CN115832351B

CN115832351B - 一种燃料电池流场结构及其设计方法

Info

Publication number: CN115832351B
Application number: CN202310005309.9A
Authority: CN
Inventors: 刘翀; 李传宝; 崔天龙; 徐张栋
Original assignee: Aideman Hydrogen Energy Equipment Co ltd
Current assignee: Aideman Hydrogen Energy Equipment Co ltd
Priority date: 2023-01-04
Filing date: 2023-01-04
Publication date: 2023-04-18
Anticipated expiration: 2043-01-04
Also published as: CN115832351A

Abstract

本发明公开了一种燃料电池流场结构，涉及燃料电池技术领域，包括极板以及布设在极板上的流场入口和流场出口，流场入口连接有进气主流道，流场出口连接有出气主流道，在进气主流道和出气主流道之间设置有N条宽度相等的分支流道，且进气主流道和出气主流道与分支流道的连接拐点处均设置有圆角以降低流阻损失，相邻的两条分支流道之间形成有脊背，脊背靠近主流道和分支流道连接点的一侧设置有分支结构，分支结构的迎风面设置为尖角以降低流体冲击面的面积；还提供了该流场结构的设计方法，通过将分支结构的迎风面设置为尖角，并将主流道和分支流道的各连接拐点处以及尖角的顶点处均设置为圆角从而降低流阻损失以使得燃料电池的反应效率提升。

Description

一种燃料电池流场结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池流场结构及其设计方法。

背景技术

氢燃料电池是氢气和空气或纯氧在有冷却介质的条件下发生电化学反应产生电能。由于单节燃料电池释放的电能有限，一般情况下都把上百个电池串联在一起形成一个电堆来使用，因此，除反应区外不论阴极板、阳极板都要有相应通道，以使氢气、空气和冷却水可以由第一节电池贯通至最后一节电池，回路也是同样道理，即每块极板都存在对应三种物料进出的六个公共通道，如图2所示。

为了提升燃料电池的反应效率，发电区要尽可能铺满整块极板，但进气口只能在其中一端且对角分布，公共流道窄，发电区域宽，故气体流道分主干与分支。并且发电区每一条流道气量要尽可能的分配均匀，所以气体分流处设计的好坏对燃料电池性能的影响很大。而现有的技术只满足最基本原则，即流道宽度等分即可，如图3所示。实际上分流结构尺寸越大，越不利于平均分流，且气体流阻比较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池流场结构及其设计方法，以解决现有技术中分流结构尺寸大不利于平均分流且气体流阻较大的技术问题。

本发明提供一种燃料电池流场结构，包括极板以及布设在所述极板上的流场入口和流场出口，所述流场入口连接有进气主流道，所述流场出口连接有出气主流道，在所述进气主流道和出气主流道之间设置有N条宽度相等的分支流道，且所述进气主流道和所述出气主流道与所述分支流道的连接拐点处均设置有圆角以降低流阻损失，相邻的两条分支流道之间形成有脊背，所述脊背靠近所述主流道和所述分支流道连接点的一侧设置有分支结构，所述分支结构的迎风面设置为尖角以降低流体冲击面面积。

进一步地，所述进气主流道设置有多条，每一条所述进气主流道均连接有N条宽度相等的分支流道，且N条所述分支流道连接同一条所述出气主流道。

进一步地，在所述分支结构的尖角顶点处也设置有圆角。

本发明还提供了一种燃料电池流场结构的设计方法，包括如下步骤：

在进气主流道和出气主流道之间设置N条宽度相等的分支流道；

在进气主流道的出口端设置分支结构以使得沿进气主流道流出的流体运动至分支结构处被均匀分成N股，并将N个分支流道与N股流体对接；

在进气主流道和分支流道的连接拐点处设置圆角以降低流阻损失。

进一步地，在N=2时，将两条分支流道的边界线由上至下依次记为L11、L9、L4和L2，并将与L11连接的进气主流道的一边界记为L1，将与L2连接的进气主流道的另一边界记为L8；

