CN115692759A - 一种燃料电池双极板流场结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，公开了一种燃料电池双极板流场结构，包括基板、阳极板和阴极板，所述基板上设置有阳极板，所述阳极板的下方设置有阴极板，所述基板上方的一端设置有燃料气体进口，所述基板上方的另一端设置有氧气出口，所述燃料气体进口的下方设置冷却液进口，所述冷却液进口的下方设置有氧气进口。本发明通过在流场区设置若干导流板、燃料气体流道、粗糙层和多个挡风板，便于气体遇到粗糙层和挡风板时，气体流速降低，气体压力增高，把流道内的气体推向膜电极从而参与燃料电池内的电化学反应，当气体继续移动到平行板之间，气体的流动没有阻挡，气体压力降低，使得进口、出口之间的压差减少，强化了燃料电池内部的传质能力。

Description

一种燃料电池双极板流场结构

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体是一种燃料电池双极板流场结构。

背景技术

作为一种零污染、高效率、将燃料的化学能直接转变为电能的发电装置，燃料电池已经被越来越多的应用于交通车辆、分布式电站、便携式电源等众多领域置，它具有功率密度高、能量转化效率高、常温启动快、对环境污染小、灵活等特点。燃料电池的关键部件是膜电极和双极板，双极板是燃料电池的核心部件，双极板流道合理的设计直接影响电堆性能和寿命，常见的质子交换膜燃料电池双极板的流场有蛇形流场、平行流场、交指形流场等，蛇形、交指形等新型流场可以促进质子交换膜燃料电池内物质传输，但是压降大，加工复杂是其主要缺点。平行流场压降小，易于加工，是目前应用最多的流场形式，通过增加阻块，一方面强迫反应气体进入扩散层，另一方面也有助于生成水的排出。这将提高物质传输能力，减小浓差极化的影响，提高质子交换膜燃料电池性能。但是，这种方法会引起巨大的压降差，导致额外的能量消耗产生，并且平行流场内的气体不够均匀，因此提出一种燃料电池双极板流场结构。

中国专利公开了燃料电池双极板流场结构(授权公告号CN107681174A)，该专利技术包括阳极流场、阴极流场和冷却流场，冷却流场位于阳极流场与阴极流场之间，冷却流场包括位于第一层的一半冷却流道和位于第二层的另一半冷却流道，一半冷却流道沿着构成阳极流场的阳极流道的间隙排布且与阳极流道相间排布，另一半冷却流道沿着构成阴极流场的阴极流道的间隙排布且与阴极流道相间排布，此种设计排布，利于冷却流场中的冷却介质与反应电堆的充分接触；阳极流场与阴极流场皆采用蛇形流场，增加流道的长度，蛇形流场设有至少一条蛇形流道，蛇形流道可以限制气体在从进气口向反应区传输的过程中形成湍流，气体在蛇形流场中传输面积较小，路程较长，气体在流场中的流速就较大，入口与出口间的压差也就较大，有利于燃料电池中反应生成水的排出，避免流道堵塞；在尽可能大的增大双极板中流场反应区面积的情况下，合理设计蛇形流道的条数，尽可能的减小压降和气体传输阻力，使气体分布均匀，提高燃料电池的功率密度，提升燃料电池发电性能，但是其气体或者液体流动的过程不够均匀，进出口之间存在压差，影响装置正常使用，并且装置内部冷却液的流动速度较为缓慢，流动不够顺畅，容易出现局部温度过高的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池双极板流场结构，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种燃料电池双极板流场结构，包括基板、阳极板和阴极板，所述基板上设置有阳极板，所述阳极板的下方设置有阴极板，所述基板上方的一端设置有燃料气体进口，所述基板上方的另一端设置有氧气出口，所述燃料气体进口的下方设置冷却液进口，所述冷却液进口的下方设置有氧气进口，所述氧气出口的下方设置有冷却液出口，所述冷却液出口的下方设置有燃料气体出口，所述基板上方的中部设置有流场区，所述流场区的两侧设置有分散区，所述分散区内部的一侧设置有若干分流板，所述分流板的一侧设置有若干凸台，所述分流板和凸台错位排列，所述流场区的内部设置有若干导流板，所述导流板之间设置有燃料气体流道，所述燃料气体流道之间设置有粗糙层，所述粗糙层的上方设置有多个挡风板。

