CN117254060A - 双极板流场结构及燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种双极板流场结构及燃料电池。其包括基板及多个流道脊，基板包括安装面，流道脊沿第一方向延伸布设且连接于安装面，相邻的两个流道脊相对的端面及安装面之间围设流道沟槽，流道沟槽包括变径部流道和平流部流道，变径部流道和平流部流道在第一方向上连通，在第二方向上，变径部流道的尺寸小于平流部流道，第二方向与第一方向垂直。本申请的反应气体在流通过程中，能够在平流部流道内充分发生反应，未发生反应的气体扩散动力将会降低，当反应气体流经变径部流道时，由于变径部流道的槽宽小于平流部流道，即供反应气体流通的流道沟槽变窄，反应气体在流经时气压升高，扩散动力变强，有利于及时排出反应生成的水。
Description
技术领域
本申请涉及燃料电池制造的技术领域，特别是涉及一种双极板流场结构及燃料电池。
背景技术
随着发电技术的发展，出现了新能源燃料电池，燃料电池因其无污染、理论能量转化率高、不受卡诺循环限制等优点，已经成为继火电、水电和核电之后的第四代发电技术，目前已在航空、汽车等领域有了广泛的应用。
相关技术中，双极板是质子交换膜燃料电池的关键部件之一，双极板上具有流场，流场的结构设计是影响反应气体和生成的水流动状态的关键因素。反应气体需要在流场中与催化剂充分接触并发生反应，以达到供电的目的。在反应过程中，当以纯氢气或富氢气体作为反应气体时，其电化学反应会产生水。
然而，相关技术中，受到流场的结构设计制约，流场内流体分布均匀性差，不利于生成的水的排出。
发明内容
基于此，有必要针对相关技术中流场的流体分布均匀性差，不利于生成的水排出的问题，提供一种双极板流场结构及燃料电池。
第一方面，本申请提供一种双极板流场结构，采用如下的技术方案：
一种双极板流场结构，包括基板及多个流道脊，所述基板包括安装面，所述流道脊沿第一方向延伸布设且连接于所述安装面，相邻的两个所述流道脊相对的端面及所述安装面之间围设供反应气体流通的流道沟槽，所述第一方向为反应气体的流动方向，其中，所述流道沟槽包括变径部流道和平流部流道，所述变径部流道和所述平流部流道在所述第一方向上连通，在第二方向上，所述变径部流道的尺寸小于所述平流部流道的尺寸，所述第二方向与所述第一方向垂直。
在其中一个实施例中，沿所述第一方向，所述变径部流道依次包括相互连通的变径前端、变径中端和变径后端；自所述变径前端至所述变径中端，所述变径部流道在所述第二方向上的尺寸逐渐减小；自所述变径中端至所述变径后端，所述变径部流道在所述第二方向上的尺寸逐渐增大。
在其中一个实施例中，自所述变径前端至所述变径中端，所述变径部流道在第三方向上的尺寸逐渐减小；自所述变径中端至所述变径后端，所述变径部流道在所述第三方向上的尺寸逐渐增大，所述第三方向与所述第一方向和所述第二方向分别垂直。
在其中一个实施例中，在所述第二方向上，所述流道脊的尺寸与所述平流部流道的尺寸之比在0.7-1.4之间。
在其中一个实施例中，在所述第二方向上，在所述第二方向上，所述变径前端的尺寸与所述变径中端的尺寸之比在1-5之间。
在其中一个实施例中，在所述第三方向上，在所述第三方向上，所述变径前端的尺寸与所述变径中端的尺寸之比在1-5之间。
在其中一个实施例中，所述变径前端至所述变径中端之间距离与所述变径中端至所述变径后端之间距离之比在0.5-10之间。
在其中一个实施例中，在所述第二方向上，所述平流部流道的尺寸、所述变径前端和所述变径后端的尺寸一致。
在其中一个实施例中，在所述第三方向上，所述平流部流道的尺寸、所述变径前端和所述变径后端的尺寸一致。
第二方面，本申请提供一种燃料电池，采用如下的技术方案：
一种燃料电池，包括上述的双极板流场结构。
