CN212257565U - 不连续凹道的燃料电池流场板及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种不连续凹道的燃料电池流场板，包括流场板，所述流场板上设置进气口、出气口以及流道，所述进气口和出气口通过流道相连通，所述流道的两侧设置有脊，所述脊上设置有多个凹槽，多个所述凹槽沿流道长度的方向间隔布置，其中所述流道与凹槽连通，流道与两侧不连续布置的凹槽共同作为流体输送的通道，本实用新型通过在脊的两侧上间隔设置凹槽，产生局部湍流，加强反应气体向气体扩散层的传质与传热；凹槽将流道壁面进行分割，减少了液滴与流道壁面的有效接触面积，避免形成连续的水膜，使流道内的液态水不易堆积，缓解了“水淹”现象的发生，并且使气体流速增大，有利于液态水的排出。

Description

不连续凹道的燃料电池流场板及燃料电池

技术领域

本实用新型涉及燃料电池领域，具体地，涉及一种不连续凹道的燃料电池流场板及燃料电池，尤其是涉及一种适用于氢-空气燃料电池和氢氧燃料电池的流场板以及包括该流场板的燃料电池。

背景技术

氢-空气燃料电池因其具有能量转化效率高、启动快、工作温度低、尾气污染小和噪声小等优点而在能源领域备受青睐。燃料电池作为移动电源具有得天独厚的优势，丰田公司、现代公司等国际知名汽车公司都已经开发出以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为动力的燃料电池汽车，并且越来越多的企业致力于燃料电池汽车的开发。

每个单电池由阴极板、阳极板以及夹在两个极板之间的膜电极组成。阴极板上设有氧化剂流道，该流道是氧化剂流动和传质的场所，氧化剂经过其到达阴极催化层；阳极板上设有燃料流道，该流道是燃料气流动和传质的场所，燃料气通过其到达阳极催化层。借助于所述的氧化剂流道两个流道，燃料气和氧化剂可以被源源不断地输送到燃料电池的催化层上进行反应，从而保证了燃料电池稳定的功率输出。

燃料电池的水管理问题对燃料电池的性能具有很大影响，当燃料电池内水含量不足时，质子交换膜处于一种脱水状态，使膜的质子电导率急剧下降，严重影响燃料电池的正常工作。当燃料电池中含水量过高时，容易发生“水淹”现象，气体流道、气体扩散层甚至催化层被水淹没，导致反应物气体无法到达反应位点参与反应，引起燃料电池性能急剧恶化。对双极板的流道进行合理设计，可以有效改善反应物气体的流场分布，减少流道中的液态水堆积，加快液态水排出，防止水淹现象的发生。

目前针对防止水淹的专利主要集中在双极板的流道结构上，常见的流道结构有蛇形流道、交指形流道和各种仿生学流道，这些流道结构都无法很好地解决“水淹”问题。如专利文献CN206148539U公开了一种螺旋渐变式流道设计，包括进气口、出气口、流道、脊，该流道在工作时气体由进气口沿着螺旋式流道的方向到达出气口，流道的深度沿着流道方向发生线性变化，由进气口深度值逐渐减小到出气口深度值。该设计保证进出气体的压差不会有太大波动，并且可以通过离心力的作用将生成的水带离流道，避免“水淹”现象的发生，但该设计可能导致气体分布不均匀，从而影响反应在活性位点的进行，导致电流密度降低。因此，现有的燃料电池流场板仍有待改进。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种不连续凹道的燃料电池流场板及燃料电池。

根据本实用新型提供的一种不连续凹道的燃料电池流场板，包括流场板，所述流场板上设置进气口、出气口以及流道，所述进气口和出气口通过流道相连通，所述流道的两侧都设置有脊；

