CN114883593A - 燃料电池双极板流场结构和燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种燃料电池双极板流场结构和燃料电池，涉及燃料电池技术领域。其中，所述燃料电池双极板流场结构包括阴极板和阳极板，阴极板和阳极板贴合形成双极板，阴极板和阳极板的外侧面分别设有氧化剂流场和燃料流场，阴极板和阳极板之间形成有冷却流场，氧化剂流场、燃料流场和冷却流场均包括依次连通的分流区、流场区和汇集区；流场区包括沿双极板长度方向延伸设置的多个中心流道，多个中心流道与分流区之间连通有沿双极板宽度方向延伸设置的导流流道，分流区用于将流入的燃料、冷却液和氧化剂均匀地分流至导流流道内。本发明技术方案可解决现有燃料电池双极板中流场结构设计不合理，影响电池的使用性能和寿命的问题。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池双极板流场结构和燃料电池。
背景技术
燃料电池中双极板是其电堆和系统的重要组成部分，其不仅分隔燃料与氧化剂，阻止气体透过，还收集、传导电流；双极板上设计与加工的流场结构，可将气体均匀分配到电极的反应层进行电极反应，更为重要的是保证电堆工作温度在合理范围内，及时带走多余热量。因此燃料电池流场的设计至关重要，这保证了燃料电池中膜电极及电堆相关耐久性和输出性能。目前市场上关于双极板流场设计仍存在着流动阻力压降过大，流量分布各向异性的问题，造成局部温度过高，从而影响电堆稳定性、耐久性和极化输出曲线。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种燃料电池双极板流场结构和燃料电池，旨在解决现有燃料电池双极板中流场结构设计不合理，影响电池的使用性能和寿命的问题。
为实现上述目的，本发明提出的燃料电池双极板流场结构，包括：
阴极板和阳极板，所述阴极板和阳极板贴合形成双极板，所述阴极板和阳极板的外侧面分别设有氧化剂流场和燃料流场，所述阴极板和阳极板之间形成有冷却流场，所述氧化剂流场、燃料流场和冷却流场均包括依次连通的分流区、流场区和汇集区；
其中，所述流场区包括沿所述双极板长度方向延伸设置的多个中心流道，多个所述中心流道与分流区之间连通有沿所述双极板宽度方向延伸设置的导流流道，所述分流区用于将流入的燃料、冷却液和氧化剂均匀地分流至所述导流流道内。
在一实施例中，所述双极板的一端设有燃料进口、冷却液进口和氧化剂出口，另一端设有燃料出口、冷却液出口和氧化剂进口，所述阴极板和阳极板之间设有进口过桥流道和出口过桥流道，所述燃料进口、冷却液进口和氧化剂进口通过所述进口过桥流道与所述分流区连通，所述燃料出口、冷却液出口和氧化剂出口通过所述出口过桥流道与所述汇集区连通。
在一实施例中，所述氧化剂流场和燃料流场的进口过桥流道以及出口过桥流道均独立设于所述冷却流场之外，所述阴极板上设有用于连通所述氧化剂流场的分流区与进口过桥流道的第一连通口，以及连通所述氧化剂流场的汇集区与出口过桥流道的第二连通口；所述阳极板上设有连通所述燃料流场的分流区与进口过桥流道的第三连通口，以及连通所述燃料流场的汇集区与出口过桥流道的第四连通口。
在一实施例中，沿所述双极板的宽度方向，所述氧化剂进口和燃料进口靠近所述分流区一侧的侧边呈斜边设置，所述第一连通口的长度不小于所述氧化剂进口斜边的长度，所述第三连通口的长度不小于所述燃料进口斜边的长度。
在一实施例中，所述冷却流场的中心流道呈波浪形设置，且沿所述双极板的宽度方向，多个所述中心流道等间距间隔设置。
在一实施例中，所述氧化剂流场和燃料流场的分流区和汇集区包括多个错位交替设置的凸台。
在一实施例中，所述燃料流场的分流区还包括沿所述双极板长度方向设置的连通流道，所述连通流道连通所述导流流道。
在一实施例中，所述氧化剂流场、燃料流场和冷却流场呈中心对称设置。
在一实施例中，所述双极板材质为透明ITO材料。
本发明还提出一种燃料电池，包括多个层叠设置的双极板，所述双极板上设有如上所述的燃料电池双极板流场结构。
