CN114843544B - 一种燃料电池极板流场结构及燃料电池极板 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，公开了一种燃料电池极板流场结构及燃料电池极板，该燃料电池极板流场结构包括多个脊部结构，多个该脊部结构沿第一方向相互平行间隔设置于极板本体上，相邻的该脊部结构之间形成介质流道；该脊部结构包括多个沿第二方向依次排布的单元脊块，相邻的该单元脊块之间平滑过渡，该单元脊块开设第一排水槽和第二排水槽，该第一排水槽和该第二排水槽沿该单元脊块的第一中心轴线对称分布，该第一中心轴线平行于第二方向，沿该第二方向，该第一排水槽逐渐靠近该第二排水槽。该燃料电池极板流场结构能够增强燃料电池极板的传质能力和排水性能，使燃料电池整体性能能够得到提升。

Description

一种燃料电池极板流场结构及燃料电池极板

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极板流场结构及燃料电池极板。

背景技术

燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的化学能通过电催化反应直接转化成电能的清洁发电技术，具有高能量转换效率、结构简单、低排放以及低噪音等优点，在新能源汽车中应用广泛。电堆是燃料电池系统的核心反应单元，双极板是电堆的核心组件之一，对电堆的性能和制造成本有着很大的影响。双极板的主要功能是支撑膜电极组件、传输反应介质、传递电子、排出反应生成水以及换热等。随着燃料电池技术的发展，双极板的流场结构对于排出反应生成水具有重大影响。燃料电池中由于电化学反应产生的反应生成水在介质流道脊部位置不能通畅排出，阻碍了气体的传输，影响了电堆整体性能的发挥。

为了解决上述问题，现有技术提出一种燃料电池极板流场结构及燃料电池极板，该流场结构包括多条间隔分布的介质流道和介质流道脊，形成直介质流道形式的平行结构。其虽然在介质流道脊上交替设置有多个用于保持多余水分的持水槽和多个用于持水槽排水的泄水槽，但是持水槽与泄水槽在同一水平面高度上，导致该持水槽持水能力有限，且当介质流道中的流体呈层流状态时，对于泄水槽的排水效果不理想。

现有技术还提出了一种具有变截面流场通道的质子交换膜燃料电池双极板。该双极板上沿反应气体流动方向设置有多条平行分布的流场通道，该流场通道整体呈多个菱形结构，此种结构对介质流道脊部设计要求较高，若脊部过窄易造成电池接触电阻增大，且极板脊部强度减弱；若脊部过宽则易造成脊下排水效果不佳影响电池性能。

因此，亟需一种燃料电池极板流场结构及燃料电池极板，以解决以上问题。

发明内容

根据本发明的一个方面，目的在于提供一种燃料电池极板流场结构，该燃料电池极板流场结构能够增强燃料电池极板的传质能力和排水性能，使燃料电池整体性能能够得到提升。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种燃料电池极板流场结构，包括多个脊部结构，多个所述脊部结构沿第一方向相互平行间隔设置于极板本体上，相邻的所述脊部结构之间形成介质流道；所述脊部结构包括多个沿第二方向依次排布的单元脊块，相邻的所述单元脊块之间平滑过渡，所述单元脊块开设第一排水槽和第二排水槽，所述第一排水槽和所述第二排水槽沿所述单元脊块的第一中心轴线对称分布，所述第一中心轴线平行于第二方向，沿所述第二方向，所述第一排水槽逐渐靠近所述第二排水槽。

可选地，沿平行于第二方向的方向，所述单元脊块的宽度尺寸从中心向两端逐渐减小，呈菱形结构，所述介质流道呈周期性变径结构。

可选地，所述单元脊块上端面距所述极板本体的垂直距离为0.2mm-1mm。

可选地，所述单元脊块第一顶角的角度等于第二顶角的角度，所述第一顶角和所述第二顶角关于所述第一中心轴线对称分布，所述第一顶角和所述第二顶角的角度为100°-160°。

可选地，所述第一排水槽和所述第二排水槽之间的最小距离为0mm-0.5mm。

可选地，所述第一排水槽的槽底倾斜，从靠近所述第一中心轴线的一侧到远离所述第一中心轴线的一侧，所述第一排水槽的槽底逐渐靠近所述极板本体；

所述第二排水槽的槽底倾斜，从靠近所述第一中心轴线的一侧到远离所述第一中心轴线的一侧，所述第二排水槽的槽底逐渐靠近所述极板本体。

可选地，所述单元脊块还开设有第三排水槽和第四排水槽，所述第三排水槽和所述第四排水槽沿所述单元脊块的第一中心轴线对称分布，沿所述第二方向，所述第三排水槽逐渐靠近所述第四排水槽，所述第三排水槽平行于所述第一排水槽，所述第四排水槽平行于所述第二排水槽。

