CN206992223U - 一种燃料电池双极板 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种燃料电池双极板，属于燃料电池领域。该燃料电池双极板包括：反应流场区和扩散区，所述扩散区包括位于所述反应流场区一端的入口扩散区和位于该反应流场区另一端的出口扩散区；所述燃料电池双极板关于其横中线、竖中线分别镜像对称；在所述入口扩散区和出口扩散区分别设置有多个用于分流和缓冲的凸台；在所述反应流场区设置有多个平行流场通道。本实用新型在气流分布均匀的基础上，具有较好的排水性能，有效防止了因生成液体排除不及时而影响燃料电池的性能。
Description
技术领域
本实用新型属于燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池双极板。
背景技术
双极板作为燃料电池的主要组成部件之一，具有疏导反应气体、迅速排出反应生成的液体、支撑膜电极组件等作用。现有的燃料电池当中，一类以碳纤维纸作为双极板的阳极反应流场，因碳纤维纸的气体扩散性能和导电性能较好，故而得以广泛应用。但同时，炭纤维纸也因其多孔特性导致其作为阳极反应流场时，排水性能较差。如果燃料电池运行中产生的水不能及时排除，会造成气流受阻，影响燃料电池的性能。还有一类以石墨作为双极板的原材料，因其抗腐蚀且排水性能和导电性能好，同样也运用较广。但石墨因其脆性导致成型困难，成型成本高，且成型后的极板厚度相对金属薄板也较大，这也是目前燃料电池行业期待解决的重要问题之一。
实用新型内容
本实用新型的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种燃料电池双极板，实现双极板流场中燃料气体的均布和反应生成物的顺畅排出，且具有尺寸小、质量轻等优点。
本实用新型是通过以下技术方案实现的：
一种燃料电池双极板，包括：反应流场区和扩散区，所述扩散区包括位于所述反应流场区一端的入口扩散区和位于该反应流场区另一端的出口扩散区；
所述燃料电池双极板关于其横中线、竖中线分别镜像对称；
在所述入口扩散区和出口扩散区分别设置有多个用于分流和缓冲的凸台；
在所述反应流场区设置有多个平行流场通道。
所述平行流场通道采用平行直流道，其深度为0.1～0.3mm，两个相邻平行直流道之间为流道凸台。
所述用于分流和缓冲的凸台包括：缓冲长凸台、分流长凸台、缓冲小凸台、缓冲中长型凸台，它们均与所述流道凸台等高等宽。
位于两侧最边缘处的两个流场凸台分别对接一个缓冲长凸台，此处的流场凸台与缓冲长凸台之间的间隙为0.5～1mm；
除开所述位于两侧最边缘处的两个流场凸台以及位于横中线两侧的两个流场凸台，其余每个流场凸台均对接一个分流长凸台或者一个缓冲中长型凸台，每个分流长凸台均与一个流场凸台对接，每个缓冲中长型凸台均与一个流场凸台对接；
在每个缓冲长凸台和与其相邻的分流长凸台之间均设置一个缓冲中长型凸台，在两个相邻的分流长凸台之间均设置一个缓冲中长型凸台；
所述分流长凸台将扩散区划分为3～5个小型分流区，两个相邻的分流长凸台之间形成一个小型分流区。
每个所述分流长凸台的一端均和与其对接的流场凸台连接成一体，另一端均位于入口扩散区的入口处或者出口扩散区的出口处，所有分流长凸台以入口扩散区的入口的圆心或者出口扩散区的出口的圆心为中心呈辐射状布置。
与位于横中线的流场凸台对接的分流长凸台上对称设置有两个缓冲小凸台，两个缓冲小凸台分别位于横中线的两侧，且均与该处的分流长凸台垂直；
每侧的缓冲小凸台和与其同侧的流场凸台之间的间隙为1～2mm；
每侧的缓冲小凸台分别位于与其同侧的缓冲中长型凸台与流场凸台之间。
除开与位于横中线的流场凸台对接的分流长凸台，在其余分流长凸台面向该侧边缘的一侧均设有缓冲小凸台；所述缓冲小凸台与该处的分流长凸台垂直；