本发明技术方案通过在将燃料、冷却液以及氧化剂通入相对应的流场后，先流入分流区，在分流区的分流作用下，将其均匀地分流至导流流道内；导流流道沿双极板宽度方向延伸设置，使得燃料、冷却液以及氧化剂在双极板的宽度方向上均匀分布，随后均匀地流入中心流道内。中心流道处的区域为发生反应的主要区域，燃料以及氧化剂在中心流道内的均匀分布使得双极板各处发生反应的剧烈程度趋于一致，不会出现局部集中的剧烈反应，电流密度均匀，也就不会造成双极板的局部温度过高；同时，冷却液在中心流道内的均匀分布可以增强对双极板的换热效果，确保双极板主要反应区域的各处温度都能得到有效的降低。双极板各处发生反应的剧烈程度趋于一致，以及主要反应区域的各处温度得到有效的降低，最终使得燃料电池输出功率稳定，使用性能和寿命得以提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明燃料电池双极板流场结构一实施例中双极板的结构示意图，此时阳极板朝上；
图2为图1中A处的局部放大图；
图3为图1中阴极板的结构示意图，此时阴极板的内侧面朝上；
图4为图3中B处的局部放大图；
图5为图1中双极板的结构示意图，此时阴极板朝上；
图6为图5中C处的局部放大图。
附图标号说明：
| 标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
| 10 | 双极板 | 100 | 阴极板 |
| 110 | 氧化剂流场 | 120 | 第一连通口 |
| 130 | 第二连通口 | 200 | 阳极板 |
| 210 | 燃料流场 | 220 | 第三连通口 |
| 230 | 第四连通口 | 300 | 冷却流场 |
| 310 | 分流区 | 311 | 凸台 |
| 320 | 流场区 | 321 | 中心流道 |
| 322 | 导流流道 | 323 | 连通流道 |
| 330 | 汇集区 | 11 | 燃料进口 |
| 12 | 燃料出口 | 13 | 氧化剂进口 |
| 14 | 氧化剂出口 | 15 | 冷却液进口 |
| 16 | 冷却液出口 | 17 | 进口过桥流道 |
| 18 | 出口过桥流道 | 19 | 密封圈 |
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
燃料电池中双极板是其电堆和系统的重要组成部分，其不仅分隔燃料与氧化剂，阻止气体透过，还收集、传导电流；双极板上设计与加工的流场结构，可将气体均匀分配到电极的反应层进行电极反应，更为重要的是保证电堆工作温度在合理范围内，及时带走多余热量。因此燃料电池流场的设计至关重要，这保证了燃料电池中膜电极及电堆相关耐久性和输出性能。目前市场上关于双极板流场设计仍存在着流动阻力压降过大，流量分布各向异性的问题，造成局部温度过高，从而影响电堆稳定性、耐久性和极化输出曲线。
为解决上述问题，本发明提出一种燃料电池双极板流场结构及设有该流场结构的燃料电池。
请参阅图1、图3和图5，在本实施例中，所述燃料电池双极板流场结构包括阴极板100和阳极板200，所述阴极板100和阳极板200贴合形成双极板10，所述阴极板100和阳极板200的外侧面分别设有氧化剂流场110和燃料流场210，所述阴极板100和阳极板200之间形成有冷却流场300，所述氧化剂流场110、燃料流场210和冷却流场300均包括依次连通的分流区310、流场区320和汇集区330；其中，所述流场区320包括沿所述双极板10长度方向延伸设置的多个中心流道321，多个所述中心流道321与分流区310之间连通有沿所述双极板10宽度方向延伸设置的导流流道322，所述分流区310用于将流入的燃料、冷却液和氧化剂均匀地分配至所述导流流道322内。