所述分支结构的设置具体包括：

步骤101、在进气主流道的出口端寻找点A以使得：L6=L7=R；

其中，L6为点A到L1的距离L6；L7为点A到L2的距离；R为分支流道的宽度；

步骤102、过A作平行于L1的直线，记为L5；

步骤103、L5和L4形成的尖角结构构成所述分支结构。

进一步地，在进气主流道的出口端寻找点A具体包括：

在L1和L2之间作两个圆以使得两个圆均与L1和L2相切，连接两个圆的圆心获得直线L3，将L3的延长线和L4的交点记为点A。

进一步地，在进气主流道和分支流道的连接拐点处设置圆角具体包括：

步骤201、过点A作与L1和L2相切的公切圆，并将公切圆与L1的切点记为点C，将公切圆与L2的切点记为点B；

步骤202、三点法画圆X以使得圆X能够同时与L2和L8相切且其中一个切点为B，则L2和L8的连接拐点处的倒角半径等于圆X的半径记为R3；

步骤203、三点法画圆Y以使得圆Y能够同时与L5和L9相切且其中一个切点为点A，则L5和L9的连接拐点处的倒角半径等于圆Y的半径记为R2；

步骤204、三点法画圆Z以使得圆Z能够同时与L1和L11相切且其中一个切点为C，则L1与L11的连接拐点处的倒角半径等于圆Z的半径记为R1。

进一步地，在步骤103中，还包括在分支结构的尖角结构处设置圆角。

进一步地，所述分支结构处的圆角半径R4满足：0.1≤R4＜L10/2；其中L10为脊背宽度。

与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：

本发明在气体流道中设置分支结构以保证流道宽度均等，并且将分支结构的迎风面设置为尖角，从而尽可能减小气体直接冲击面的面积，同时，本发明将主流道和分支流道的各连接拐点处以及尖角的顶点处均设置为圆角从而降低流阻损失，通过多手段联合作用使得燃料电池的反应效率提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的燃料电池流场结构示意图；

图2为现有技术提供的电极板气体分流结构图；

图3为本发明实施例提供的进气主流道和分支流道的连接结构示意图；

图4为本发明实施例提供的流场结构设计方法的流程图。

附图标记：

10、极板；20、流场入口；30、流场出口；40、进气主流道；50、出气主流道；60、分支流道；70、脊背；80、分支结构。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。

通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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。

下面结合图1和图3所示，本发明实施例提供了一种燃料电池流场结构，包括极板10以及布设在所述极板10上的流场入口20和流场出口30，所述流场入口20连接有进气主流道40，所述流场出口30连接有出气主流道50，其特征在于，在所述进气主流道40和出气主流道50之间设置有N条宽度相等的分支流道60，且所述进气主流道40和所述出气主流道50与所述分支流道60的连接拐点处均设置有圆角以降低流阻损失，相邻的两条分支流道60之间形成有脊背70，所述脊背70靠近所述主流道和所述分支流道60连接点的一侧设置有分支结构80，所述分支结构80的迎风面设置为尖角以降低流体冲击面的面积。

具体地，所述进气主流道40设置有多条，每一条所述进气主流道40均连接有N条宽度相等的分支流道60，且N条所述分支流道60连接同一条所述出气主流道50。

进一步地，为了降低尖角处的流阻损失，在所述分支结构80的尖角顶点处也设置有圆角。

如图4所示，基于上述流场结构，本发明还提供了一种燃料电池流场结构的设计方法，包括如下步骤：

在进气主流道40和出气主流道50之间设置N条宽度相等的分支流道60；

在进气主流道40的出口端设置分支结构80以使得沿进气主流道40流出的流体运动至分支结构80处被均匀分成N股，并将N个分支流道60与N股流体对接以实现气体的平均分流；

在进气主流道40和分支流道60的连接拐点处设置圆角以降低流阻损失。

在一个具体的实施例中，每一条进气主流道40和出气主流道50之间共同连接有2条分支流道60，即在N=2时，将两条分支流道60的边界线由上至下依次记为L11、L9、L4和L2，并将与L11连接的进气主流道40的一边界记为L1，将与L2连接的进气主流道40的另一边界记为L8；