每个小型分流区内的缓冲中长型凸台位于该小型分流区内的缓冲小凸台与流道凸台之间；每个小型分流区内的所述缓冲小凸台和缓冲中长型凸台之间的最小间隙在1～1.5mm之间。
所述缓冲中长型凸台和与其对接的流场凸台之间的间隙为0.3～0.8mm。
相邻两个分流长凸台之间形成的角度为47～48°。
所述缓冲长凸台靠近入口或出口的一端和与其相邻的分流长凸台之间的角度为13～14°，所述缓冲长凸台靠近流场凸台的一端和与其相邻的分流长凸台平行；所述缓冲中长型凸台和与其相邻的靠近该侧边缘一侧的分流长凸台平行。
所述缓冲长凸台的长度为18～20mm；所述缓冲小凸台的长度为1.5～2.5mm；所述缓冲中长型凸台的长度为7～8mm。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型在气流分布均匀的基础上，具有较好的排水性能，有效防止了因生成液体排除不及时而影响燃料电池的性能。
附图说明
图1是本实用新型的双极板的结构图
图2是双极板中流道与凸台的结构图
图3是双极板中入口扩散区的结构图
图4是质量流量分布局部图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述：
本实用新型提供了一种燃料电池双极板。该双极板包括：入口扩散区(包括圆形入口)，反应流场区，出口扩散区(包括圆形出口)。所述入口扩散区和出口扩散区的结构镜像对称。所述入口扩散区和出口扩散区都设有用于分流和缓冲的凸台。所述反应流场区为多数个平行直流道。本实用新型的双极板应用于电堆中时，电堆运行过程中燃料气体分布均匀，排水顺畅且电堆运行稳定。
如图1所示，本实用新型一种燃料电池双极板，所述双极板为矩形结构，且该双极板的内部结构关于矩形的两条对称轴均镜像对称。该双极板包括：入口扩散区1，反应流场区2，出口扩散区3。所述入口扩散区1和出口扩散区3的结构镜像对称。所述入口扩散区1和出口扩散区3都设置有用于分流和缓冲的凸台。所述反应流场区2为多个平行流场通道。
反应流场区2具体如图2所示，采用平行直流道5，平行直流道5的深度为0.1～0.3mm，两个相邻平行直流道5之间为流道凸台4。本实施例中，平行直流道5的宽度为2.35mm，深度为0.15mm，流道凸台4宽2mm。
所述入口扩散区1和出口扩散区3的结构镜像对称，因此下面仅描述入口扩散区1的结构，出口扩散区的结构直接将其镜像即可。入口扩散区1的结构如图3所示，包含各种功能的长短型凸台，具体如下：
所述入口扩散区1设有分流长凸台7，其与反应流场区的流场凸台4等高等宽，该类分流长凸台7将入口扩散区划分为3～5个小型分流区，以实现反应流场区2的分流。所述小型分流区的部分长凸台7上附有小凸台8，小凸台8与长凸台7垂直设置，该类小凸台8靠近反应流场区，其作用为分散气流，以实现分流后气体能均匀分布到流场各流道。
本实施例中，三个分流长凸台7将入口扩散区划分为四个小型分流区(第一个分流长凸台7与入口扩散区的上边缘之间形成第一个小型分流区，第一个分流长凸台7与第二个分流长凸台7之间形成第二个小型分流区，第二个分流长凸台7与第三个分流长凸台7之间形成第三个小型分流区，第三个分流长凸台7与入口扩散区的下边缘之间形成第四个小型分流区，如果分流长凸台7多于或少于3个，以此类推即可。)，并分别与三个流场凸台4连接，将反应流场也划分为四个区域，所有的分流长凸台7的一端和与其对接的流场凸台4连接成一体，另一端均位于圆形入口处，以圆形入口的圆心为中心呈辐射状布置。入口扩散区1的四个小型分流区中，又分别包含缓冲长凸台6(长度范围为18～20mm)、缓冲小凸台8(长度范围为1.5～2.5mm)、和缓冲中长型凸台9(长度范围为7～8mm)，以实现四个区域内部分流后，气体能均匀分布到平行直流道，本实施例中，除开横中线两侧的两个流场凸台4，其它每个流场凸台4都对接一个缓冲长凸台6、分流长凸台7、或者缓冲中长型凸台9，在缓冲长凸台6与分流长凸台7之间设置一个缓冲中长型凸台9，在两个相邻的分流长凸台7之间设置一个缓冲中长型凸台9。