通过本发明实施例的燃料电池双极板流场结构，在将燃料、冷却液以及氧化剂通入相对应的流场后，先流入分流区310，在所述分流区310的分流作用下，将其均匀地分流至所述导流流道322内；所述导流流道322沿所述双极板10宽度方向延伸设置，使得燃料、冷却液以及氧化剂在所述双极板10的宽度方向上均匀分布，随后均匀地流入所述中心流道321内。所述中心流道321处的区域为发生反应的主要区域，燃料以及氧化剂在所述中心流道321内的均匀分布使得所述双极板10各处发生反应的剧烈程度趋于一致，不会出现局部集中的剧烈反应，电流密度均匀，也就不会造成所述双极板10的局部温度过高；同时，冷却液在所述中心流道321内的均匀分布可以增强对所述双极板10的换热效果，确保所述双极板10主要反应区域的各处温度都能得到有效的降低。所述双极板10各处发生反应的剧烈程度趋于一致，以及主要反应区域的各处温度得到有效的降低，最终使得燃料电池输出功率稳定，使用性能和寿命得以提高。
请参阅图1至图3，在一实施例中，所述双极板10的一端设有燃料进口11、冷却液进口15和氧化剂出口14，另一端设有燃料出口12、冷却液出口16和氧化剂进口13，所述阴极板100和阳极板200之间设有进口过桥流道17和出口过桥流道18，所述燃料进口11、冷却液进口15和氧化剂进口13通过所述进口过桥流道17与所述分流区310连通，所述燃料出口12、冷却液出口16和氧化剂出口14通过所述出口过桥流道18与所述汇集区330连通。
进一步的，考虑到所述进口过桥流道17和出口过桥流道18设于所述阴极板100和阳极板200之间，为避免氧化剂和燃料在通过所述进口过桥流道17后流入所述冷却流场300内，同时避免冷却液通过所述出口过桥流道18流入所述氧化剂流场110和燃料流场210，在一实施例中，所述氧化剂流场110和燃料流场210的进口过桥流道17以及出口过桥流道18均独立设于所述冷却流场300之外。具体的，所述冷却流场300的外周设置有密封圈19，所述密封圈19分隔所述所述冷却流场300、与所述氧化剂流场110连通的进口过桥流道17和出口过桥流道18、与所述燃料流场210连通的进口过桥流道17和出口过桥流道18。
为使得所述进口过桥流道17和出口过桥流道18连通所述氧化剂流场110和燃料流场210，所述阴极板100上设有用于连通所述氧化剂流场110的分流区310与进口过桥流道17的第一连通口120，以及连通所述氧化剂流场110的汇集区330与出口过桥流道18的第二连通口130；所述阳极板200上设有连通所述燃料流场210的分流区310与进口过桥流道17的第三连通口220，以及连通所述燃料流场210的汇集区330与出口过桥流道18的第四连通口230。
相比于将所述进口过桥流道17和出口过桥流道18设于所述阴极板100和阳极板200的外侧面，将所述进口过桥流道17直接与所述燃料流场210和氧化剂流场110的分流区310实现连通，采用所述第一连通口120和第三连通口220连通的方式可以增强所述分流区310均匀分流的效果。所述进口过桥流道17的一侧为燃料进口11或氧化剂进口13，另一侧为所述分流区310，若所述进口过桥流道17直接与所述分流区310连通，所述燃料进口11或氧化剂进口13的流量相对各个所述进口过桥流道17的流量较大，在所述进口过桥流道17内就容易出现流量分配不均的情况，最终降低所述分流区310的均匀分流效果。而通过所述第一连通口120和第三连通口220连通的方式，氧化剂或燃料需要先填满所述第一连通口120或第三连通口220，由所述第一连通口120或第三连通口220溢出后，再流向所述分流区310，只需保持所述第一连通口120和第三连通口220外周处的水平精度，就能实现氧化剂或燃料在所述第一连通口120或第三连通口220长度方向上的同时流出，使得所述分流区310更容易实现对氧化剂和燃料的均匀分流。
请参阅图1和图5，在一实施例中，沿所述双极板10的宽度方向，所述氧化剂进口13和燃料进口11靠近所述分流区310一侧的侧边呈斜边设置，所述第一连通口120的长度不小于所述氧化剂进口13斜边的长度，所述第三连通口220的长度不小于所述燃料进口11斜边的长度。
所述燃料进口11、冷却液进口15和氧化剂出口14沿所述双极板10的宽度方向并列设置，在所述冷却液进口15和氧化剂出口14所占长度和面积确定时，所述燃料进口11所能占用的长度和面积也被限制，所述燃料进口11靠近所述分流区310一侧的侧边长度也被限制。当所述燃料进口11在所述双极板10的宽度方向上所占的长度和面积越小，即说明所述燃料出口12与所述进口过桥流道17连通的长度越小，流向所述分流区310的燃料越集中，也就越难实现均匀分流。因此，将所述燃料进口11靠近所述分流区310一侧的侧边呈斜边设置可以增大与所述进口过桥流道17连通的长度，且将所述第三连通口220的长度设置为不小于所述燃料进口11斜边的长度，使得燃料流入所述燃料流场210的分流区310时尽可能地分散，便于所述分流区310将其均匀分流。