所述脊上设置有多个凹槽，多个所述凹槽沿流道长度的方向间隔布置，其中所述流道与凹槽连通并共同形成流体输送的通道。

优选地，所述凹槽位于脊沿高度方向的中间部位，多个所述凹槽沿流道长度的方向均匀或非均匀分布。

优选地，所述凹槽的横截面为矩形、三角形、梯形、半圆形或半椭圆形结构中的任一种。

优选地，所述流道采用如下任一种布置形式：

-直流道；

-蛇形流道，其中蛇形流道包括S形流道以及交指形流道；

-折形流道。

优选地，当所述流道采用直流道或折形流道时，所述流道的数量为多个，多个所述流道依次间隔布置，其中，每两个相邻的流道之间都设置有脊。

优选地，当所述流道采用直流道时，多个所述流道依次平行间隔布置。

优选地，每个所述流道都匹配有进气口和出气口。

优选地，所述流道的横截面为梯形结构。

优选地，所述流场板采用石墨材料或金属制作。

根据本实用新型提供的一种燃料电池，包括阴极流场板以及阳极流场板，所述阴极流场板和阳极流场板中至少一个采用所述的不连续凹道的燃料电池流场板。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

1、本实用新型基于湍流原理，在脊的两侧上间隔设置凹槽，产生局部湍流，加强反应气体向气体扩散层的传质与传热；凹槽将流道壁面进行分割，减少了液滴与流道壁面的有效接触面积，避免形成连续的水膜，使流道内的液态水不易堆积，缓解了“水淹”现象的发生，并且使气体流速增大，有利于液态水的排出。

2、本实用新型中的凹槽结构增加了对流换热面积，使流场换热能力增强，改善了流场的温度分布。

3、本实用新型中的流场板结构简单，便于制造，有利于工业生产和应用。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型实施例1的结构示意图；

图2为图1中A部位的结构放大示意图；

图3为图1中B部位的结构放大示意图；

图4为实施例2的结构示意图；

图5为图4中C部位的结构放大示意图；

图6为图4中D部位的结构放大示意图；

图7为实施例3的结构示意图；

图8为图7中E部位的结构放大示意图；

图9为图7中F部位的结构放大示意图；

图10为实施例4的结构示意图；

图11为图10中G部位的结构放大示意图；

图12为图10中H部位的结构放大示意图。

图中示出：

进气口1 脊4 凹槽处流道截面7

出气口2 流场板5 无凹槽处流道截面8

流道3 凹槽6

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

针对燃料电池流道易发生“水淹”的问题，本实用新型基于湍流理论，旨在提供一种能够减少液态水在流道内堆积，并加强流场传质和导热能力的新型燃料电池流场板，具体地，本实用新型提供了一种不连续凹道的燃料电池流场板，适用于氢-空气燃料电池及氢氧燃料电池。如图1-图8所示，包括流场板5，所述流场板5上设置进气口1、出气口2以及流道3，所述进气口1和出气口2通过流道3相连通，所述流道3的两侧都设置有脊4，所述脊4上设置有多个凹槽6，多个所述凹槽6沿流道3长度的方向间隔布置，其中所述流道3分别与两侧的凹槽6连通并共同形成流体输送的通道，在一个优选例中，多个所述凹槽6沿流道3长度的方向均匀分布，在一个变化例中，多个所述凹槽6沿流道3长度的方向非均匀分布。

具体地，所述凹槽6沿长度方向相垂直的方向截面即凹槽6的横截面能够设置为多种形式，例如为矩形，再例如三角形，还可以设置为梯形、半圆形或半椭圆形结构等，所述流道3的横截面为流道截面，流道截面为梯形结构，如图2所示，为凹槽处流道截面7，如图3所示，为无凹槽处流道截面8，所述凹槽6位于脊4沿高度方向的中部。

具体地，所述流道3的结构布置也可以根据实际的需求设置多种形式，例如，直流道，再例如，折形流道，还可以是蛇形流道，其中，蛇形流道还包括S形流道以及交指形流道。

进一步地，当所述流道3采用直流道或折形流道时，所述流道3的数量为多个，多个所述流道3依次间隔布置，其中，每两个相邻的流道3之间都设置有脊4，每个所述流道3都匹配有进气口1和出气口2。在一个优选例中，当所述流道3采用直流道时，多个所述流道3依次平行间隔布置，如图1所示。

在实际的应用中，所述流场板5采用石墨材料或金属制作。

本实用新型还提供了一种燃料电池，该燃料电池可以为氢-空气燃料电池，也可以为氢氧燃料电池，其中所述燃料电池包括阴极流场板以及阳极流场板，所述阴极流场板和阳极流场板中至少一个采用所述的不连续凹道的燃料电池流场板。本实用新型的燃料电池通过采用上述流场板，减少了液态水在流道中的堆积，加强了传质和换热能力，因此本实用新型的燃料电池拥有更优的性能。