作为本发明再进一步的方案：所述阳极板和阴极板之间设置有膜电极，所述膜电极的外侧设置有防护层。

作为本发明再进一步的方案：所述燃料气体进口和燃料气体出口内部的一侧设置有若干燃料气体通道，所述氧气进口和氧气出口内部的一侧设置有若干氧气通道。

作为本发明再进一步的方案：所述冷却液进口内部的一侧设置有若干第一冷却液通道，所述冷却液出口的一侧设置有若干第二冷却液通道，所述第二冷却液通道的直径小于第一冷却液通道。

作为本发明再进一步的方案：所述导流板的中部设置有弧形板，所述弧形板的两侧设置有平行板，所述基板上靠近上下导流板设置有挡板。

作为本发明再进一步的方案：所述基板上靠近内圈燃料气体流道之间设置有中心圆台，所述弧形板的弧度由中心圆台向外逐渐递减。

作为本发明再进一步的方案：所述阳极板和膜电极之间设置有冷却液流道，所述阴极板和膜电极之间设置有氧气流道。

作为本发明再进一步的方案：所述冷却液流道的内部设置有若干导流凸台，所述导流凸台呈一定的倾斜角度，所述导流凸台的表面设置有耐腐蚀涂层。

作为本发明再进一步的方案：所述基板、阳极板和阴极板的基材可选择石墨、钛合金、复合石墨树脂材料中的任意一种。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过在基板上方的两端设置有分散区，分散区之间设置有流场区，分散区的内部设置有若干分流板和凸台，便于通过将燃料、冷却液、氧气导入相应的流场后，利用分流板能够快速的将气体或者液体进行分散引流，同时利用凸台能够将气体或者液体向四周均匀的分布，从而能够均匀的流场区，利于提高后期反应效果，同时流场区的内部设置有中心圆台和若干导流板，导流板由平行板和弧形板组成，导流板之间设置有燃料气体流道，燃料气体流道之间设置有粗糙层和多个挡风板，便于气体进入流场区时，利用燃料气体流道，气体从进口到出口流动的过程中，遇到粗糙层和挡风板时，燃料气体流道变窄，气体流速降低，气体压力增高，把流道内的气体推向膜电极从而参与燃料电池内的电化学反应，当气体继续移动再次移动到平行板之间，燃料气体流道的面积增大，气体的流动没有阻挡，气体压力降低，使得进口、出口之间的压差减少，强化了燃料电池内部的传质能力。

2、通过在冷却液进口内部的一侧设置有多个第一冷却液通道，冷却液出口内部的一侧设置有多个第二冷却液通道，第一冷却液通道大于第二冷却液通道，使得冷却液在进入冷却液流道的过程中，由于出口的直径小于进口，从而使得冷却液液体的流速得到增加，避免气体流速过快，导致冷却不够快速全面的问题，使得流场区燃料、氧气以及冷却液能够在通道内的移动以及发生反应趋于一致，不会出现局部集中的剧烈反应的问题，电流的密度更加均匀，不会造成阴极板和阳极板局部温度过高的问题，同时冷却液流道的内部设置有多个导流凸台，使得液体在流动的过程中形成落差，液体的流动更加均匀分散，不会造成停滞的情况，促进阴极板、阳极板反应去均匀的热交换，冷却液从第一冷却液通道到第二冷却液通道的流动更加顺畅，保证装置的正常使用。

附图说明

图1为一种燃料电池双极板流场结构的主视图；

图2为图1中A的放大结构示意图；

图3为图1中B的放大结构示意图；

图4为一种燃料电池双极板流场结构中部分侧视剖面图；

图5为图4中C的侧视剖面图。

图中：1、基板；2、燃料气体进口；3、冷却液进口；4、氧气进口；5、燃料气体出口；6、冷却液出口；7、氧气出口；8、燃料气体通道；9、第一冷却液通道；10、第二冷却液通道；11、分流板；12、凸台；13、挡板；14、平行板；15、弧形板；16、导流板；17、粗糙层；18、燃料气体流道；19、分散区；20、流场区；21、氧气通道；22、挡风板；23、中心圆台；24、阳极板；25、阴极板；26、膜电极；27、防护层；28、氧气流道；29、冷却液流道；30、导流凸台；31、耐腐蚀涂层。