其中位于最边缘处的两个流场凸台4分别对接一个缓冲长凸台6，此处的流场凸台4与缓冲长凸台6之间的间隙为0.5～1mm，如果连成一体，缓冲长凸台6两侧的分流量在分布均匀之前就被限定了，会导致分布不均匀，因此有间隙的设置会使得气流分布均匀。位于横中线的流场凸台4对接一个分流长凸台7，两者连成一体，在此处的分流长凸台7上对称设置有两个缓冲小凸台8，两个缓冲小凸台8分别位于横中线的两侧(缓冲小凸台8和与其同侧的流场凸台4(非中心的流场凸台4)的间隙范围为1～2mm)，且均与该处的分流长凸台7垂直，横中线两侧的缓冲小凸台8分别位于与其同侧的缓冲中长型凸台9与流场凸台4之间。除开位于横中线上的分流长凸台7，其他分流长凸台7靠入口扩散区该侧边缘的一侧均设有缓冲小凸台8，。
所述缓冲小凸台8和与其相邻的中长型凸台9之间的最小间隙范围在1～1.5mm之间。缓冲长凸台6、分流长凸台7、缓冲小凸台8、缓冲中长型凸台9均与反应流场区的凸台4等高等宽。所述缓冲中长型凸台9与流场凸台4之间的间隙为0.3～0.8mm。
相邻两个分流长凸台7之间的角度为47～48°；缓冲长凸台6靠近入口的一端和与其相邻的分流长凸台7之间的角度为13～14°，缓冲长凸台6靠近流场凸台4的一端和与其相邻的分流长凸台7平行。缓冲中长型凸台9和与其相邻的靠入口扩散区该侧边缘的一侧的分流长凸台7平行。通过这些角度的设计进一步保证了气体的均布。
所述双极板本体的材质为金属，通过在整块金属板上采用去除方式形成流道5以及扩散区的凸台，去除方式包括铣削，蚀刻以及其它能形成流道、凸台的方式。
反应流场区的流道有平行直流道、蛇形流道、交指形流道等，本实用新型中用的平行直流道。与市面上现有的炭纸阳极反应流场相比，平行直流道的排水性能明显优于多孔特性的炭纸。因水在炭纸中流动性弱，容易堵塞，因此本实用新型实现了反应生成物的顺畅排出。
具体使用时，反应气体从圆形入口进入入口扩散区，被均匀分布到扩散区的四个小型分流区，并且分布后的气体在每个区域内的三个平行直流道也能均匀分配，实现了12个直流道的气体均匀分布。12个流道的气体质量流量如表1所示，其中的最大值与最小值的相差百分比在0.3％左右，可以看出气体分布的均匀度很高。质量流量分布局部图如图4所示，从图4也可以看出气体被均匀分布。
| 反应流场流道序号 | 流道内气体质量流量kg/s |
| 1 | 4.25626498E-08 |
| 2 | 4.25811900E-08 |
| 3 | 4.26481666E-08 |
| 4 | 4.26809413E-08 |
| 5 | 4.26464399E-08 |
| 6 | 4.27005238E-08 |
| 7 | 4.27030313E-08 |
| 8 | 4.26490267E-08 |
| 9 | 4.26835904E-08 |
| 10 | 4.26466713E-08 |
| 11 | 4.25800063E-08 |
| 12 | 4.25615390E-08 |
表1
本实用新型主要涉及阳极流场，通过结构设计解决反应气体均匀分布问题、排水问题，同时保留了极板厚度较小的优点。
上述技术方案只是本实用新型的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本实用新型公开了原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本实用新型上述具体实施例所描述的结构，因此前面描述的只是优选的，而并不具有限制性的意义。
