CN115117382A - 一种仿生六边形流场的燃料电池双极板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种仿生六边形流场的燃料电池双极板；包括双极板主体，主流道刻在双极板主体前表面的竖直中心；副流道位于主流道的两侧，与主流道平面保持平行，副流道宽度由竖直中心到两侧逐渐递减；主流道与相邻的副流道之间形成脊，脊表面平行于主流道表面；上分流流道与下合流流道位于双极板主体的前表面，与主流道与副流道连通；在上分流流道的中心正对着主流道设置进气孔，与进气孔相对的下合流流道的中心正对着主流道设置出气孔；上游域与下游域流场的划分以水平中心为准；位于上下游域的每个脊上设置有N个上下游域微流道；本发明具有同质量材料刚度最强的特点，同时在均匀分配反应气体的基础上，反应生成的水能够以最快的速度排出。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术，具体涉及一种仿生六边形流场的燃料电池双极板。
背景技术
现代工业发展迅速，人类面临着传统能源短缺、环境恶化的困难，一种可持续、可再生的清洁能源无疑是解决困境的关键。燃料电池是一种可以直接将燃料的化学能转化为电能的发电装置，在工作过程中不受卡诺循环的限制，发电效率可达到60％，若进行合适的热管理，其发电效率可达85％以上，为内燃机的2-3倍；质子交换膜燃料的单体结构电池主要包括质子交换膜、双极板、气体扩散层、催化层等，由于没有机械结构，其工作过程几乎不会产生噪音，可应用于汽车、军事等诸多领域。
电池双极板又称集流板，是燃料电池的重要组成部件，其主要功能包括以下几方面：阻隔燃料与氧化剂、均匀分配反应气体、及时排出热量与反应生成的水、实现阴阳两极电子传导等；流道是在双极板上加工的沟槽，它的结构决定了反应气体以及反应生成的水在双极板内的流动形式，若反应生成的水不能及时排出则会发生“水淹电极”的情况。因此，优化双极板流道设计可以提高燃料电池的性能、提高使用寿命。
专利文献CN102299343A涉及基于树叶仿生结构的质子交换膜燃料电池双极板，其正反面分别为阳极流场板和阴极流场板，阴极流场板和阳极流场板上均设置有燃料入口、燃料出口、氧化剂入口、氧化剂出口、冷却剂入口以及冷却剂出口，其特征在于：阴极流场板和阳极流场板为交指型流场。本发明的有益效果在于：燃料电池的性能和稳定性均有所提高；能有效地防止流道堵塞；有利于主流道的气体(燃料或氧化剂)的分配，提高燃料电池的稳定性；能提高电池的化学反应效率，提高反应气体的利用率；由于交指型结构有利于排水，不易形成“水淹”现象，因此燃料电池的极化性能得到提升，输出功率大幅提升，排水性更好。
专利文献CN1933222A涉及质子交换膜燃料电池用神经网络分形流道双极板，其极板一面设有用于输送氧化剂气体的阴极流场，另一面设有用于输送燃料的阳极流场，极板上还设有气体进出口、冷却流体进出口，气体进出口附近均存在一个流场过渡区和位于其间的且与之连通的流场反应区；其中，流场过渡区的流道采用了多通道的神经网络分形结构。本发明流场中各流道的长度以及气体在各流道中的流动阻力基本相等，从而有利于气体在流场中的均匀分布和传输，限制了气体在从小面积进气口向大面积反应区传输时形成湍流；同时可以减少双极板入口处的气体压力，避免对质子交换膜造成损坏，因此有利于提高燃料电池运行的稳定性。
上述专利与本申请相关度较低。
发明内容
本发明目的是描述一种具有仿生六边形流道的燃料电池双极板设计及其方法，仿树蛙脚蹼结构模型，设计双极板微流道，使反应气体均匀分布，并将电化学反应生成的水定向输送，优化电池内部水管理，提升排水与传质效率，从而达到提高电池性能、延长寿命的目的。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：
