CN116565247A - 质子交换膜燃料电池流场板 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种质子交换膜燃料电池流场板。质子交换膜燃料电池流场板包括底板、脊板和脊柱：底板，具有入口和出口；脊板，突出于底板表面，在入口和出口之间形成包括至少三个非变向区和至少两个变向区的流道；脊柱，突出于底板表面，且排布于流道中；其中，脊柱包括第一脊柱和第二脊柱，第一脊柱排布于非变向区，第二脊柱排布于变向区。本申请实施例通过将流道分隔为多个子流道，本质上相互流通，流经的介质撞上第一脊柱或者第二脊柱从而分流。在多通道内一定程度有序的扰动混合，增加了气态介质的传质效果。避免了液态介质形成大型团状、阻碍其他介质通过，降低了堵塞流道的风险。从而兼具高效反应、低压降和排水性能好的效果。

Description

质子交换膜燃料电池流场板

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，具体而言，本申请涉及一种质子交换膜燃料电池流场板。

背景技术

燃料电池流场板为燃料电池核心部件之一，它在发挥导电功能的同时，规定了电池气体流场或水流场的流动规律和形态。单层电池内气体流场的主要功能是让燃料电池内工质能够稳定高效的覆盖可以用于发电的反应区域同时能顺利排出电化学反应产物，以达到稳定高效的发电状态。

经典燃料电池双极板使用流场主要为蛇形流场、平行流场，而现有诸多设计通常会将二者结合起来，例如申请号为CN103746129B的中国发明专利，名称为优化燃料电池排水性能的质子交换膜燃料电池流道，发明包括流场板本体，在流场板内以9条平行通道进入，最后合并为3条并行流道流出，发明通过合并流道改善流场后半部分的排水效果以及压力差从而增强排水，相比9通道蛇形流场提高了性能。但是，发明中前半部分的并行流场相比蛇形流场反应效果较差，而后半部分虽然成为了蛇形流场但是物质的浓度下降、液态水含水量较高，若对比对象换成全流场三通道并行蛇形流场，可能性能会有所不如。

综上所述，现有技术中的流场板存在反应效果较差、物质的浓度较低、液态水含水量较高、性能不足的技术问题。

发明内容

本申请针对现有方式的缺点，提出一种质子交换膜燃料电池流场板，用以解决现有技术中的流场板存在反应效果较差、物质的浓度较低、液态水含水量较高、性能不足的技术问题。

本申请实施例提供了一种质子交换膜燃料电池流场板，包括：

底板，具有入口和出口；

脊板，突出于所述底板表面，在所述入口和所述出口之间形成包括至少三个非变向区和至少两个变向区的流道；

脊柱，突出于所述底板表面，且排布于所述流道中；

其中，所述脊柱包括第一脊柱和第二脊柱，所述第一脊柱排布于所述非变向区，所述第二脊柱排布于所述变向区。

在本申请的一些实施例中，所述非变向区的延伸方向相互平行，所述变向区的入口方向与出口方向之间的夹角为180度。

在本申请的一些实施例中，所述第一脊柱在所述底板上的正投影轮廓为梯形结构，所述梯形结构包括至少两个圆角。

在本申请的一些实施例中，所述第一脊柱包括第一子脊柱和第二子脊柱；

在行方向上，所述第一子脊柱与所述第二子脊柱交替排布，相邻的所述第一子脊柱和所述第二子脊柱呈中心对称排布，所述行方向平行于所述非变向区的延伸方向。

在本申请的一些实施例中，在列方向上，至少有两个相邻的所述第一脊柱的轮廓相同，所述列方向垂直于所述非变向区的延伸方向。

在本申请的一些实施例中，在所述非变向区中，在所述列方向上相邻的两个所述第一子脊柱之间存在间隙，所述间隙的宽度与所述第一子脊柱在所述列方向上的宽度之比不小于1：1且不大过1：3。

