连通所述第二流道的出口端和所述第三流道入口端的第二连通腔。
进一步的，所述第一流道、第二流道及第三流道的横截面积大小均相等。
进一步的，两个所述第一流道相互平行且相邻设置，且所述第二流道与一所述第一流道相互平行且相邻设置，所述第三流道与第二流道相互平行且相邻设置。
进一步的，所述第一流道、第二流道及第三流道的横截面均呈方形。
进一步的，所述流场板本体上所述蛇形流道的数量为四个，四个所述蛇形流道相互平行且嵌套设置。
进一步的，所述流场板本体的反应面积为5CM×5CM。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：蛇形流道包括相互平行的两个第一流道、第二流道及第三流道，其中两个第一入口端分别作为蛇形流道的入口，第三出口端为蛇形流道的出口，这样将分流的两个第一流道通过第二流道，实现分流的合并和流道的折返，最后从再沿第三流道流出，分流进气后气体因反应消耗降低的浓度与压力将经过流道合并后提升，能够有效控制因流道路径长所带来的进气压力的增加的问题，同时通过第二流道的折返，解决了流动路径短且流道后半部分气体压力小的缺点，从而改善肋下氧死区容易积水的问题，这样避免了气体通入流道前的加高压，能够利用较小的压降使得反应气体能够更加充分地分布于流场板的反应区域内，相比单流道蛇形流场本发明的路径短；多流道蛇形流场压差很小但是性能比较差，且相比多通道蛇型流场本发明的单组流道的流动路径大，即本发明在压力增加不多的情况下用过优化路径来提高反应气体利用率，从而提高性能。
附图说明
图1是本发明实施例所提供的一种质子交换膜燃料电池流场板的结构示意图；
图2是本发明实施例所提供的蛇形流道的结构示意图；
图3是本发明实施例所提供的蛇形流道的入口处的结构示意图；
图4是本发明实施例所提供的蛇形流道的入口处气体流向的结构示意图；
图5是本发明实施例所提供的蛇形流道的出口处的结构示意图
图6是本发明实施例所提供的蛇形流道的出口处气体流向的结构示意图；
图7是本发明实施例所提供的一种质子交换膜燃料电池流场板的电流密度分布云图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
请参阅图1至图6，本发明提供了一种质子交换膜燃料电池流场板，包括：至少一个流场板组件1，流场板组件1包括流场板本体11，流场板本体11开设有至少一个蛇形流道12，蛇形流道12包括两个第一流道121、第二流道122及第三流道123，两个第一流道121沿蛇形流道12的流向设置，并具有第一入口端1211和第一出口端1212，第二流道122沿蛇形流道12的流向方向设置，并具有第二入口端1221和第二出口端1222，且第二入口端1221与两个第一出口端1212均相连通，第三流道123沿蛇形流道12的流向设置，并具有第三入口端1231和第三出口端1232，且第三入口端1231与第二出口端1222相连通，用于引导反应物沿两个第一流道121流入蛇形流道12，并经第三流道123流出蛇形流道12，以使得反应物在蛇形流道12内发生反应。
可以理解，蛇形流道12包括相互平行的两个第一流道121、第二流道122及第三流道123，其中两个第一入口端1211分别作为蛇形流道12的入口，第三出口端1232为蛇形流道12的出口，这样将分流的两个第一流道121通过第二流道122，实现分流的合并和流道的折返，最后从再沿第三流道123流出，分流进气后气体因反应消耗降低的浓度与压力将经过流道合并后提升，能够有效控制因流道路径长所带来的进气压力的增加的问题，同时通过第二流道122的折返，解决了流动路径短且流道后半部分气体压力小的缺点，从而改善肋下氧死区容易积水的问题，这样避免了气体通入流道前的加高压，能够利用较小的压降使得反应气体能够更加充分地分布于流场板的反应区域内。
其中作为一种实施方式，所述第一流道121、第二流道122及第三流道123的横截面积大小均相等。
可以理解，反应物气体进入蛇形流道12后会正常损失，为使得蛇形流道12的进口处和出口处的压力差最小，第一流道121、第二流道122及第三流道123的横截面积均相等。
作为一种实施方式，如图1至图6所示，两个所述第一流道121相互平行且相邻设置，且所述第二流道122与一所述第一流道121相互平行且相邻设置，所述第三流道123与第二流道122相互平行且相邻设置。
