CN116314917B - 一种极板分配区结构 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种极板分配区结构，应用于燃料电池极板技术领域，包括极板；所述极板贴近膜电极的一侧设置有多个凸台，所述凸台设置于分配区，所述凸台呈条状，凸台的两端呈弧形，凸台相互平行设置，凸台的长度方向与气流的方向相同；凸台的侧边一体设置有突出部，突出部垂直于凸台的长度方向，突出部用于对气体进行扰流。凸台对气流进行导流，突出部对气流进行扰流，从而对进入和流出反应区流道的气体进行调节，平衡分配区的气流和压力，使得气流均匀进入到反应区，降低了气体流道水堵塞现象的发生，提高燃料电池的性能。

Description

一种极板分配区结构

技术领域

本申请涉及燃料电池极板技术领域，具体涉及一种极板分配区结构。

背景技术

质子交换膜氢燃料电池（PEMFC）核心部件之一是微流道双极板，起到均匀分配气体、收集电流、冷却和支撑等作用。目前，极板微流道槽宽约为 0.5~1.5 mm、深宽比为 0.5，材料主要有石墨、金属以及复合材料等，占电池总重量的 60%~80%、成本的 30%~40%、体积的 60%，是导致电池体积/质量功率密度低、成本高的主要因素之一。

燃料电池双极板起到分配反应气体、收集电流、排水、导热和机械支撑等多种重要作用。双极板的流场结构决定了有效反应面积比例、反应气体分布均匀性等，显著影响燃料电池功率、极板范围的电流密度分布、极板间电压一致性等多个重要参数，从而决定了燃料电池工作性能指标和使用寿命，是燃料电池结构设计的重要内容。典型的双极板流场主要有点状流场、平行直流道流场、交指形流道流场以及单通道蛇形流道流场等。

传统的极板分配区凸台只起到导流作用，且导流效果有限，由于导流的因素导致气流分布不均匀，进入反应区流道的气体流量压力不可控，影响电池耐久性能。

发明内容

有鉴于此，本说明书实施例提供一种极板分配区结构，提高极板分配区的导流效果，使得气流分布均匀，调节气体流量压力。

本说明书实施例提供以下技术方案：包括极板；

所述极板贴近膜电极的一侧设置有多个凸台，所述凸台设置于分配区，所述凸台呈条状，所述凸台的两端呈弧形，所述凸台相互平行设置，所述凸台的长度方向与气流的方向相同；

所述凸台的侧边一体设置有突出部，所述突出部垂直于凸台的长度方向，所述突出部用于对气体进行扰流。

可选地，所述凸台和所述突出部垂直于极板方向的截面呈梯形，所述梯形倒圆角设置。

可选的，所述突出部设置于凸台的一侧边。

可选地，每个所述突出部分别设置在凸台的同一侧边。

可选地，垂直于所述凸台长度方向上相邻的两凸台，相邻两所述凸台上的两所述突出部朝向相反，两所述凸台均设置有突出部的一侧形成为扰流通道，两所述凸台均未设置有突出部的一侧形成为导流通道。

可选地，沿所述凸台长度方向分布的凸台，相邻所述凸台上突出部不设置在同一侧。

可选地，沿所述凸台长度方向分布的凸台，所述凸台上突出部设置在同一侧。

可选地，位于所述极板边缘的凸台，所述凸台上的突出部朝向极板内侧设置。

可选地，所述凸台长度方向相邻两凸台之间的间距大于垂直于所述凸台长度方向相邻两凸台之间的间距。

可选地，所述凸台长度方向相邻两凸台之间的间距为5-8mm，垂直于所述凸台长度方向相邻两凸台之间的间距为2-3mm。

可选地，所述突出部的高度低于所述凸台的高度。

与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：

气流在两凸台之间通过，凸台对气流进行导流，突出部对气流进行扰流，从而对进入和流出反应区流道的气体进行调节，平衡分配区的气流和压力，使得气流均匀进入到反应区，降低了气体流道水堵塞现象的发生，提高燃料电池的性能，增加了极板对膜电极的支撑面积，降低了膜电极与极板分配区之间的应力；

突出部的高度低于凸台的高度。突出部对气流进行扰流，经过扰流的气流在突出部上方或者突出部的一侧流动，提高了气流在分配区的均匀性和流通能力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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获得其它的附图。