具体实施方式

请参阅图1～5，本发明实施例中，一种燃料电池双极板流场结构，包括基板1、阳极板24和阴极板25，基板1上设置有阳极板24，阳极板24的下方设置有阴极板25，基板1上方的一端设置有燃料气体进口2，基板1上方的另一端设置有氧气出口7，燃料气体进口2的下方设置冷却液进口3，冷却液进口3的下方设置有氧气进口4，氧气出口7的下方设置有冷却液出口6，冷却液出口6的下方设置有燃料气体出口5，方便燃料、冷却液、氧气的进出，从而实现充分的反应，基板1上方的中部设置有流场区20，流场区20的两侧设置有分散区19，分散区19内部的一侧设置有若干分流板11，分流板11的一侧设置有若干凸台12，分流板11和凸台12错位排列，从而利于对气体或者液体进行引流分散，便于通过将燃料、冷却液、氧气导入相应的流场后，利用分流板11能够快速的将气体或者液体进行分散引流，同时利用凸台12能够将气体或者液体向四周均匀的分布，从而能够均匀的流场区20，利于提高后期反应效果，流场区20的内部设置有若干导流板16，导流板16之间设置有燃料气体流道18，燃料气体流道18之间设置有粗糙层17，粗糙层17的上方设置有多个挡风板22，便于气体进入流场区20时，利用燃料气体流道18，气体从进口到出口流动的过程中，遇到粗糙层17和挡风板22时，燃料气体流道变窄，气体流速降低，气体压力增高，把流道内的气体推向膜电极从而参与燃料电池内的电化学反应，当气体继续移动再次移动到平行板14之间，燃料气体流道18的面积增大，气体的流动没有阻挡，气体压力降低，使得进口、出口之间的压差减少，强化了燃料电池内部的传质能力。

在图4中：阳极板24和阴极板25之间设置有膜电极26，为燃料电池提供了多相物质传递的微通道和电化学反应场所，膜电极26的外侧设置有防护层27。

在图1中：燃料气体进口2和燃料气体出口5内部的一侧设置有若干燃料气体通道8，氧气进口4和氧气出口7内部的一侧设置有若干氧气通道21，便于将气体从所属的通道内排出。

在图1和2中：冷却液进口3内部的一侧设置有若干第一冷却液通道9，冷却液出口6的一侧设置有若干第二冷却液通道10，第二冷却液通道10的直径小于第一冷却液通道9，于出口的直径小于进口，从而使得冷却液液体的流速得到增加，避免气体流速过快，导致冷却不够快速全面的问题，使得流场区20燃料、氧气以及冷却液能够在通道内的移动以及发生反应趋于一致，不会出现局部集中的剧烈反应的问题，电流的密度更加均匀。

在图1和3中：导流板16的中部设置有弧形板15，弧形板15的两侧设置有平行板14，减少了以往蛇形流场阻力大的问题，降低了气体沿流道方向的压力差，基板1上靠近上下导流板16设置有挡板13。

在图1和3中：基板1上靠近内圈燃料气体流道18之间设置有中心圆台23，弧形板15的弧度由中心圆台23向外逐渐递减，使得气体在流动的过程中，流动的路程趋于一致，从而保证后期的正常反应效果。

在图4中：阳极板24和膜电极26之间设置有冷却液流道29，阴极板25和膜电极26之间设置有氧气流道28，保证冷却液和氧气的正常流通，保证后续反应效果，使得流场区20燃料、氧气以及冷却液能够在通道内的移动以及发生反应趋于一致，不会出现局部集中的剧烈反应的问题，电流的密度更加均匀，不会造成阴极板25和阳极板24局部温度过高的问题。

在图5中：冷却液流道29的内部设置有若干导流凸台30，导流凸台30呈一定的倾斜角度，使得液体在流动的过程中形成落差，液体的流动更加均匀分散，不会造成停滞的情况，促进阴极板25、阳极板24反应去均匀的热交换，冷却液从第一冷却液通道9到第二冷却液通道10的流动更加顺畅，保证装置的正常使用，导流凸台30的表面设置有耐腐蚀涂层31，使得装置不易腐蚀，从而装置的使用寿命得到增加。

在图1中：基板1、阳极板24和阴极板25的基材可选择石墨、钛合金、复合石墨树脂材料中的任意一种，当基材是石墨时，可采用机雕加工成型工艺制造，当基材是钛合金时，可采用冲压、辊压、蚀刻成型工艺制造，当基材是复合石墨树脂材料时，可采用模压、辊压成型工艺制造。