可选地，所述第三排水槽和所述第四排水槽长度相等；所述第一排水槽和所述第二排水槽长度相等；所述第三排水槽长度小于所述第一排水槽。

可选地，相邻的所述脊部结构的单元脊块沿第一方向正对设置。

根据本发明的另一个方面，目的在于提供一种燃料电池极板，所述燃料电池极板包括极板本体和上述方案任一所述的燃料电池极板流场结构，所述燃料电池极板流场结构设置于所述极板本体上。

本发明的有益效果：

本发明提供的燃料电池极板流场结构包括多个脊部结构，多个该脊部结构沿第一方向相互平行间隔设置于极板本体上，相邻的脊部结构之间形成介质流道，燃料电池介质能够在该介质流道中流通。该脊部结构包括多个沿第二方向依次排布的单元脊块，相邻的单元脊块之间平滑过渡，形成的介质流道呈周期性变化，流道内介质流动形成绕流，在流动过程中压力变化，反应介质传输能力得到提升。在单元脊块上开设第一排水槽和第二排水槽，使脊下电化学反应生成水更加通畅随反应介质排出。该燃料电池极板流场结构能够增强燃料电池极板的传质能力和排水性能，使燃料电池整体性能能够得到提升。

附图说明

图1是本发明实施例提供的燃料电池极板的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的燃料电池极板流场结构的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的单元脊块的结构示意图。

图中：

10、极板本体；

100、脊部结构；110、单元脊块；111、第一排水槽；112、第二排水槽；113、第三排水槽；114、第四排水槽；

200、介质流道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“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，或成一体；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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，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”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一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。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、“左”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

图1示出本发明实施例提供的燃料电池极板的结构示意图。参照图1，本实施例提供了一种燃料电池极板和一种燃料电池极板流场结构。本实施例提供的燃料电池极板包括极板本体10和本实施例提供的燃料电池极板流场结构，该燃料电池极板流场结构设置于该极板本体10上。

图2示出本发明实施例提供的燃料电池极板流场结构的结构示意图。参照图1和图2，本实施例提供的燃料电池极板流场结构包括多个脊部结构100，多个该脊部结构100沿第一方向相互平行间隔设置于极板本体10上，相邻的该脊部结构100之间形成介质流道200。该介质流道200被配置为供燃料电池极板中的介质流动。

继续参照图2，具体地，该脊部结构100包括多个沿第二方向依次排布的单元脊块110，相邻的该单元脊块110之间平滑过渡，该单元脊块110开设第一排水槽111和第二排水槽112，该第一排水槽111和该第二排水槽112沿该单元脊块110的第一中心轴线对称分布，该第一中心轴线平行于第二方向，沿该第二方向，该第一排水槽111逐渐靠近该第二排水槽112。在单元脊块110的上端面开设第一排水槽111和第二排水槽112，能够有效增强排水能力。

图3示出本发明实施例提供的单元脊块的结构示意图。参照图1-图3，沿平行于第二方向的方向，该单元脊块110的宽度尺寸从中心向两端逐渐减小，呈菱形结构。菱形结构的单元脊块110扩大了与气体扩散层的接触面积，降低了电池间接触电阻的损耗。

具体地，相邻的该脊部结构100的单元脊块110沿第一方向正对设置。该介质流道200呈周期性变径结构。介质流道200内的介质流动通过不同直径的截面形成绕流，不同截面间的压力变化有利于反应介质传输能力的提升。

继续参照图3，该单元脊块110上端面距该极板本体10的垂直距离,即图3中的h为0.2mm-1mm。

具体地，该单元脊块110的第一顶角的角度等于第二顶角的角度，该第一顶角和该第二顶角关于该第一中心轴线对称分布，该第一顶角和该第二顶角的角度为100°-160°。该第一顶角即图3中的β角。

再为具体地，该第一排水槽111和该第二排水槽112之间的最小距离，即图3中的w，为0mm-0.5mm。当w为0时，第一排水槽111和第二排水槽112端部相互连通。

继续参照图3，该第一排水槽111的槽底倾斜，从靠近该第一中心轴线的一侧到远离该第一中心轴线的一侧，该第一排水槽111的槽底逐渐靠近该极板本体10。本实施例中，该第一排水槽111的槽底与极板本体10的上端面之间的夹角为图3中所示的α角，该α角的范围为0°-45°。当α角的范围为0°时，第一排水槽111的槽底平行于极板本体10的上端面。

同样地，该第二排水槽112的槽底倾斜，从靠近该第一中心轴线的一侧到远离该第一中心轴线的一侧，该第二排水槽112的槽底逐渐靠近该极板本体10。该第二排水槽112的槽底与极板本体10的上端面之间的夹角等于α角。该第一排水槽111和该第二排水槽112始终关于第一中心轴线对称设置，便于介质分布均匀，提高其流动效率。