上述的双极板流场结构通过在基板的安装面上设置多个流道脊以对应形成多个供反应气体流动的流道沟槽。反应气体在流通过程中，能够在平流部流道内充分发生反应，未发生反应的气体沿流动方向的扩散动力将会降低，当反应气体流经变径部流道时，由于变径部流道的槽宽小于平流部流道的槽宽，即供反应气体流通的流道沟槽变窄，反应气体在流经时气压升高，扩散动力变强。重复上述过程，使得燃料电池内的反应气体始终具备强劲的扩散动力，有利于将反应生成的水及时排出。
附图说明
图1为本申请一实施例中双极板流场结构的立体结构示意图。
图2为本申请一实施例中流道沟槽内注满流体时的结构示意图。
图3为图2另一视角的示意图(俯视图)。
图4为图3另一视角的示意图(侧视图)。
附图标注说明：
1、基板；2、流道脊；21、圆倒角；3、流道沟槽；31、变径部流道；311、变径前端；312、变径中端；313、变径后端；32、平流部流道；F1、第一方向；F2、第二方向；F3、第三方向。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，若有出现这些术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等，这些术语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申请和简化描述，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申请的限制。
此外，若有出现这些术语“第一”、“第二”，这些术语仅用于描述目的，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至少一个该特征。在本申请的描述中，若有出现术语“多个”，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，这些术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现第一特征在第二特征“上”或“下”等类似的描述，其含义可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，若元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。若一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。如若存在，本申请所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。其中，“第一方向”可以是反应气体的流动方向，也可以是流道脊的延伸方向；“第二方向”可以是流道脊的宽度方向；“第三方向”可以是流道脊的高度方向，“第三方向”和“第二方向”共同所在的面与“第一方向”垂直，为本申请中反应气体流通的流通面所在的面。
以下结合附图1-4对本申请实施例作进一步详细说明。
随着社会的发展，现代生活中对于低碳化生活的要求越来越高，而燃料电池因其无污染、理论能量转换率高且不受卡诺循环限制等优点，已经成为继火电、水电和核电之后的第四代发电技术，在航空、汽车等领域有广泛的应用。
其中，双极板是质子交换膜燃料电池的关键部位之一，双极板的流场结构是影响反应气体和生成的水流动状态的关键因素，合理的结构设计能够使得反应气体更均匀地分布传输，同时将生成水及时排出流场避免水淹现象，从而减少燃料电池内部反应气体流动受阻以致电池性能受损的情况。
尤其是在低温环境下，如果双极板流场内反应生成的水无法及时排出则易凝结成冰，严重影响反应气体的传输，使得燃料电池在低温环境下无法工作。
然而，相关技术中，双极板受到流场结构设计制约，流场内流体分布均匀性差，易出现反应气体传输动力不足，以致流场内部反应生成的水无法及时排出，乃至出现水淹现象的情况。同时，流道内部气压较小，不利于反应气体向扩散层扩散，降低了气体利用率和电池性能。为了解决上述问题，本申请一实施例提供一种双极板流场结构。