实施例1

如图1所示，一种不连续凹道的燃料电池流场板，主要适用于氢-空气燃料电池和氢氧燃料电池，所述流场板5由石墨材料制成，包括进气口1、出气口2、流道3以及脊4，所述脊4的两侧分别设置有凹槽6，凹槽6的数量为多个，多个所述的凹槽6沿流道3长度的方向均匀间隔布置，凹槽6的大小和间距均不变，流道3的两侧都与多个不连续布置的凹槽6连通并共同形成输送流体的通道。所述进气口1和出气口2通过流场板5上的流道3相连。流道3采用平行流道，流道截面采用梯形截面，如图2、图3所示，其中图2为凹槽处流道截面，图3为无凹槽处流道截面，流道两侧的凹槽6采用矩形槽。本实用新型的流场板5在工作时，将气体通入进气口1，气体沿着流道3进行移动和反应，到达出气口2处排出未反应的气体和反应生成的水。流场板5中的脊4与流道3交替相间排布，起到了支撑流场板5和分隔气体的作用。凹槽6是脊4两侧壁面上的凹槽并与流道3连通，当气体流经带槽的流道时，一方面由于截面面积的变化引起气体流速和压力的波动，形成局部湍流，强化气体向扩散层的传质以及热量交换，提高化学反应速率；另一方面凹槽结构将流道壁面进行分割，减少了水滴和流道壁接触的有效面积，使液滴不易聚积，从而连续的水膜不易在流道内形成，因此液态水更容易被排除，凹槽6还增加了对流换热面积，使流场换热增强，温度场分布更加均匀。

实施例2

如图4所示，一种不连续凹道的燃料电池流场板，主要适用于氢-空气燃料电池和氢氧燃料电池，所述流场板5由石墨材料制成，包括进气口1、出气口2、流道3以及脊4，所述脊4的两侧设置有凹槽且凹槽与流道3连通。所述进气口1和出气口2通过流场板5上的流道3相连。流道3采用蛇形流道，如图5、图6所示，流道截面采用梯形截面，流道3两侧的凹槽6采用半圆形槽，凹槽6的数量为多个，多个所述的凹槽6沿流道3长度的方向均匀间隔布置，即凹槽6的大小和间距均不变，流道3的两侧都与多个不连续布置的凹槽6连通并共同形成输送流体的通道。本实用新型的流场板5在工作时，将气体通入进气口1，气体沿着流道3进行移动和反应，到达出气口2处排出未反应的气体和反应生成的水。流场板5中的脊4与流道3交替相间排布，起到了支撑流场板5和分隔气体的作用。其中图5为凹槽处流道截面，图6为无凹槽处流道截面，半圆形槽将脊4两侧平整的壁面进行界面分割，当气体流经带槽的流道时，一方面由于截面面积的变化引起气体流速和压力的波动，形成局部湍流，强化气体向扩散层的传质以及热量交换，提高化学反应速率；另一方面凹槽结构将流道壁面进行分割，减少了水滴和流道壁接触的有效面积，使液滴不易聚积，从而连续的水膜不易在流道内形成，因此液态水更容易被排除，凹槽还增加了对流换热面积，使流场换热增强，温度场分布更加均匀。

实施例3

如图7所示，一种不连续凹道的燃料电池流场板，主要适用于氢-空气燃料电池和氢氧燃料电池，所述流场板5由金属材料制成，包括进气口1、出气口2、流道3以及脊4，所述脊4的两侧分别设置有凹槽6。所述进气口1和出气口2通过流场板5上的流道3相连。流道3采用折形流道，流道截面7采用梯形截面，如图8、图9所示，流道两侧的凹槽6采用三角形槽，凹槽6的数量为多个，多个所述的凹槽6沿流道3长度的方向均匀间隔布置，即凹槽6的大小和间距均不变，流道3的两侧都与多个不连续布置的凹槽6连通并共同形成输送流体的通道。本实用新型的流场板5在工作时，将气体通入进气口1，气体沿着流道3进行移动和反应，到达出气口2处排出未反应的气体和反应生成的水。流场板5中的脊4与流道3交替相间排布，起到了支撑流场板5和分隔气体的作用。当气体流经带槽的流道时，一方面由于截面面积的变化引起气体流速和压力的波动，形成局部湍流，强化气体向扩散层的传质以及热量交换，提高化学反应速率；另一方面凹槽结构将流道壁面进行分割，减少了水滴和流道壁接触的有效面积，使液滴不易聚积，从而连续的水膜不易在流道内形成，因此液态水更容易被排除，凹槽还增加了对流换热面积，使流场换热增强，温度场分布更加均匀。