参阅图1，一种具有仿生六边形流场的燃料电池双极板，包括：双极板主体 1、主流道2、脊3、副流道4、上分流流道5、下合流流道6、进气孔7、出气孔8、上游域微流道9、下游域微流道10及各部分挡板11；
所述主流道2刻在双极板主体1前表面的竖直中心，方向沿竖直方向，其表面与双极板主体表面平行；
所述副流道4刻在双极板主体1的前表面，位于主流道2的两侧，且表面与主流道2平面保持平行，副流道宽度由竖直中心到两侧逐渐递减，关于竖直中心呈对称分布；
所述主流道2与相邻的副流道4之间形成脊3，形成的脊3宽度相同，脊3 表面平行于主流道表面；
所述上分流流道5与下合流流道6位于双极板主体1的前表面，在各个脊3的上端、下端，与主流道2与副流道4连通；
在上分流流道5的中心正对着主流道设置有进气孔7，在与进气孔7相对的下合流流道6的中心正对着主流道设置有出气孔8；
双极板的上游域与下游域流场的划分以水平中心为准；
位于上游域的每个脊3上设置有N个上游域微流道9，在同一个脊3上的各个上游域微流道呈等间距排列，上游域微流道方向垂直于脊3，方向从竖直中心到两侧，所有上游域微流道的表面与主流道2表面平行；
挡板11仅分布在上游域的主流道2、副流道4中，位于相邻脊3最后一个上游域微流道下方，且挡板从主流道2或副流道4的底面向双极板主体1的前表面具有向下倾斜的角度；
位于下游域的每个脊上设置有N个下游域微流道10，在同一个脊3上的各个下游域微流道10呈等间距排列，下游域微流道方向垂直于脊3，方向从竖直中心到两侧，所有下游域微流道10的表面与主流道2表面平行。
进一步地，上游域各微流道9与下游域各微流道10的位置关于水平中心对称分布；
各个上游域微流道9、下游域微流道10在布置站位上按照正六边形的形状安排。
进一步地，进入的反应气体由上分流流道5被分配到主流道2和各个副流道4；
副流道4的宽度从竖直中心到两侧逐渐减小，保证在各副流道中的反应气体流速相同；
当反应气体在上游域时，由于挡板11的存在且向外倾斜，反应气体不会通过主流道2直接传送至出气孔7，而是通过上游域微流道9定向地从主流道2传输至副流道4；
当反应气体通过上游域反应后进入到下游域时，一部分反应气体会通过下游域微流道10由两侧的副流道4定向传输至主流道2并到达出气孔7，另一部分会通过主流道2直接到达出气孔7。
进一步地，反应生成的水通过定向的传输机制由两侧的副流道4与下合流流道6传送至主流道2并到达出气孔7。
进一步地，每一个上游域微流道9由以下部分组成：分割脊A12、定向导流体A13与微流道A14；参阅图2、图3。
上游域微流道9的流向为从竖直中心向两侧的方向，入口端在竖直中心一侧，出口在两侧的方向；微流道A14是以垂直分割脊A12的方向刻在其上，且微流道A14的表面与主流道2的表面处在同一平面；以微流道A14的入口端为正视图，在中心位置设置分割脊A12，将微流道A14分为两个对称的分流道，同时分割脊A12的高度小于脊3的高度，且沿着流道流向高度逐渐降低，形成坡度；整个微流道A14形成一个正六边形的流道；沿着气体流向，分割脊A12的高度逐渐降低，从出口端看截面的高度低于入口端，截面的形状一样，高度不同。
进一步地，每一个下游域微流道10由以下部分组成：分割脊B15、定向导流体B16与微流道B17；下游域微流道10的流向为从两侧方向向竖直中心，入口端在两侧的方向，出口端在竖直中心一侧；微流道B17以垂直分割脊B15的方向刻在其上，且微流道B17的表面与主流道2的表面处在同一平面；在中心位置设置分割脊B15，将微流道B17分为两个对称的分流道，分割脊B15的高度小于脊3的高度，沿着流道流向高度逐渐降低，形成坡度；整个微流道B17形成一个正六边形的流道；沿着气体流向，分割脊B15的高度逐渐降低，从出口端看截面的高度低于入口端，截面的形状一样，高度不同。参阅图2、图3。