参阅图1，图1示出了本申请一实施例中双极板流场结构的立体结构示意图，本申请一实施例提供的双极板流场结构，包括基板1，基板1构造成长方形结构，作为双极板流场结构的基础。本申请实施例中，基板1的上端面设置为安装面，在安装面上间隔设置有多个流道脊2，相邻的两个流道脊2相互平行，流道脊2沿着第一方向F1延伸且与基板1一体成型布设。
本申请实施例中，基板1和流道脊2均可以采用石墨、钛、不锈钢及其他复合材料构成，具有较强的结构强度。本申请实施例中，流道脊2的宽度尺寸在0.3mm～2mm之间，高度尺寸在0.2mm～2mm之间，流道脊2的拔模角度为5°～30°，便于大规模生产时采用机械加工的方式在基板1上加工出本申请中的流道脊2结构。
此外，为了减小反应气体在流动过程中受到的空气阻力，本申请实施例中，流道脊2的边角处全部采用倒圆角设计，圆倒角21为0.05mm～1mm，使得流道脊2的整体结构更接近于流线型结构，从而使得反应气体在流动过程中更加顺畅。
参阅读图1至图4，任意两个相邻的流道脊2相对的端面和安装面之间均能够围合形成供反应气体流通的流道沟槽3，反应生成的水也同样能够通过流道沟槽3排出双极板流场，进而排出燃料电池。
具体的，本申请实施例中，在第二方向F2上，流道脊2的宽度与平流部流道32的尺寸构造成特定的比例。具体的，流道脊2的宽度与平流部流道32的槽宽(即在第二方向F2上的尺寸)之比在0.7～1.4之间，优选1.2，采用此种结构比例的流道脊2和流道沟槽3在基板1上的分布空间更加合理，有利于反应气体的流通和反应生成的水的排除。
本申请实施例中，流道沟槽3包括多个变径部流道31和多个平流部流道32，变径部流道31与平流部流道32交替排布且相互连通。燃料电池工作过程中，反应气体由双极板上的进气口进入到流场中，依次通过变径部流道31和平流部流道32，并在流通过程中与催化剂充分反应，实现供电功能。最后，反应气体由双极板上的出气口排出，并同时吹除反应过程中生成的水。
本申请实施例中，平流部流道32构造成截面呈长方形的结构，变径部流道31构造成两端大，中间小的变径结构，变径部流道31的两端分别与相邻的两个平流部流道32衔接并连通，使得反应气体能够沿着第一方向F1实现流通。
反应气体流动过程中，会以一定的输入功率通过双极板上的进气口输入到流场中，平流部流道32的结构使得反应气体能够充分发生反应，未发生反应的反应气体沿着第一方向F1的扩散动力将会降低。
而在本申请实施例中，由于变径部流道31构造成两端大、中间小的变径结构，所以当反应气体流经变径部流道31时，供反应气体流通的流通面面积会逐渐缩窄、减小，导致反应气压在流动过程中逐渐升高，扩散动力变强。当反应气体在强劲的扩散动力的作用下进入到下一个平流部流道32时，供反应气体流通的流通面面积又会逐渐增大，反应气体的气压逐渐减小，流速渐缓，具备强劲的扩散动力的反应气体再次在平流部流道32内与催化剂充分发生反应。
采用上述流场结构的燃料电池在工作过程中，循环往复上述的反应气体增压流通和减速反应催化的过程，能够使得燃料电池处于高性能、高稳定的状态，从而达到大幅度提升反应气体的利用率的目的，减小对输入到燃料电池中的燃料气体的输入功率的要求。
参阅图2至图4，具体的，平流部流道32的长度尺寸为5mm～100mm，即在第一方向F1上的尺寸为5mm～100mm，宽度尺寸为0.1mm～1mm，高度为0.2mm～2mm。
变径部流道31的长度尺寸为2～20mm，变径部流道31包括变径前端311、变径中端312和变径后端313，变径中端312沿着反应气体的流动方向，即第一方向F1设于变径前端311和变径中端312之间。具体的，变径部流道31在第一方向F1上相对的两端，即变径部流道31在变径前端311和变径后端313处的槽宽与平流部流道32的宽度尺寸一致，并与相邻的平流部流道32的端部相互衔接，以便反应气体实现流通。
其中，自变径前端311至变径中端312，变径部流道31在第二方向F2上的尺寸逐渐减小，即变径部流道31的槽宽逐渐减小；自变径中端312至变径后端313，变径部流道31在第二方向F2上的尺寸逐渐增大，即变径部流道31的槽宽逐渐增大，使得变径部流道31整体呈现两端大中间小的变径结构，从而实现改变反应气体在流通过程中的流通速率和气体压强的功能。