在本申请的一些实施例中，在所述非变向区中，在所述列方向上相邻的两个所述第一子脊柱之间存在间隙，在所述行方向上相邻的所述第二子脊柱与所述间隙齐平。

在本申请的一些实施例中，所述第二脊柱在所述底板上的正投影轮廓为圆形，所述圆形呈阵列排布。

在本申请的一些实施例中，在所述变向区中，在列方向上相邻的两个所述第二脊柱之间存在间隙，在行方向上相邻的所述第二脊柱与所述间隙齐平。

在本申请的一些实施例中，在所述非变向区与所述变向区的交界处，在列方向上相邻的两个所述第一脊柱之间存在间隙，在行方向上相邻的所述第二脊柱与所述间隙齐平。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益技术效果包括：本申请实施例通过将一条完整的流道划分为多个非变向区和多个变向区，介质依次交替通过非变向区和变向区，同时，在非变向区设置第一脊柱以及在变向区设置第二脊柱，第一脊柱和第二脊柱将流道分隔为多个子流道，多个子流道之间本质上相互流通，每个子流道中流经的介质在进入下一个子流道之前撞上第一脊柱或者第二脊柱从而分流。分流的气态介质会与列方向上相邻的子流道中气态介质混合继续流动，流场板实现了在多通道内一定程度有序的扰动混合，增加了气态介质的传质效果。液态介质一方面经历了第一脊柱和第二脊柱分流，另一方面被不断分流合流的气态介质持续扰动，避免了液态介质形成大型团状、阻碍其他介质通过，降低了堵塞流道的风险。从而兼具高效反应、低压降和排水性能好的效果。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本申请实施例提供的一种质子交换膜燃料电池流场板的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种第一脊柱的结构示意图。

图中标记：

1-底板；2-脊板；3-脊柱；

31-第一脊柱；31a-第一子脊柱；31b-第二子脊柱；32-第二脊柱。

具体实施方式

下面结合本申请中的附图描述本申请的实施例。应理解，下面结合附图所阐述的实施方式，是用于解释本申请实施例的技术方案的示例性描述，对本申请实施例的技术方案不构成限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“上述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除实现为本技术领域所支持其他特征、信息、数据、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合等。应该理解，当我们称一个元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，该一个元件可以直接连接或耦接到另一元件，也可以指该一个元件和另一元件通过中间元件建立连接关系。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。需要指出的是，下述实施方式之间可以相互参考、借鉴或结合，对于不同实施方式中相同的术语、相似的特征以及相似的实施步骤等，不再重复描述。

本申请实施例提供了一种质子交换膜燃料电池流场板，如图1所示，图1为本申请实施例提供的一种质子交换膜燃料电池流场板的结构示意图。质子交换膜燃料电池流场板包括底板1、脊板2和脊柱3：

底板1，具有入口和出口；

脊板2，突出于所述底板1表面，在所述入口和所述出口之间形成包括至少三个非变向区和至少两个变向区的流道；

脊柱3，突出于所述底板1表面，且排布于所述流道中；

其中，所述脊柱3包括第一脊柱31和第二脊柱32，所述第一脊柱31排布于所述非变向区，所述第二脊柱32排布于所述变向区。

在一个实施例中，所述脊板2与脊柱3为实心结构。所述流场板还包括盖板，盖板与底板1相对贴合并存在一定间隙，脊板2与脊柱3的上表面与盖板接触、下表面与底板1接触，即盖板与底板1之间的间隙即为脊板2、脊柱3的厚度。脊板2与脊柱3表现为凸台。

在另一个实施例中，所述脊板2与脊柱3为空心结构。所述流场板还包括盖板，盖板与底板1相对贴合并存在一定间隙，盖板和底板1中相对脊板2、脊柱3的位置存在具有侧壁的通孔。盖板和底板1贴合后，通孔相互对应，侧壁相互连接。脊板2与脊柱3表现为凹槽。