图1是本申请中极板与膜电极垂直于气流方向的剖面图；

图2是本申请中分配区与反应区的示意图；

图3是本申请中突出部同侧朝向反应区的示意图；

图4是本申请中突出部同侧背向反应区的示意图；

图5是本申请中突出部同侧相对设置的示意图；

图6是本申请中突出部异侧相对设置的示意图；

图7是本申请中突出部低于凸台的结构示意图。

图中：1、极板；2、膜电极；3、分配区；4、反应区；5、凸台；6、突出部。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践。

燃料电池极板1起到分配反应气体、收集电流、排水、导热和机械支撑等多种重要作用。极板1的流场结构决定了有效反应面积比例、反应气体分布均匀性等，显著影响燃料电池功率、极板1范围的电流密度分布、极板1间电压一致性等多个重要参数，从而决定了燃料电池工作性能指标和使用寿命，是燃料电池结构设计的重要内容。典型的双极板1流场主要有点状流场、平行直流道流场、交指形流道流场以及单通道蛇形流道流场等。

传统的极板1上分配区3的凸台5只起到导流作用，且导流效果有限，气流分布不均匀，进入反应区4流道的气体流量压力不可控，且传统分配区3的凸台5对膜电极2支撑时，膜电极2和极板1容易产生应力集中，影响电池耐久性能。

有鉴于此，发明人通过在极板1的凸台5上设置突出部6，调节凸台5与突出部6的相对位置关系，突出部6和凸台5对气体进行扰流和导流使得气流均匀地进入到反应区4。

基于此，本说明书实施例提出了一种金属极板1分配区3结构：以下结合附图，说明本申请各实施例提供的技术方案。

如图1所示，金属极板1分配区3结构包括极板1，极板1包括阴极板1和阳极板1，膜电极2设置于阴极板1和阳极板1之间，膜电极2紧贴于阴极板1和阳极板1。

极板1贴近膜电极2的一侧设置有多个凸台5，凸台5设置于分配区3，凸台5呈条状，凸台5的两端呈弧形，凸台5的高度为0.1-0.45mm，凸台5的高度与单电池的装配尺寸相匹配。凸台5相互平行设置，凸台5的长度方向与气流的方向相同。

如图2和图3所示，凸台5的长度方向与气流的流向相同，凸台5的长度方向为Y方向，垂直于凸台5长度方向的为X方向，凸台5的侧边一体设置有突出部6，即突出部6设置于凸台5的X方向，突出部6垂直于凸台5的长度方向，突出部6用于对气体进行扰流。

如图3所示，气流在相邻两凸台5之间通过，凸台5的方向与气流流动的方向相同，凸台5对气流进行导流，突出部6对气流进行扰流，分配区3设置在反应区4的两侧，从而对进入和流出反应区4流道的气体进行调节，平衡分配区3的气流和压力，使得气流均匀进入到反应区4，降低了气体流道水堵塞现象的发生，提高燃料电池的性能，增加了极板1对膜电极2的支撑面积，降低了膜电极2与极板1分配区3之间的应力。

如图3所示，Y方向相邻两凸台5之间的间距大于X方向相邻两凸台5之间的间距。凸台5长度方向相邻两凸台5之间的间距为5-8mm，垂直于凸台5长度方向相邻两凸台5之间的间距为2-3mm。

凸台5长度方向的凸台5对气流进行导气，垂直于凸台5长度方向的凸台5和突出部6可有效提高气体局部流速，增大压差，有利于排水和扰流。

如图1所示，凸台5和突出部6垂直于极板1方向的截面呈梯形，梯形倒圆角设置。气流在凸台5和突出部6贴近极板1的位置产生涡流，从而对气流进行扰流处理。

在一种可选的实施方式中，突出部6与凸台5的高度相同。

在一种可选的实施方式中，每个凸台5的两侧边均设置有突出部6。

在一种可选的实施方式中，突出部6设置于凸台5的一侧边。

如图3和图4所示，每个突出部6分别设置在凸台5的同一侧边。

突出部6与另一凸台5背离突出部6的一侧（即平滑的一侧）相结合，气流在突出部6产生扰流，一凸台5背离突出部6的一侧对气流进行导流，使得气流均匀地分布在分配区3，可匹配较高计量比，即根据理论氢气和理论氧气反应产生额定功率电能，实际的输入的氧气和理论需要氧气的比值，适合于能量损失比较大的运行工况。