进一步地，当燃料电池工作时，反应气体由进气孔7进入并进行电化学反应，每个微流道A14、微流道B17的梯度特征符合泰勒毛细升理论，生成的水与反应气体在定向导流体A13、定向导流体B16处定向输送，流经上游域与下游域的主流道2、副流道4与各微流道A14、微流道B17，最终汇聚在下游域的出气孔7。
进一步地，所述双极板主体1为薄平板，材料采用石墨、金属材料、复合材料中的一种；
进一步地，上游域与下游域的微流道A14、微流道B17宽度t与脊的宽度 d1符合2/3d1≤t≤3/4d1；
主流道2的宽度为2-3mm，
副流道4的宽度从主流道2至两侧按等差数列递减，公差为0.1-0.2mm，脊3的宽度为1-2mm，高度为1-2mm；
在主流道2与副流道4的挡板11的表面倾斜角为60°-70°，
挡板11在水平方向与脊3垂直相交，挡板垂直高度为脊3高度的1/3-2/3，厚度为0.4-0.7mm；二级流道18的宽度为1/4的微流道A14、微流道B17宽度。
进一步地，所述N个上游域微流道，N≥3；
所述N个下游域微流道；N≥3。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
本发明描述了一种将仿树蛙脚蹼的仿生思路运用到燃料电池双极板流道设计的思路，其优势在于此结构具有同质量材料刚度最强的特点，同时在均匀分配反应气体的基础上，反应生成的水能够以最快的速度排出。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为本发明所述一种具有仿生六边形流场的燃料电池双极板正视图；
图2为燃料电池双极板微流道示意图；
图3为燃料电池双极板微流道侧面刨视图；
图中：
1、双极板主体；2、主流道；3、脊；4、副流道；5、上分流流道；6、下合流流道；7、进气孔；8、出气孔；9、上游域微流道；10、下游域微流道；11、挡板；12、分割脊A；13、定向导流体A；14、微流道A；15、分割脊B；16、定向导流体B；17、微流道B；18、二级流道。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。在附图中，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。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。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。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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保护范围的限制。
下面结合附图对本发明作详细的描述：
参阅图1、图2、图3，本发明的具有仿生六边形的燃料电池双极板包括：双极板主体双极板主体、主流道、脊、副流道、上分流流道、下合流流道、进气孔、出气孔、上游域微流道、下游域微流道及各部分挡板。