可以理解，两个第一流道121、第二流道122及第三流道123相互平行且依次相邻设置，用于使得第一流道121、第二流道122及第三流道123在有限的反应区域内最大效率低分布，提高流场板的利用率，使其具有更优的电流密度分布，从而提高燃料电池的发电效率。
进一步地，如图1、图2所示，本发明中所述流场板上所述蛇形流道12的数量为四个，四个所述蛇形流道12相互平行且嵌套设置。
可以理解，四组蛇形流道12并排设置，并相互嵌套，用于提高流场板的利用率，使其具有更优的电流密度分布，从而提高燃料电池的发电效率。
作为一种实施方式，如图1、图2及图7所示，所述蛇形流道12中直角弯折的数量为四个，四个直角弯折沿蛇形流道12的流向依次分布，用于提高流场板的利用率，使其具有更优的电流密度分布，从而提高燃料电池的发电效率。
如图1、图2及图7所示，所述第一流道121、第二流道122及第三流道123的横截面均呈方形，用于提高流场板的利用率，使其具有更优的电流密度分布，从而提高燃料电池的发电效率。
进一步地，第一流道121、第二流道122及第三流道123的流道槽的内角，在具体的铣槽加工中也可以为圆角等，此处不作过多阐述。
如图3及图5所示，流场板组件1还包括第一隔板13、至少一个第二隔板14、至少一个第三隔板15、第一封板16及第二封板17。
其中，所述流场板组件1还包括第一隔板13、至少一个第二隔板14及至少一个第三隔板15，所述第一隔板13沿所述蛇形流道12的导向设置，并连接于所述蛇形流道12的内壁，且所述第一隔板13将所述蛇形流场分隔为彼此相互连通且大小相等的第一空腔和第二空腔，所述第二隔板14与所述第一隔板13相互平行且间隔设置，并连接于所述第一空腔的内壁，且至少一个所述第二隔板14将所述第一空腔分隔为至少两个相互连通且大小相等的第一流道121，所述第三隔板15与所述第一隔板13相互平行且间隔设置，并连接于所述第二空腔的内壁，且所述第三隔板15将所述第二空腔分隔为至少两个相互连通且大小相等的第二流道122和第三流道123。
可以理解，通过第一隔板13、至少一个第二隔板14及至少一个第三隔板15，将蛇形流道12分隔成四个大小相等且相邻设置的第一流道121、第二流道122及第三流道123。
其中作为一种实施方式，所述流场板组件1还包括第一封板16，所述第一封板16内置于所述蛇形流道12，并连接于所述蛇形流道12的内壁和所述第二隔板14，所述第一封板16、第二隔板14及蛇形流道12的内壁合围形成用于连通所述第二流道122的入口端和两个所述第一流道121出口端的第一连通腔，用于实现两个第一流道121与第二流道122的相连通，从而实现两个第一流道121的合并。
其中作为一种实施方式，所述流场板组件1还包括第二封板17，所述第二封板17内置于所述蛇形流道12，并连接于所述蛇形流道12的内壁和一所述第一隔板13，所述第二封板17、第一隔板13及蛇形流道12的内壁合围形成用于连通所述第二流道122的出口端和所述第三流道123入口端的第二连通腔，用于实现第二流道122和第三流道123的连通和气体的弯折回流，以使得在有限的反应区域内增加流道的路径。
具体的，所述流场板本体11的反应面积为5CM×5CM。
可以理解，通过设置四个直角弯折和四组蛇形流道12，使得本发明中流场板的反应面积为5CM×5CM，其中第一流道121、第二流道122及第三流道123的横截面积分别为0.55MM×0.5MM，第一隔板13、第二隔板14及第三隔板15的横截面积为0.5MM×0.5MM。
进一步地，为了最大的流场板的利用率，靠近流场板最边缘的一个蛇形流道12的第三流道123的横截面积因自适应反应区域面积而适当增加，使得其均大于其余第一流道121、第二流道122及第三流道123的横截面积，此处不作过多阐述。
进一步地，分流后的反应物经第一流道121进气再合流流动，改善了传统多流道蛇型流场中流动路径短且流道后半部分气体压力小的缺点，并且分多组合流能够有效控制因过多流道合并流道所带来的进气压力的增加。分流进气后，气体因反应消耗降低的浓度与压力将经过流道合并后提升，增加了流场的内气流的流动复杂性、气体浓度、压力与滞留时间，从而增强大组内气体的利用率。
进一步地，每一组内两流道合并后回转至入口再回转至出口的路径设计，会使得相对浓度和压力较高的合并前流道与合并后相对浓度与压力较低的流道相邻，这将增加相邻流道内气体的肋下传输，这将改善并行流动所带来的由于相邻流道内压力同步下降所造成的肋下氧死区的问题，从而进一步提高气体的利用率。