所述分支结构80的设置具体包括：

步骤101、在进气主流道40的出口端寻找点A以使得：L6=L7=R；

其中，L6为点A到L1的距离L6；L7为点A到L2的距离；R为分支流道60的宽度；

这里的L6和L7相当于分支流道60的宽窄，两者大小一致才能保证分流理论上均等。

步骤102、过A作平行于L1的直线，记为L5，即中间分流的脊背70的边界找到；

步骤103、L5和L4形成的尖角结构构成所述分支结构80，并且为了避免尖角处于流体直接冲撞，还可以在分支结构80的尖角结构处设置圆角，优选地，所述分支结构80处的圆角半径R4满足：0.1≤R4＜L10/2；其中L10为脊背70宽度。

本发明实施例提供了一种在进气主流道40的出口端寻找点A的具体方式包括：

这里的点A实际上也是L1和L2延长线形成的夹角的平分线与L4的交点，因此也可以通过角平分线的方式获得L3。

在点A获得后，在进气主流道40和分支流道60的连接拐点处设置圆角，具体包括：

步骤204、三点法画圆Z以使得圆Z能够同时与L1和L11相切且其中一个切点为C，或者也可以采用过C点且与R2为半径的圆同心做圆Z，这个圆Z与L1和L11一定相切，L1与L11的连接拐点处的倒角半径等于圆Z的半径记为R1。

上述步骤给出了进气主流道40和分支流道60之间连接的设计方法，而在本发明实施例中，出气主流道50和分支流道60之间的连接方式与其相同，均是采用分支结构80并设置倒角的形式，不同的在于流道内流体的流动方向不同，因此在这里不再过多赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种燃料电池流场结构的设计方法，其特征在于，燃料电池流场结构包括极板（10）以及布设在所述极板（10）上的流场入口（20）和流场出口（30），所述流场入口（20）连接有进气主流道（40），所述流场出口（30）连接有出气主流道（50），在所述进气主流道（40）和出气主流道（50）之间设置有N条宽度相等的分支流道（60），且所述进气主流道（40）和所述出气主流道（50）与所述分支流道（60）的连接拐点处均设置有圆角以降低流阻损失，相邻的两条分支流道（60）之间形成有脊背（70），所述脊背（70）靠近所述进气主流道（40）和所述分支流道（60）连接点的一侧设置有分支结构（80），所述分支结构（80）的迎风面设置为尖角以降低流体冲击面面积，设计方法包括如下步骤：

在进气主流道（40）和出气主流道（50）之间设置N条宽度相等的分支流道（60）；

在进气主流道（40）的出口端设置分支结构（80）以使得沿进气主流道（40）流出的流体运动至分支结构（80）处被均匀分成N股，并将N个分支流道（60）与N股流体对接；

在进气主流道（40）和分支流道（60）的连接拐点处设置圆角以降低流阻损失；

在N=2时，将两条分支流道（60）的边界线由上至下依次记为L11、L9、L4和L2，并将与L11连接的进气主流道（40）的一边界记为L1，将与L2连接的进气主流道（40）的另一边界记为L8；

所述分支结构（80）的设置具体包括：

步骤101、在进气主流道（40）的出口端寻找点A以使得：L6=L7=R；

其中，L6为点A到L1的距离；L7为点A到L2的距离；R为分支流道（60）的宽度；

步骤102、过A作平行于L1的直线，记为L5；

步骤103、L5和L4形成的尖角结构构成所述分支结构（80）。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池流场结构的设计方法，其特征在于，所述进气主流道（40）设置有多条，每一条所述进气主流道（40）均连接有N条宽度相等的分支流道（60），且N条所述分支流道（60）连接同一条所述出气主流道（50）。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池流场结构的设计方法，其特征在于，在进气主流道（40）的出口端寻找点A具体包括：

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池流场结构的设计方法，其特征在于，在进气主流道（40）和分支流道（60）的连接拐点处设置圆角具体包括：

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池流场结构的设计方法，其特征在于，在步骤103中，还包括在分支结构（80）的尖角结构处设置圆角。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池流场结构的设计方法，其特征在于，所述分支结构（80）处的圆角半径R4满足：0.1≤R4＜L10/2；其中L10为脊背（70）宽度。