同理，所述燃料出口12、冷却液出口16和氧化剂进口13沿所述双极板10的宽度方向并列设置，在所述冷却液出口16和燃料氧化剂出口14所占长度和面积确定时，所述氧化剂进口13所能占用的长度和面积也被限制，所述氧化剂进口13靠近所述分流区310一侧的侧边长度也被限制。将所述氧化剂进口13靠近所述分流区310一侧的侧边呈斜边设置可以增大与所述进口过桥流道17连通的长度，且将所述第一连通口120的长度设置为不小于所述氧化剂进口13斜边的长度，使得氧化剂流入所述氧化剂流场110的分流区310时尽可能地分散，便于所述分流区310将其均匀分流。
请参阅图2和图6，具体的，在一实施例中，所述氧化剂流场110和燃料流场210的分流区310和汇集区330包括多个错位交替设置的凸台311。燃料和氧化剂分别由所述第三连通口220和第一连通口120流出后，由相邻所述凸台311之间的缝隙流入所述分流区310，而因为所述凸台311错位交替设置，同一缝隙流入的燃料和氧化剂经由下一层错位设置的所述凸台311平均分流成两股流体。经由所述凸台311层层分流之后，最终使得燃料和氧化剂均匀地流入每一所述导流流道322内。所述凸台311截面的形状不限，包括但不限于圆形、三角形和菱形等。
可以知道的是，燃料和氧化剂流入所述分流区310后，流入每一所述导流流道322内的先后顺序取决于该所述导流流道322与所述第一连通口120或第三连通口220的距离。例如，所述导流流道322距离所述第一连通口120越近，氧化剂通过所述分流区310后，最先到达该导流流道322。为减小氧化剂流入不同所述中心流道321内的时间差，沿所述分流区310内氧化剂的流动方向，所述导流流道322的长度逐渐减小，即表明所述导流流道322离所述第一连通口120越近，氧化剂流过该导流流道322内的时间越长，使得不同所述导流流道322内的氧化剂到达相应的所述中心流道321内的时间差减小，进一步促进了同一时间内，所述氧化剂流场110的流场区320内的氧化剂的均匀分布。
同理，所述燃料流场210内所述导流流道322的结构设置与上述氧化剂流场110一致，所能获得的有益效果也和其一致，在此不再一一赘述。
所述氧化剂包括氧气或空气，所述燃料包括氢气，所述冷却液包括去离子水，考虑到氢气的密度远小于氧气或空气的密度，氢气在流经所述分流区310时，所述凸台311对氢气流动的影响较大，且不能起到很好的导流作用。
鉴于此，在一实施例中，所述燃料流场210的分流区310还包括沿所述双极板10长度方向设置的连通流道323，所述连通流道323连通所述导流流道322。即表明所述凸台311额布置面积减小，同时，经由所述凸台311分流后，再通过所述述连通流道323将燃料导流至所述导流流道322内，可以增强对燃料的导流作用，减小所述凸台311对燃料流道造成的局部损失。
请参阅图3和图4，在一实施例中，为增强所述冷却流场300的换热效果，所述冷却流场300的中心流道321呈波浪形设置，且沿所述双极板10的宽度方向，多个所述中心流道321等间距间隔设置。
所述中心流道321呈波浪形设置可以增强冷却液在其内流动时的扰动效果，即加强冷却液对所述双极板10的冷却效果。所述中心流道321等间距间隔设置，同一所述导流流道322设置为连通多个所述中心流道321，减小每一条所述中心流道321内冷却液的流量，可以减小冷却液流经所述流场区320时的压降，减小为输送冷却液所需消耗的功耗。
请参阅图1、图3和图5，在一实施例中，所述氧化剂流场110、燃料流场210和冷却流场300呈中心对称设置。一方面，中心对称设置可以减小所述双极板流场结构的生产和设计难度，只需要设定好所述氧化剂流场110、燃料流场210和冷却流场300一半的设置路径，即可完成整体流场的设计和生产；另一方面，可以提高所述双极板流场结构的一致性，使其整体看起来更加整洁美观。