本设计流场在加工制造方面相比传统多蛇形流场几乎不需要做任何改进，仅改变了流动的规划路径。经过多物理场仿真验证，改进后流场相比十流道蛇形并行流场性能提升约4％，并且具有更均匀的温度与浓度。
本发明的具体工作流程，蛇形流道12包括相互平行的两个第一流道121、第二流道122及第三流道123，其中两个第一入口端1211分别作为蛇形流道12的入口，第三出口端1232为蛇形流道12的出口，这样将分流的两个第一流道121通过第二流道122，实现分流的合并和流道的折返，最后从再沿第三流道123流出，分流进气后气体因反应消耗降低的浓度与压力将经过流道合并后提升，能够有效控制因流道路径长所带来的进气压力的增加的问题，同时通过第二流道122的折返，解决了流动路径短且流道后半部分气体压力小的缺点，从而改善肋下氧死区容易积水的问题，这样避免了气体通入流道前的加高压，能够利用较小的压降使得反应气体能够更加充分地分布于流场板的反应区域内，能用于解决现有技术中在不影响流场板的排水性能的前提下，避免因蛇形流道12的路径长导致流场存在较大的压差的技术问题。
进一步地，本发明相比单流道蛇形流场本发明的路径短；多流道蛇形流场压差很小但是性能比较差，且相比多通道蛇型流场本发明的单组流道的流动路径大，即本发明在压力增加不多的情况下用过优化路径来提高反应气体利用率，从而提高性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种质子交换膜燃料电池流场板，其特征在于，包括：
至少一个流场板组件，所述流场板组件包括流场板本体，所述流场板本体开设有至少一个蛇形流道，所述蛇形流道开设有四个直角弯折，所述蛇形流道包括两个第一流道、第二流道及第三流道，两个所述第一流道沿所述蛇形流道的流向设置，并具有第一入口端和第一出口端，所述第二流道沿所述蛇形流道的流向方向设置，并具有第二入口端和第二出口端，且所述第二入口端与两个第一出口端均相连通，所述第三流道沿所述蛇形流道的流向设置，并具有第三入口端和第三出口端，且所述第三入口端与所述第二出口端相连通，用于引导反应物沿两个所述第一流道流入所述蛇形流道，并经所述第三流道流出所述蛇形流道，以使得反应物在所述蛇形流道内发生反应；
所述流场板组件还包括第一隔板、至少一个第二隔板、至少一个第三隔板、第一封板及第二封板，所述第一隔板沿所述蛇形流道的导向设置，并连接于所述蛇形流道的内壁，且所述第一隔板将所述蛇形流道分隔为彼此相互连通且大小相等的第一空腔和第二空腔，所述第二隔板与所述第一隔板相互平行且间隔设置，并连接于所述第一空腔的内壁，且至少一个所述第二隔板将所述第一空腔分隔为至少两个相互连通且大小相等的第一流道，所述第三隔板与所述第一隔板相互平行且间隔设置，并连接于所述第二空腔的内壁，且所述第三隔板将所述第二空腔分隔为至少两个相互连通且大小相等的第二流道和第三流道，所述第一封板内置于所述蛇形流道，并连接于所述蛇形流道的内壁和所述第二隔板，所述第一封板、第二隔板及蛇形流道的内壁合围形成用于连通所述第二流道的入口端和两个所述第一流道出口端的第一连通腔，所述第二封板内置于所述蛇形流道，并连接于所述蛇形流道的内壁和一所述第一隔板，所述第二封板、第一隔板及蛇形流道的内壁合围形成用于连通所述第二流道的出口端和所述第三流道入口端的第二连通腔。
2.根据权利要求1所述质子交换膜燃料电池流场板，其特征在于，所述第一流道、第二流道及第三流道的横截面积大小均相等。
3.根据权利要求1所述质子交换膜燃料电池流场板，其特征在于，两个所述第一流道相互平行且相邻设置，且所述第二流道与一所述第一流道相互平行且相邻设置，所述第三流道与第二流道相互平行且相邻设置。
4.根据权利要求1所述质子交换膜燃料电池流场板，其特征在于，所述第一流道、第二流道及第三流道的横截面均呈方形。
5.根据权利要求1所述质子交换膜燃料电池流场板，其特征在于，所述流场板本体上所述蛇形流道的数量为四个，四个所述蛇形流道相互平行且嵌套设置。
6.根据权利要求1所述质子交换膜燃料电池流场板，其特征在于，所述流场板本体的反应面积为5CM×5CM。
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