本申请实施例通过将一条完整的流道划分为多个非变向区和多个变向区，介质依次交替通过非变向区和变向区，同时，在非变向区设置第一脊柱31以及在变向区设置第二脊柱32，第一脊柱31和第二脊柱32将流道分隔为多个子流道，多个子流道之间本质上相互流通，每个子流道中流经的介质在进入下一个子流道之前撞上第一脊柱31或者第二脊柱32从而分流。

在本申请的一些实施例中，所述非变向区的延伸方向相互平行，所述变向区的入口方向与出口方向之间的夹角为180度。

本实施例中，通过设置至少两个变向区，将至少三个相互平行的非变向区连通，形成蛇形流道。可以迅速排除生成的液态水，显著降低电解液通过多孔电极时的压降，提升多孔电极中电解液流速分布以及反应离子分布的均匀性。

在本申请的一些实施例中，所述第一脊柱31在所述底板1上的正投影轮廓为梯形结构，所述梯形结构包括至少两个圆角。

如图2所示，图2为本申请实施例提供的一种第一脊柱31的结构示意图。在本实施例中，第一脊柱31的轮廓为轴对称的正梯形，所述正梯形的对称轴与非变向区的延伸方向垂直。介质顺着流道流动，由前一列相邻第一脊柱31之间的间隙通过，撞上下一列的第一脊柱31。具体地，介质撞上正梯形的斜边或者锐角，撞上斜边的介质流向偏移，向靠近正梯形的上底一侧流动；撞上锐角的介质被分流，一分为二，一部分向靠近正梯形的上底一侧流动，另一部分向靠近正梯形的下底一侧流动。

可以理解的是，该流道中向靠近正梯形上底一侧流动的介质会与相邻流道中向靠近正梯形下底一侧流动的介质合流，此处相邻指朝向该流道正梯形上底一侧的第一脊柱31。同理，该流道中向靠近正梯形下底一侧流动的介质会与相邻流道中向靠近正梯形上底一侧流动的介质合流，此处相邻是指朝向该流道正梯形下底一侧的第一脊柱31。

可选地，所述正梯形的斜边与下底之间角度α为18.5°，所述正梯形的锐角边导圆角R，圆角R的半径为0.45mm。

在本申请的一些实施例中，所述第一脊柱31包括第一子脊柱31a和第二子脊柱31b；

在行方向上，所述第一子脊柱31a与所述第二子脊柱31b交替排布，相邻的所述第一子脊柱31a和所述第二子脊柱31b呈中心对称排布，所述行方向平行于所述非变向区的延伸方向。

在本实施例中，由于呈正梯形的第一脊柱31向两方向分流的流量不同。具体地，正梯形对靠近上底一侧分流的流量较大，对靠近下底一侧分流的流量较小。若所有第一脊柱31朝同一方向排布，介质在非变向区均匀性较差。同一列上的第一脊柱31朝向相同，相邻列的第一脊柱31分别定义为第一子脊柱31a和第二子脊柱31b，第一子脊柱31a和所述第二子脊柱31b呈中心对称排布，即第一子脊柱31a上底的朝向与第二子脊柱31b下底的朝向相同，第一子脊柱31a下底的朝向与第二子脊柱31b上底的朝向相同。

在本申请的一些实施例中，在列方向上，至少有两个相邻的所述第一脊柱31的轮廓相同，所述列方向垂直于所述非变向区的延伸方向。

在本实施例中，同一列的第一脊柱31朝向相同，且至少有两个第一脊柱31的面积也相同。面积相同的第一脊柱31位于所在流道相对居中的位置。在实际生产中，在非变向区由于实际设计需求，不同尺寸的第一脊柱31在按规律填充流场时可能会出现靠近流道侧壁的剩余面积不够放置一个第一脊柱31的情况，此处流道侧壁是指底板1外围和脊板2。此时可以适当等比例缩小正梯形的尺寸来进行填充，保证流道的截面尺寸，防止设置与流道侧壁相连的结构，避免在流场中出现过宽的突起结构，过宽的突起结构会影响这个区域的传质与排水，在进出口区域为了保持边缘一致性而使用截断一部分的正梯形脊柱3。