实施例4

如图10所述，一种不连续凹道的燃料电池流场板，主要适用于氢-空气燃料电池和氢氧燃料电池，所述流场板5由金属材料制成，包括进气口1、出气口2、流道3以及脊4，所述脊4的两侧分别设置凹槽6。所述进气口1和出气口2通过流场板5上的流道3相连。流道3采用S形流道，流道截面7采用梯形截面，如图11、图12所示，流道3两侧的凹槽6采用半椭圆形槽，凹槽6的数量为多个，多个所述的凹槽6沿流道3长度的方向均匀间隔布置，即凹槽6的大小和间距均不变，流道3的两侧都与多个不连续布置的凹槽6连通并共同形成输送流体的通道。本实用新型的流场板5在工作时，将气体通入进气口1，气体沿着流道3进行移动和反应，到达出气口2处排出未反应的气体和反应生成的水。流场板5中的脊4与流道3交替相间排布，起到了支撑流场板5和分隔气体的作用。当气体流经带槽的流道时，一方面由于截面面积的变化引起气体流速和压力的波动，形成局部湍流，强化气体向扩散层的传质以及热量交换，提高化学反应速率；另一方面凹槽结构将流道壁面进行分割，减少了水滴和流道壁接触的有效面积，使液滴不易聚积，从而连续的水膜不易在流道内形成，因此液态水更容易被排除，凹槽还增加了对流换热面积，使流场换热增强，温度场分布更加均匀。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种不连续凹道的燃料电池流场板，其特征在于，包括流场板(5)，所述流场板(5)上设置进气口(1)、出气口(2)以及流道(3)，所述进气口(1)和出气口(2)通过流道(3)相连通，所述流道(3)的两侧都设置有脊(4)；

所述脊(4)上设置有多个凹槽(6)，多个所述凹槽(6)沿流道(3)长度的方向间隔布置，其中所述流道(3)与凹槽(6)连通并共同形成流体输送的通道。

2.根据权利要求1所述的不连续凹道的燃料电池流场板，其特征在于，所述凹槽(6)位于脊(4)沿高度方向的中间部位，多个所述凹槽(6)沿流道(3)长度的方向均匀或非均匀分布。

3.根据权利要求1所述的不连续凹道的燃料电池流场板，其特征在于，所述凹槽(6)的横截面为矩形、三角形、梯形、半圆形或半椭圆形结构中的任一种。

4.根据权利要求1所述的不连续凹道的燃料电池流场板，其特征在于，所述流道(3)采用如下任一种布置形式：

-直流道；

-蛇形流道，其中蛇形流道包括S形流道以及交指形流道；

-折形流道。

5.根据权利要求4所述的不连续凹道的燃料电池流场板，其特征在于，当所述流道(3)采用直流道或折形流道时，所述流道(3)的数量为多个，多个所述流道(3)依次间隔布置，其中，每两个相邻的流道(3)之间都设置有脊(4)。

6.根据权利要求5所述的不连续凹道的燃料电池流场板，其特征在于，当所述流道(3)采用直流道时，多个所述流道(3)依次平行间隔布置。

7.根据权利要求5或权利要求6所述的不连续凹道的燃料电池流场板，其特征在于，每个所述流道(3)都匹配有进气口(1)和出气口(2)。

8.根据权利要求1所述的不连续凹道的燃料电池流场板，其特征在于，所述流道(3)的横截面为梯形结构。

9.根据权利要求1所述的不连续凹道的燃料电池流场板，其特征在于，所述流场板(5)采用石墨材料或金属制作。

10.一种燃料电池，其特征在于，包括阴极流场板以及阳极流场板，所述阴极流场板和阳极流场板中至少一个采用权利1至9中任一项所述的不连续凹道的燃料电池流场板。

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