其中，双极板主体为薄平板，材料采用石墨、金属材料、复合材料中的一种；主流道刻在双极板前表面的竖直中心，方向沿竖直方向，其表面与双极板表面平行；副流道刻在双极板的前表面，位于主流道的两侧，且表面与主流道平面保持平行，其宽度由竖直中心到两侧逐渐递减，关于竖直中心呈对称分布；主流道与相邻的副流道、相邻的副流道之间形成脊，形成的脊宽度相同，其表面平行于主流道表面；上分流流道与下合流流道位于双极板主体的前表面，在各个脊的上端、下端，与主流道与副流道连通；在上分流流道的中心正对着主流道设置有进气孔，在与其相对的下合流流道的中心正对着主流道设置有出气孔；双极板的上游域与下游域流场的划分以水平中心为准；位于上游域的每个脊上设置有N个上游域微流道(N≥3)，在同一个脊上的各个微流道呈等间距排列，其流道方向垂直于脊，方向从竖直中心到两侧，所有微流道的表面与主流道表面平行；挡板仅分布在上游域的主、副流道中，位于相邻脊最后一个微流道下方，且挡板从主流道或副流道的底面向双极板主体的前表面具有向下倾斜的角度；位于下游域的每个脊上设置有N个下游域微流道(N≥3)，在同一个脊上的各个微流道呈等间距排列，其流道方向垂直于脊，方向从竖直中心到两侧，所有微流道的表面与主流道表面平行；上游域各微流道与下游域各微流道的位置关于水平中心对称分布；上游域、下游域的各个微流道在布置站位上按照正六边形的形状安排。
当反应气体进入从上进气孔进入时，标志着燃料电池电化学反应的开始，进入的反应气体由上分流流道被分配到主流道和各个副流道，由于副流道的宽度从竖直中心到两侧逐渐减小，可以保证在各副流道中的反应气体流速相同；当反应气体在上游域时，由于挡板的存在且向外倾斜，反应气体不会通过主流道直接传送至出气孔，而是通过上游域微流道定向地从主流道传输至副流道，使反应气体分布更加均匀，提升传质效率；当反应气体通过上游域反应后进入到下游域时，一部分反应气体会通过下游域微流道由两侧的副流道定向传输至主流道并到达出气孔，另一部分会通过主流道直接到达出气孔。一方面，在具有仿生六边形流道的流场内，气体的传质效率会大幅度提高，另一方面，反应生成的水可以通过这种定向的传输机制由两侧的副流道与下合流流道传送至主流道并到达出气孔，及时排出了反应生成的水，大大提升排水效率，改善了电池的水管理，最终提高电池的性能、稳定性，并延长了电池的使用寿命。
每一个上游域微流道由以下部分组成：分割脊、定向导流体与微流道；其中，上游域微流道的流向为从竖直中心向两侧的方向，入口端在竖直中心一侧，出口在两侧的方向；微流道是以垂直分割脊的方向刻在其上，且微流道的表面与主流道的表面处在同一平面；以微流道的入口端为正视图，在中心位置设置分割脊，将微流道分为两个对称的分流道，同时分割脊的高度小于脊的高度，且沿着流道流向高度逐渐降低，形成坡度；从微流道俯视图来看，整个微流道形成了一个正六边形的流道；由于沿着气体流向，分割脊的高度逐渐降低，从出口端看截面的高度低于入口端，截面的形状一样，高度不同。
每一个下游域微流道由以下部分组成：分割脊、定向导流体与微流道；其中，下游域微流道的流向为从两侧方向向竖直中心，入口端在两侧的方向，出口端在竖直中心一侧；微流道是以垂直分割脊的方向刻在其上，且微流道的表面与主流道的表面处在同一平面；以微流道的入口端为正视图，在中心位置设置分割脊，将微流道分为两个对称的分流道，同时分割脊的高度小于脊的高度，且沿着流道流向高度逐渐降低，形成坡度；从微流道俯视图来看，整个微流道形成了一个正六边形的流道；由于沿着气体流向，分割脊的高度逐渐降低，从出口端看截面的高度低于入口端，截面的形状一样，高度不同。
当燃料电池工作时，反应气体由进气孔进入并进行电化学反应，由于每个微流道的梯度特征符合泰勒毛细升理论，所以生成的水与反应气体在定向导流体处定向输送，流经上游域与下游域的主、副流道与各微流道，最终汇聚在下游域的出气孔，这种定向输送机制可大幅度提升反应效率与排水效率，改善燃料电池的水管理，最终提升燃料电池的功率效率与稳定性，延长了使用寿命。