如图1中，在本实例中第二、第三组非变向区第一排内的完整正梯形和出口第一排的部分正梯形都进行了保证相邻流道截面不变的缩小处理。

在本申请的一些实施例中，在所述非变向区中，在所述列方向上相邻的两个所述第一子脊柱31a之间存在间隙，所述间隙的宽度与所述第一子脊柱31a在所述列方向上的宽度之比不小于1：1且不大过1：3。

在本实施例中，第一脊柱31的正梯形厚度不可过大，过厚的梯形会导致燃料电池岸与流道的比值过大从而导致岸下供气不充分以及积水，正梯形的厚度需要和流道一同设计，同一列中相邻的两个第一脊柱31之间存在间隙，该间隙即为一条子流道，子流道宽度与正梯形的厚度比值不小于1：1且不大过1：3。

在一个可选地实施例中，子流道宽度与正梯形的厚度比值为1：2.96。

在本申请的一些实施例中，在所述非变向区中，在所述列方向上相邻的两个所述第一子脊柱31a之间存在间隙，在所述行方向上相邻的所述第二子脊柱31b与所述间隙齐平。

为了更好地发挥第一脊柱31对介质的分流效果，非变向区中每一个子流道的出口与一个第一脊柱31齐平(交界处除外)，即从子流道流出的介质正好撞上第一脊柱31，从而完成分流，避免了由上一子流道未经第一脊柱31分流直接流入下一子流道的介质过多。

值得一提的是，上述部分实施例中以第一子脊柱31a之间的结构特征举例，实际上第一子脊柱31a和第二子脊柱31b在部分实施例中可以相互替换，即第二子脊柱31b同理也满足上述结构特征。

在本申请的一些实施例中，所述第二脊柱32在所述底板1上的正投影轮廓为圆形，所述圆形呈阵列排布。

在本实施例中，所述第二脊柱32为阵列排布的圆柱。

在本申请的一些实施例中，在所述变向区中，在列方向上相邻的两个所述第二脊柱32之间存在间隙，在行方向上相邻的所述第二脊柱32与所述间隙齐平。

所述圆柱在相邻列上交错。

为了更好地发挥第一脊柱31对介质的分流效果，变向区中每一个子流道的出口与一个第二脊柱32齐平(交界处除外)，即从子流道流出的介质正好撞上第二脊柱32，从而完成分流，避免了由上一子流道未经第二脊柱32分流直接流入下一子流道的介质过多。

可选地，圆柱直径为0.9mm，上一奇数列的圆柱下一奇数列的圆柱之间在行方向上间距为2.78mm，相邻奇数行的圆柱与偶数行的圆柱之间在列方向上的间距为0.95mm。

在本申请的一些实施例中，在所述非变向区与所述变向区的交界处，在列方向上相邻的两个所述第一脊柱31之间存在间隙，在行方向上相邻的所述第二脊柱32与所述间隙齐平。

上述实施例中分别介绍了非变向区内第一脊柱31交错排布和变向区内第二脊柱32交错排布。在上述实施例的基础上，在本实施例中，为了更好地发挥对介质的分流效果，非变向区流向变向区的交界处，交界处的每一个子流道的出口与一个第二脊柱32齐平，变向区流向非变向区的交界处，交界处的每一个子流道的出口与一个第一脊柱31齐平，即从子流道流出的介质正好撞上第一脊柱31或者第二脊柱32，从而完成分流，避免了由上一子流道未经第二脊柱32分流直接流入下一子流道的介质过多。

可选地，每组第一脊柱31的横向周期为20.16mm，纵向周期为1.98mm。

使用本实施例中的流道配合模拟实际燃料电池多孔介质层中渗透水的情况进行两相流仿真，图中箭头为气态介质进口和气态介质出口，右上方为底部液态介质进口。仿真工况为2A/cm2电流密度，流道内壁接触角设置为145°。流道内稳定流动后液态水分布仿真结果表明：液态水在流场内绝大部分不会积累，在出口最下缘区域流道会存在含水量在0.1％以下的积水，这对于燃料电池影响可以忽略不记。