上述有关单元脊块110、第一排水槽111和第二排水槽112的尺寸设置均有利于介质的快速流通，提高介质的排出效率。

作为优选的，在本实施例中，该单元脊块110的长度，即图3中L所示，能够根据实际情况进行选择，同一个脊部结构100上的多个单元脊块110的长度可以选择相同或不同，且该单元脊块110的长度和数量能够根据极板本体10的长度进行选择，以能够有效提高介质排出效率为准，本实施例在此不做限制。

继续参照图2和图3，本实施例提供的单元脊块110还开设有第三排水槽113和第四排水槽114，该第三排水槽113和该第四排水槽114沿该单元脊块110的第一中心轴线对称分布，沿该第二方向，该第三排水槽113逐渐靠近该第四排水槽114，该第三排水槽113平行于该第一排水槽111，该第四排水槽114平行于该第二排水槽112。第三排水槽113和第四排水槽114的开设，增强了单元脊块110的排水能力。

具体地，该第三排水槽113和该第四排水槽114长度相等；该第一排水槽111和该第二排水槽112长度相等；该第三排水槽113长度小于该第一排水槽111。该第三排水槽113和该第四排水槽114作为第一排水槽111和第二排水槽112的补充，起到辅助排水的作用。

作为优选地，为了保证介质排出效果，防止产生介质堆积死角，本实施例中，位于每个脊部结构100端部的单元脊块110均设置圆角，该圆角半径为1mm-5mm。介质流道200和脊部结构100的竖直方向设置拔模角，该拔模角的角度为5°-20°。第一排水槽111、第二排水槽112、第三排水槽113和第四排水槽114的竖直方向均设置拔模角，该拔模角的角度为5°-20°。第一排水槽111、第二排水槽112、第三排水槽113和第四排水槽114的内角均设置倒角，该倒角角度为0.1°-1°。该介质流道200和脊部结构100之间连接位置棱角设置倒角，该倒角角度为0.1°-1°。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种燃料电池极板流场结构，其特征在于，包括：

多个脊部结构（100），多个所述脊部结构（100）沿第一方向相互平行间隔设置于极板本体（10）上，相邻的所述脊部结构（100）之间形成介质流道（200）；

所述脊部结构（100）包括多个沿第二方向依次排布的单元脊块（110），相邻的所述单元脊块（110）之间平滑过渡，所述单元脊块（110）开设第一排水槽（111）和第二排水槽（112），所述第一排水槽（111）和所述第二排水槽（112）沿所述单元脊块（110）的第一中心轴线对称分布，所述第一中心轴线平行于第二方向，沿所述第二方向，所述第一排水槽（111）逐渐靠近所述第二排水槽（112）；

沿平行于第二方向的方向，所述单元脊块（110）的宽度尺寸从中心向两端逐渐减小，呈菱形结构，所述介质流道（200）呈周期性变径结构；

所述单元脊块（110）还开设有第三排水槽（113）和第四排水槽（114），所述第三排水槽（113）和所述第四排水槽（114）沿所述单元脊块（110）的第一中心轴线对称分布，沿所述第二方向，所述第三排水槽（113）逐渐靠近所述第四排水槽（114），所述第三排水槽（113）平行于所述第一排水槽（111），所述第四排水槽（114）平行于所述第二排水槽（112）；

相邻的所述脊部结构（100）的单元脊块（110）沿第一方向正对设置。

2.根据权利要求1所述的燃料电池极板流场结构，其特征在于，所述单元脊块（110）上端面距所述极板本体（10）的垂直距离为0.2mm-1mm。

3.根据权利要求1所述的燃料电池极板流场结构，其特征在于，所述单元脊块（110）第一顶角的角度等于第二顶角的角度，所述第一顶角和所述第二顶角关于所述第一中心轴线对称分布，所述第一顶角和所述第二顶角的角度为100°-160°。

4.根据权利要求1所述的燃料电池极板流场结构，其特征在于，所述第一排水槽（111）和所述第二排水槽（112）之间的最小距离为0mm-0.5mm。

5.根据权利要求1所述的燃料电池极板流场结构，其特征在于，所述第一排水槽（111）的槽底倾斜，从靠近所述第一中心轴线的一侧到远离所述第一中心轴线的一侧，所述第一排水槽（111）的槽底逐渐靠近所述极板本体（10）；

所述第二排水槽（112）的槽底倾斜，从靠近所述第一中心轴线的一侧到远离所述第一中心轴线的一侧，所述第二排水槽（112）的槽底逐渐靠近所述极板本体（10）。

6.根据权利要求1所述的燃料电池极板流场结构，其特征在于，所述第三排水槽（113）和所述第四排水槽（114）长度相等；所述第一排水槽（111）和所述第二排水槽（112）长度相等；所述第三排水槽（113）长度小于所述第一排水槽（111）。

7.一种燃料电池极板，其特征在于，包括极板本体（10）和权利要求1-6任一所述的燃料电池极板流场结构，所述燃料电池极板流场结构设置于所述极板本体（10）上。