双极板主体采用石墨、金属材料、复合材料中的一种；上游域与下游域的微流道宽度t与脊的宽度d1符合2/3d1≤t≤3/4d1；主流道的宽度为2-3mm，副流道的宽度从主流道至两侧按等差数列递减，公差为0.1-0.2mm，脊的宽度为1-2mm，高度为1-2mm；在主流道与副流道的挡板的表面倾斜角α为60°-70°，挡板在水平方向与脊垂直相交，其垂直高度d2为脊高度h1的1/3-2/3，厚度为 0.4-0.7mm；二级流道的宽度w为1/4的微流道宽度E。
本发明描述了一种具有仿生六边形流道的燃料电池双极板设计及方法，该设计具有相同质量下刚度最强的特点，同时通过优化微流道结构达到均匀分配反应气体、及时将反应生成的水排出的目的，以此提高燃料电池的发电效率、性能以及使用寿命，是燃料电池双极板设计的趋势。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种仿生六边形流场的燃料电池双极板，其特征在于：包括：双极板主体(1)、主流道(2)、脊(3)、副流道(4)、上分流流道(5)、下合流流道(6)、进气孔(7)、出气孔(8)、上游域微流道(9)、下游域微流道(10)及各部分挡板(11)；
所述主流道(2)刻在双极板主体(1)前表面的竖直中心，方向沿竖直方向，其表面与双极板主体表面平行；
所述副流道(4)刻在双极板主体(1)的前表面，位于主流道(2)的两侧，且表面与主流道(2)平面保持平行，副流道宽度由竖直中心到两侧逐渐递减，关于竖直中心呈对称分布；
所述主流道(2)与相邻的副流道(4)之间形成脊(3)，脊(3)表面平行于主流道表面；
所述上分流流道(5)与下合流流道(6)位于双极板主体(1)的前表面，在各个脊(3)的上端、下端，与主流道(2)与副流道(4)连通；
在上分流流道(5)的中心正对着主流道设置有进气孔(7)，在与进气孔(7)相对的下合流流道(6)的中心正对着主流道设置有出气孔(8)；
双极板的上游域与下游域流场的划分以水平中心为准；
位于上游域的每个脊(3)上设置有N个上游域微流道(9)，在同一个脊(3)上的各个上游域微流道呈等间距排列，上游域微流道方向垂直于脊(3)，方向从竖直中心到两侧，所有上游域微流道的表面与主流道(2)表面平行；
挡板(11)仅分布在上游域的主流道(2)、副流道(4)中，位于相邻脊(3)最后一个上游域微流道下方，且挡板从主流道(2)或副流道(4)的底面向双极板主体(1)的前表面具有向下倾斜的角度；
位于下游域的每个脊上设置有N个下游域微流道(10)，在同一个脊(3) 上的各个下游域微流道(10)呈等间距排列，下游域微流道方向垂直于脊(3)，方向从竖直中心到两侧，所有下游域微流道(10)的表面与主流道(2)表面平行。
2.根据权利要求1所述的一种仿生六边形流场的燃料电池双极板，其特征在于：
上游域各微流道(9)与下游域各微流道(10)的位置关于水平中心对称分布；
各个上游域微流道(9)、下游域微流道(10)在布置站位上按照正六边形的形状安排。
3.根据权利要求1所述的一种仿生六边形流场的燃料电池双极板，其特征在于：
进入的反应气体由上分流流道(5)被分配到主流道(2)和各个副流道(4)；
副流道(4)的宽度从竖直中心到两侧逐渐减小，保证在各副流道中的反应气体流速相同；
当反应气体在上游域时，由于挡板(11)的存在且向外倾斜，反应气体不会通过主流道(2)直接传送至出气孔(7)，而是通过上游域微流道(9)定向地从主流道(2)传输至副流道(4)；
当反应气体通过上游域反应后进入到下游域时，一部分反应气体会通过下游域微流道(10)由两侧的副流道(4)定向传输至主流道(2)并到达出气孔(7)，另一部分会通过主流道(2)直接到达出气孔(7)。
4.根据权利要求1所述的一种仿生六边形流场的燃料电池双极板，其特征在于：
反应生成的水通过定向的传输机制由两侧的副流道(4)与下合流流道(6)传送至主流道(2)并到达出气孔(7)。