Claims (10)
1.一种燃料电池双极板，其特征在于：所述燃料电池双极板包括：反应流场区和扩散区，所述扩散区包括位于所述反应流场区一端的入口扩散区和位于该反应流场区另一端的出口扩散区；
所述燃料电池双极板关于其横中线、竖中线分别镜像对称；
在所述入口扩散区和出口扩散区分别设置有多个用于分流和缓冲的凸台；
在所述反应流场区设置有多个平行流场通道。
2.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述平行流场通道采用平行直流道，其深度为0.1～0.3mm，两个相邻平行直流道之间为流道凸台。
3.根据权利要求2所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述用于分流和缓冲的凸台包括：缓冲长凸台、分流长凸台、缓冲小凸台、缓冲中长型凸台，它们均与所述流道凸台等高等宽。
4.根据权利要求3所述的燃料电池双极板，其特征在于：位于两侧最边缘处的两个流场凸台分别对接一个缓冲长凸台，此处的流场凸台与缓冲长凸台之间的间隙为0.5～1mm；
除开所述位于两侧最边缘处的两个流场凸台以及位于横中线两侧的两个流场凸台，其余每个流场凸台均对接一个分流长凸台或者一个缓冲中长型凸台，每个分流长凸台均与一个流场凸台对接，每个缓冲中长型凸台均与一个流场凸台对接；
在每个缓冲长凸台和与其相邻的分流长凸台之间均设置一个缓冲中长型凸台，在两个相邻的分流长凸台之间均设置一个缓冲中长型凸台；
所述分流长凸台将扩散区划分为3～5个小型分流区，两个相邻的分流长凸台之间形成一个小型分流区。
5.根据权利要求4所述的燃料电池双极板，其特征在于：每个所述分流长凸台的一端均和与其对接的流场凸台连接成一体，另一端均位于入口扩散区的入口处或者出口扩散区的出口处，所有分流长凸台以入口扩散区的入口的圆心或者出口扩散区的出口的圆心为中心呈辐射状布置。
6.根据权利要求5所述的燃料电池双极板，其特征在于：与位于横中线的流场凸台对接的分流长凸台上对称设置有两个缓冲小凸台，两个缓冲小凸台分别位于横中线的两侧，且均与该处的分流长凸台垂直；
每侧的缓冲小凸台和与其同侧的流场凸台之间的间隙为1～2mm；
每侧的缓冲小凸台分别位于与其同侧的缓冲中长型凸台与流场凸台之间。
7.根据权利要求6所述的燃料电池双极板，其特征在于：在其余分流长凸台面向该侧边缘的一侧均设有缓冲小凸台；所述缓冲小凸台与该处的分流长凸台垂直；
每个小型分流区内的缓冲中长型凸台位于该小型分流区内的缓冲小凸台与流道凸台之间；每个小型分流区内的所述缓冲小凸台和缓冲中长型凸台之间的最小间隙在1～1.5mm之间。
8.根据权利要求7所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述缓冲中长型凸台和与其对接的流场凸台之间的间隙为0.3～0.8mm。
9.根据权利要求8所述的燃料电池双极板，其特征在于：相邻两个分流长凸台之间形成的角度为47～48°；
所述缓冲长凸台靠近入口或出口的一端和与其相邻的分流长凸台之间的角度为13～14°，所述缓冲长凸台靠近流场凸台的一端和与其相邻的分流长凸台平行；
所述缓冲中长型凸台和与其相邻的靠近该侧边缘一侧的分流长凸台平行。
10.根据权利要求3-9任一所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述缓冲长凸台的长度为18～20mm；所述缓冲小凸台的长度为1.5～2.5mm；所述缓冲中长型凸台的长度为7～8mm。
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