可选地，所述底板1为矩形。

还可选地，所述底板1为正方形。

与现有技术相比可实现，应用本申请实施例，至少能够实现如下有益效果：本申请实施例通过将一条完整的流道划分为多个非变向区和多个变向区，介质依次交替通过非变向区和变向区，同时，在非变向区设置第一脊柱31以及在变向区设置第二脊柱32，第一脊柱31和第二脊柱32将流道分隔为多个子流道，多个子流道之间本质上相互流通，每个子流道中流经的介质在进入下一个子流道之前撞上第一脊柱31或者第二脊柱32从而分流。分流的气态介质会与列方向上相邻的子流道中气态介质混合继续流动，流场板实现了在多通道内一定程度有序的扰动混合，增加了气态介质的传质效果。液态介质一方面经历了第一脊柱31和第二脊柱32分流，另一方面被不断分流合流的气态介质持续扰动，避免了液态介质形成大型团状、阻碍其他介质通过，降低了堵塞流道的风险。从而兼具高效反应、低压降和排水性能好的效果。

在本申请的描述中，词语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“行”、“列”等指示的方向或位置关系，为基于附图所示的示例性的方向或位置关系，是为了便于描述或简化描述本申请的实施例，而不是指示或暗示所指的装置或部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申请的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，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申请中的具体含义。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

本技术领域技术人员可以理解，本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本申请中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。

应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请的方案技术构思的前提下，采用基于本申请技术思想的其他类似实施手段，同样属于本申请实施例的保护范畴。

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池流场板，其特征在于，包括：

底板，具有入口和出口；

脊板，突出于所述底板表面，在所述入口和所述出口之间形成包括至少三个非变向区和至少两个变向区的流道；

脊柱，突出于所述底板表面，且排布于所述流道中；

其中，所述脊柱包括第一脊柱和第二脊柱，所述第一脊柱排布于所述非变向区，所述第二脊柱排布于所述变向区。

2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池流场板，其特征在于，所述非变向区的延伸方向相互平行，所述变向区的入口方向与出口方向之间的夹角为180度。

3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池流场板，其特征在于，所述第一脊柱在所述底板上的正投影轮廓为梯形结构，所述梯形结构包括至少两个圆角。

4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池流场板，其特征在于，所述第一脊柱包括第一子脊柱和第二子脊柱；

在行方向上，所述第一子脊柱与所述第二子脊柱交替排布，相邻的所述第一子脊柱和所述第二子脊柱呈中心对称排布，所述行方向平行于所述非变向区的延伸方向。

5.根据权利要求4所述的质子交换膜燃料电池流场板，其特征在于，在列方向上，至少有两个相邻的所述第一脊柱的轮廓相同，所述列方向垂直于所述非变向区的延伸方向。

6.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池流场板，其特征在于，在所述非变向区中，在所述列方向上相邻的两个所述第一子脊柱之间存在间隙，所述间隙的宽度与所述第一子脊柱在所述列方向上的宽度之比不小于1：1且不大过1：3。

7.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池流场板，其特征在于，在所述非变向区中，在所述列方向上相邻的两个所述第一子脊柱之间存在间隙，在所述行方向上相邻的所述第二子脊柱与所述间隙齐平。

8.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池流场板，其特征在于，所述第二脊柱在所述底板上的正投影轮廓为圆形，所述圆形呈阵列排布。

9.根据权利要求8所述的质子交换膜燃料电池流场板，其特征在于，在所述变向区中，在列方向上相邻的两个所述第二脊柱之间存在间隙，在行方向上相邻的所述第二脊柱与所述间隙齐平。

10.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池流场板，其特征在于，在所述非变向区与所述变向区的交界处，在列方向上相邻的两个所述第一脊柱之间存在间隙，在行方向上相邻的所述第二脊柱与所述间隙齐平。