本发明的工作原理是：在使用该装置时，通过在基板1上方的两端设置有分散区19，分散区19之间设置有流场区20，分散区19的内部设置有若干分流板11和凸台12，便于通过将燃料、冷却液、氧气导入相应的流场后，利用分流板11能够快速的将气体或者液体进行分散引流，同时利用凸台12能够将气体或者液体向四周均匀的分布，从而能够均匀的流场区20，利于提高后期反应效果，同时流场区20的内部设置有中心圆台23和若干导流板16，导流板16由平行板14和弧形板15组成，导流板16之间设置有燃料气体流道18，燃料气体流道18之间设置有粗糙层17和多个挡风板22，便于气体进入流场区20时，利用燃料气体流道18，气体从进口到出口流动的过程中，遇到粗糙层17和挡风板22时，燃料气体流道变窄，气体流速降低，气体压力增高，把流道内的气体推向膜电极从而参与燃料电池内的电化学反应，当气体继续移动再次移动到平行板14之间，燃料气体流道18的面积增大，气体的流动没有阻挡，气体压力降低，使得进口、出口之间的压差减少，强化了燃料电池内部的传质能力，通过在冷却液进口3内部的一侧设置有多个第一冷却液通道9，冷却液出口6内部的一侧设置有多个第二冷却液通道10，第一冷却液通道9大于第二冷却液通道10，使得冷却液在进入冷却液流道的过程中，由于出口的直径小于进口，从而使得冷却液液体的流速得到增加，避免气体流速过快，导致冷却不够快速全面的问题，使得流场区20燃料、氧气以及冷却液能够在通道内的移动以及发生反应趋于一致，不会出现局部集中的剧烈反应的问题，电流的密度更加均匀，不会造成阴极板25和阳极板24局部温度过高的问题，同时冷却液流道的内部设置有多个导流凸台30，使得液体在流动的过程中形成落差，液体的流动更加均匀分散，不会造成停滞的情况，促进阴极板25、阳极板24反应去均匀的热交换，冷却液从第一冷却液通道9到第二冷却液通道10的流动更加顺畅，保证装置的正常使用。

以上所述的，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种燃料电池双极板流场结构，包括基板(1)、阳极板(24)和阴极板(25)，所述基板(1)上设置有阳极板(24)，所述阳极板(24)的下方设置有阴极板(25)，其特征在于，所述基板(1)上方的一端设置有燃料气体进口(2)，所述基板(1)上方的另一端设置有氧气出口(7)，所述燃料气体进口(2)的下方设置冷却液进口(3)，所述冷却液进口(3)的下方设置有氧气进口(4)，所述氧气出口(7)的下方设置有冷却液出口(6)，所述冷却液出口(6)的下方设置有燃料气体出口(5)，所述基板(1)上方的中部设置有流场区(20)，所述流场区(20)的两侧设置有分散区(19)，所述分散区(19)内部的一侧设置有若干分流板(11)，所述分流板(11)的一侧设置有若干凸台(12)，所述分流板(11)和凸台(12)错位排列，所述流场区(20)的内部设置有若干导流板(16)，所述导流板(16)之间设置有燃料气体流道(18)，所述燃料气体流道(18)之间设置有粗糙层(17)，所述粗糙层(17)的上方设置有多个挡风板(22)。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板流场结构，其特征在于，所述阳极板(24)和阴极板(25)之间设置有膜电极(26)，所述膜电极(26)的外侧设置有防护层(27)。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板流场结构，其特征在于，所述燃料气体进口(2)和燃料气体出口(5)内部的一侧设置有若干燃料气体通道(8)，所述氧气进口(4)和氧气出口(7)内部的一侧设置有若干氧气通道(21)。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板流场结构，其特征在于，所述冷却液进口(3)内部的一侧设置有若干第一冷却液通道(9)，所述冷却液出口(6)的一侧设置有若干第二冷却液通道(10)，所述第二冷却液通道(10)的直径小于第一冷却液通道(9)。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板流场结构，其特征在于，所述导流板(16)的中部设置有弧形板(15)，所述弧形板(15)的两侧设置有平行板(14)，所述基板(1)上靠近上下导流板(16)设置有挡板(13)。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池双极板流场结构，其特征在于，所述基板(1)上靠近内圈燃料气体流道(18)之间设置有中心圆台(23)，所述弧形板(15)的弧度由中心圆台(23)向外逐渐递减。

7.根据权利要求2所述的一种燃料电池双极板流场结构，其特征在于，所述阳极板(24)和膜电极(26)之间设置有冷却液流道(29)，所述阴极板(25)和膜电极(26)之间设置有氧气流道(28)。

8.根据权利要求7所述的一种燃料电池双极板流场结构，其特征在于，所述冷却液流道(29)的内部设置有若干导流凸台(30)，所述导流凸台(30)呈一定的倾斜角度，所述导流凸台(30)的表面设置有耐腐蚀涂层(31)。

9.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板流场结构，其特征在于，所述基板(1)、阳极板(24)和阴极板(25)的基材可选择石墨、钛合金、复合石墨树脂材料中的任意一种。

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