在一种可选的实施方式中，如图5所示，突出部6设置于凸台5的一侧边，在X方向上，即垂直于凸台5长度方向上相邻的两凸台5，相邻两凸台5上的两突出部6朝向相反，两凸台5上的突出部6均设置于两凸台5之间，两凸台5均设置有突出部6的一侧形成为扰流通道，两凸台5均未设置有突出部6的一侧形成为导流通道，扰流通道将气流挤压至导流通道，使得气流均匀分布于导流通道，导流通道对气流进行导流，从而提高气流整体在分配区3的均匀性。

如图5所示，突出部6与另一凸台5的突出部6相配合，气流在两突出部6和两突出部6之间产生扰流，将气流挤压至凸台5无突出部6的一侧，使得气流均匀地分布在分配区3，可匹配较低计量比，即根据理论氢气和理论氧气反应产生额定功率电能，实际的输入的氧气和理论需要氧气的比值，适合于能量损失比较小的运行工况。

在一种可选的实施方式中，如图6所示，沿Y方向分布的凸台5，相邻凸台5上突出部6不设置在同一侧。

气流在凸台5和突出部6的作用下发生朝向压力较小的位置流动，对气流分布的均匀性进行调节。

在一种可选的实施方式中，如图5所示，沿Y方向分布的凸台5，凸台5上突出部6设置在同一侧。

气流在突出部6的扰流作用下在凸台5之间流动，凸台5没有突出部6的一侧对气流进行导流，气流在凸台5没有突出部6一侧形成的通道流动，使得气流均匀分布于凸台5没有突出部6一侧形成的通道中，提高气流在分配区3的均匀性。

在一种可选的实施方式中，如图6所示，位于极板1边缘的凸台5，凸台5上的突出部6朝向极板1内侧设置。凸台5对气流进行导流，避免边缘的气流因流动路径过长，气流较少导致气流分布不均匀。

在一种可选的实施方式中，如图7所示，突出部6的高度低于凸台5的高度。突出部6对气流进行扰流，经过扰流的气流在突出部6上方或者突出部6的一侧流动，提高了气流在分配区3的均匀性和流通能力。

气流在经过分配区3的过程中，气流在两凸台5之间通过，凸台5对气流进行导流，突出部6对气流进行扰流，从而对进入和流出反应区4流道的气体进行调节，平衡分配区3的气流和压力，使得气流均匀进入到反应区4，降低了气体流道水堵塞现象的发生，提高了燃料电池的性能。

本说明书中，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于后面说明的实施例而言，描述比较简单，相关之处参见前述实施例的部分说明即可。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种极板分配区结构，其特征在于：包括极板；

所述极板贴近膜电极的一侧设置有多个凸台，所述凸台设置于分配区，所述凸台呈条状，所述凸台的两端呈弧形，所述凸台相互平行设置，所述凸台的长度方向与气流的方向相同；

所述凸台的侧边一体设置有突出部，所述突出部垂直于凸台的长度方向，所述凸台对气流进行导流，所述突出部用于对气体进行扰流；

所述凸台和所述突出部垂直于所述极板方向的截面呈梯形，所述梯形倒圆角设置；

所述突出部设置于所述凸台的一侧边；

所述突出部的高度低于所述凸台的高度。

2.根据权利要求1所述的极板分配区结构，其特征在于：每个所述突出部分别设置在所述凸台的同一侧边。

3.根据权利要求2所述的极板分配区结构，其特征在于：垂直于所述凸台长度方向上相邻的两凸台，相邻两所述凸台上的两所述突出部朝向相反，两所述凸台均设置有突出部的一侧形成为扰流通道，两所述凸台均未设置有突出部的一侧形成为导流通道。

4.根据权利要求3所述的极板分配区结构，其特征在于：沿所述凸台长度方向分布的凸台，相邻所述凸台上突出部不设置在同一侧。

5.根据权利要求4所述的极板分配区结构，其特征在于：沿所述凸台长度方向分布的凸台，所述突出部设置在凸台同一侧。

6.根据权利要求2所述的极板分配区结构，其特征在于：位于所述极板边缘的凸台，所述凸台上的突出部朝向极板内侧设置。

7.根据权利要求6所述的极板分配区结构，其特征在于：所述凸台长度方向相邻两凸台之间的间距大于垂直于所述凸台长度方向相邻两凸台之间的间距。

8.根据权利要求6所述的极板分配区结构，其特征在于：所述凸台长度方向相邻两凸台之间的间距为5-8mm，垂直于所述凸台长度方向相邻两凸台之间的间距为2-3mm。