本申请实施例中，变径前端311槽宽与变径中端312槽宽之比在1～5之间，优选2，即当变径前端311的槽宽为0.1mm时，变径中端312的槽宽为0.05mm，当变径前端311的槽宽为1mm时，变径中端312的槽宽为0.5mm。
本申请实施例中，变径部流道31的变径前端311和变径后端313槽宽一致，宽度尺寸均在0.1mm～1mm之间，变径部流道31的变径中端312尺寸在0.02mm～0.2mm之间。
因此，变径后端313槽宽与变径中端312的槽宽之比同样在1～5之间，优选2，即当变径中端312的槽宽为0.05mm时，变径后端313的槽宽为0.1mm，当变径中端312处的槽宽为0.5mm时，变径前端311的槽宽为1mm。
参阅图3和图4，在一些实施例中，为了实现变径部流道31与平流部流道32之间的衔接，本申请实施例中，在第三方向F3上，变径部流道31在变径前端311和变径后端313的尺寸与平流部流道32的高度尺寸一致，即变径部流道31在变径前端311和变径后端313处于第三方向F3上的尺寸在0.2mm～2mm之间。
另外，自变径前端311至变径中端312，变径部流道31在第三方向F3上的尺寸逐渐减小，即变径部流道31的槽深逐渐减小；自变径中端312至变径后端313，变径部流道31的槽深逐渐增大。
具体的，本申请实施例中，变径前端311槽深和变径中端312的槽深之比在1～5之间，优选槽深之比为2，即变径部流道31在变径中端312的槽深在0.04mm～0.4mm之间。当变径前端311的槽深为0.2mm时，变径中端312的槽深为0.1mm，当变径前端311的槽深为2mm时，变径中端312的槽深为1mm。
同样的，变径后端313槽深和变径中端312的槽深之比同样在1～5之间，优选2，即当变径中端312的槽深为0.1mm时，变径后端313的槽深为0.2mm，当变径中端312的槽深为1mm时，变径后端313的槽深为2mm。
参阅图4，在一些实施例中，沿着第一方向F1，变径部流道31的变径前端311至变径中端312的长度尺寸为1mm～19mm，变径后端313至变径中端312的长度尺寸为1mm～19mm。本申请实施例中，变径前端311至变径中端312之间的距离和变径中端312至变径后端313之间的距离之比在0.5～10之间，优选距离之比为1。
即在本申请实施例中，当变径前端311与变径中端312之间的间距为1mm时，变径后端313与变径中端312之间的间距同样为1mm；当变径前端311与变径中端312之间的间距为19mm时，变径中端312与变径后端313之间的间距为19mm，使得变径部流道31的变径前端311和变径后端313以变径中端312为轴对称分布。
相较于现有的变截面流场结构仅能实现二维变截面的情况，本申请实施例中的双极板流场结构采用上述设计，实现了变径部流道31在第一方向F1、第二方向F2和第三方向F3上的尺寸调节，即在长度尺寸、宽度尺寸和高度尺寸上的调节，使得反应气体在流场内流动时，供反应气体流通的流通面面积可以根据实际需求进行调整，真正实现了三维变径控制的功能，适用于石墨、金属以及复合材料双极板，可适用于模压、冲压以及机加工等制造工艺，适用于批量生产，具有较高的经济效益。
实际生产过程中，操作者可通过模拟试验获取实际所需的变径尺寸，使得反应气体在流经流道沟槽3时在平流部流道32内与催化剂充分发生反应，未发生反应的气体沿反应气体的流动方向F继续流入到与当前平流部流道32相连通的变径部流道31中。
由于本申请实施例中，变径部流道31构造成两端大，中间小的结构，所以反应气体在变径部流道31内流动过程中，供反应气体流通的通道会逐渐变窄，使得反应气体在流经变径部流道31中端时气压升高，流速变快，从而增强扩散动力，而具备强劲的扩散动力的反应气体更加有利于将反应生成的水排出流场外，从而避免出现膜电极局部发生水淹的现象。