5.根据权利要求1所述的一种仿生六边形流场的燃料电池双极板，其特征在于：
每一个上游域微流道(9)由以下部分组成：分割脊A(12)、定向导流体A(13)与微流道A(14)；
上游域微流道(9)的流向为从竖直中心向两侧的方向，入口端在竖直中心一侧，出口在两侧的方向；微流道A(14)是以垂直分割脊A(12)的方向刻在其上，且微流道A(14)的表面与主流道(2)的表面处在同一平面；以微流道A(14)的入口端为正视图，在中心位置设置分割脊A(12)，将微流道A(14)分为两个对称的分流道，同时分割脊A(12)的高度小于脊(3)的高度，且沿着流道流向高度逐渐降低，形成坡度；整个微流道A(14)形成一个正六边形的流道；沿着气体流向，分割脊A(12)的高度逐渐降低，从出口端看截面的高度低于入口端，截面的形状一样，高度不同。
6.根据权利要求1所述的一种仿生六边形流场的燃料电池双极板，其特征在于：
每一个下游域微流道(10)由以下部分组成：分割脊B(15)、定向导流体B(16)与微流道B(17)；下游域微流道(10)的流向为从两侧方向向竖直中心，入口端在两侧的方向，出口端在竖直中心一侧；微流道B(17)以垂直分割脊B(15)的方向刻在其上，且微流道B(17)的表面与主流道(2)的表面处在同一平面；在中心位置设置分割脊B(15)，将微流道B(17)分为两个对称的分流道，分割脊B(15)的高度小于脊(3)的高度，沿着流道流向高度逐渐降低，形成坡度；整个微流道B(17)形成一个正六边形的流道；沿着气体流向，分割脊B(15)的高度逐渐降低，从出口端看截面的高度低于入口端，截面的形状一样，高度不同。
7.根据权利要求1所述的一种仿生六边形流场的燃料电池双极板，其特征在于：
当燃料电池工作时，反应气体由进气孔(7)进入并进行电化学反应，每个微流道A(14)、微流道B(17)的梯度特征符合泰勒毛细升理论，生成的水与反应气体在定向导流体A(13)、定向导流体B(16)处定向输送，流经上游域与下游域的主流道(2)、副流道(4)与各微流道A(14)、微流道B(17)，最终汇聚在下游域的出气孔(7)。
8.根据权利要求1所述的一种仿生六边形流场的燃料电池双极板，其特征在于：
所述双极板主体(1)为薄平板，材料采用石墨、金属材料、复合材料中的一种。
9.根据权利要求1所述的一种仿生六边形流场的燃料电池双极板，其特征在于：
上游域与下游域的微流道A(14)、微流道B(17)宽度t与脊的宽度d1符合2/3d1≤t≤3/4d1；
主流道(2)的宽度为2-3mm，
副流道(4)的宽度从主流道(2)至两侧按等差数列递减，公差为0.1-0.2mm，
脊(3)的宽度为1-2mm，高度为1-2mm；
在主流道(2)与副流道(4)的挡板(11)的表面倾斜角为60°-70°，
挡板(11)在水平方向与脊(3)垂直相交，挡板垂直高度为脊(3)高度的1/3-2/3，厚度为0.4-0.7mm；二级流道(18)的宽度为1/4的微流道A14、微流道B17宽度。
10.根据权利要求1所述的一种仿生六边形流场的燃料电池双极板，其特征在于：
所述主流道(2)与相邻的副流道(4)之间形成脊(3)，形成的脊(3)宽度相同；
所述N个上游域微流道，N≥3；
所述N个下游域微流道；N≥3。
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| WO2023241219A1 (zh) * | 2022-06-17 | 2023-12-21 | 一汽奔腾轿车有限公司 | 一种具有仿生六边形流道的燃料电池双极板 |
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