进一步的，在上一实施例的基础上，所述燃料进口11、冷却液进口15和氧化剂进口13分别与所述燃料出口12、冷却液出口16和氧化剂出口14中心对称设置，此时在安装所述阴极板100和阳极板200时，可以不需要区分进口和出口，只需要保证所述氧化剂流场110和燃料流场210外于外侧，就可以实现所述双极板10的正确安装，使得所述阴极板100和阳极板200的安装更加便捷简单。
所述双极板10可以为石墨双极板、复合双极板或金属双极板，所述双极板10堆叠形成单电池或电堆，但对于所述双极板10与双极板10之间的内部反应变化，无法做到直观的可视观测，无法实时精准地实现对电堆的故障诊断。
鉴于此，在一实施例中，所述双极板10材质为透明ITO（Indium Tin Oxide，氧化铟锡）材料，所述双极板流场结构通过激光刻蚀在所述双极板10上形成。由于采用了透明的ITO材料，单电池或电堆内部在进行反应时，可实现内部变化的直观观测，若出现故障，可实现对单电池或电堆的实时精准诊断。
本发明还提出一种燃料电池，所述燃料电池包括多个层叠设置的双极板10，所述双极板10上设有如上所述的燃料电池双极板流场结构，由于本燃料电池采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种燃料电池双极板流场结构，其特征在于，包括：
阴极板和阳极板，所述阴极板和阳极板贴合形成双极板，所述阴极板和阳极板的外侧面分别设有氧化剂流场和燃料流场，所述阴极板和阳极板之间形成有冷却流场，所述氧化剂流场、燃料流场和冷却流场均包括依次连通的分流区、流场区和汇集区；
其中，所述流场区包括沿所述双极板长度方向延伸设置的多个中心流道，多个所述中心流道与分流区之间连通有沿所述双极板宽度方向延伸设置的导流流道，所述分流区用于将流入的燃料、冷却液和氧化剂均匀地分流至所述导流流道内。
2.如权利要求1所述的燃料电池双极板流场结构，其特征在于，所述双极板的一端设有燃料进口、冷却液进口和氧化剂出口，另一端设有燃料出口、冷却液出口和氧化剂进口，所述阴极板和阳极板之间设有进口过桥流道和出口过桥流道，所述燃料进口、冷却液进口和氧化剂进口通过所述进口过桥流道与所述分流区连通，所述燃料出口、冷却液出口和氧化剂出口通过所述出口过桥流道与所述汇集区连通。
3.如权利要求2所述的燃料电池双极板流场结构，其特征在于，所述氧化剂流场和燃料流场的进口过桥流道以及出口过桥流道均独立设于所述冷却流场之外，所述阴极板上设有用于连通所述氧化剂流场的分流区与进口过桥流道的第一连通口，以及连通所述氧化剂流场的汇集区与出口过桥流道的第二连通口；所述阳极板上设有连通所述燃料流场的分流区与进口过桥流道的第三连通口，以及连通所述燃料流场的汇集区与出口过桥流道的第四连通口。
4.如权利要求3所述的燃料电池双极板流场结构，其特征在于，沿所述双极板的宽度方向，所述氧化剂进口和燃料进口靠近所述分流区一侧的侧边呈斜边设置，所述第一连通口的长度不小于所述氧化剂进口斜边的长度，所述第三连通口的长度不小于所述燃料进口斜边的长度。
5.如权利要求1至4任意一项所述的燃料电池双极板流场结构，其特征在于，所述冷却流场的中心流道呈波浪形设置，且沿所述双极板的宽度方向，多个所述中心流道等间距间隔设置。
6.如权利要求1至4任意一项所述的燃料电池双极板流场结构，其特征在于，所述氧化剂流场和燃料流场的分流区和汇集区包括多个错位交替设置的凸台。
7.如权利要求6所述的燃料电池双极板流场结构，其特征在于，所述燃料流场的分流区还包括沿所述双极板长度方向设置的连通流道，所述连通流道连通所述导流流道。
8.如权利要求1至4任意一项所述的燃料电池双极板流场结构，其特征在于，所述氧化剂流场、燃料流场和冷却流场呈中心对称设置。
9.如权利要求1至4任意一项所述的燃料电池双极板流场结构，其特征在于，所述双极板材质为透明ITO材料。
10.一种燃料电池，其特征在于，包括多个层叠设置的双极板，所述双极板上设有如权利要求1所述的燃料电池双极板流场结构。
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