变径部流道31构造成两端大，中间小的结构，降低了双极板流场对于反应气体输入功率的需求，使得同等输入功率的反应气体输入到本申请的流道沟槽3中后能够具备更强的扩散动力，从而提升反应气体的扩散均匀性，在避免出现膜电极水淹现象的同时提高质子交换膜燃料电池的性能及稳定性。
在一些实施例中还提供一种燃料电池，燃料电池(未图示)应用上述任一实施例的双夹板流场结构，使得该燃料电池在工作过程中始终保持高性能的工作状态。并且，由于双极板流场结构具有较佳的排水性能，工作过程中不易出现水淹现象，大大延长了该燃料电池的使用寿命，且使得该燃料电池能够适用于低温环境，扩大了该燃料电池的适用范围。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种双极板流场结构，其特征在于，所述双极板流场结构包括：
基板，包括安装面；及
多个沿第一方向延伸布设的流道脊，连接于所述安装面，相邻的两个所述流道脊相对的端面及所述安装面之间围设供反应气体流通的流道沟槽，所述第一方向为反应气体的流动方向；
其中，所述流道沟槽包括变径部流道和平流部流道，所述变径部流道和所述平流部流道在所述第一方向上连通，在第二方向上，所述变径部流道的尺寸小于所述平流部流道的尺寸，所述第二方向与所述第一方向垂直。
2.根据权利要求1所述的双极板流场结构，其特征在于，沿所述第一方向，所述变径部流道依次包括相互连通的变径前端、变径中端和变径后端；
自所述变径前端至所述变径中端，所述变径部流道在所述第二方向上的尺寸逐渐减小；
自所述变径中端至所述变径后端，所述变径部流道在所述第二方向上的尺寸逐渐增大。
3.根据权利要求2所述的双极板流场结构，其特征在于，自所述变径前端至所述变径中端，所述变径部流道在第三方向上的尺寸逐渐减小；自所述变径中端至所述变径后端，所述变径部流道在所述第三方向上的尺寸逐渐增大，所述第三方向与所述第一方向和所述第二方向分别垂直。
4.根据权利要求2所述的双极板流场结构，其特征在于，在所述第二方向上，所述流道脊的尺寸与所述平流部流道的尺寸之比在0.7-1.4之间。
5.根据权利要求2所述的双极板流场结构，其特征在于，在所述第二方向上，所述变径前端的尺寸与所述变径中端的尺寸之比在1-5之间。
6.根据权利要求3所述的双极板流场结构，其特征在于，在所述第三方向上，所述变径前端的尺寸与所述变径中端的尺寸之比在1-5之间。
7.根据权利要求2所述的双极板流场结构，其特征在于，所述变径前端至所述变径中端之间距离与所述变径中端至所述变径后端之间距离之比在0.5-10之间。
8.根据权利要求2所述的双极板流场结构，其特征在于，在所述第二方向上，所述平流部流道的尺寸、所述变径前端和所述变径后端的尺寸一致。
9.根据权利要求3所述的双极板流场结构，其特征在于，在所述第三方向上，所述平流部流道的尺寸、所述变径前端和所述变径后端的尺寸一致。
10.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括如权利要求1-9任一项所述的双极板流场结构。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311250048.3A CN117254060A (zh) | 2023-09-26 | 2023-09-26 | 双极板流场结构及燃料电池 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN (1) | CN117254060A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117650255A (zh) * | 2024-01-29 | 2024-03-05 | 南昌大学 | 一种具有局部双向敛散结构流道的燃料电池 |
-
2023
- 2023-09-26 CN CN202311250048.3A patent/CN117254060A/zh active Pending
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