CN215418240U - 带有阴极混合流场结构的双极板 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带有阴极混合流场结构的双极板，包括反应流场、进气口和出气口，反应流场设于双极板的正面中部，进气口和出气口分设于反应流场的左右两侧，反应流场包括第一过渡腔室、平行流场和第二过渡腔室，第一过渡腔室设于进气口和平行流场之间，且第一过渡腔室连通进气口和平行流场的部分或全部直流道的一端；第二过渡腔室设于出气口和平行流场之间，且第二过渡腔室连通出气口和平行流场的部分或全部直流道的另一端，第一过渡腔室或/和第二过渡腔室内设有用于扰流的多个凸柱。本实用新型能够促进气体在电池内部更均匀的分布，更有效的传质以及更有利于产物水的排出，使得燃料电池能够在高电流密度下工作。

Description

带有阴极混合流场结构的双极板

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体是涉及一种带有阴极混合流场结构的双极板。

背景技术

随着化石能源的日益枯竭以及环境问题日趋严重,人们对于新能源的追求越来越强烈。作为一种清洁的能源转换设备,质子交换膜燃料电池具有环境友好(产物仅为水)、能量转换效率高、功率密度大、结构简单、工作温度低以及能够低温快速启动等优点，成为近几年的研究热点,特别是在交通、便携式电源以及固定电站等方面表现出良好的前景，国内的燃料电池行业也处于商业化前夕。但是，燃料电池想要商业化，也面临着成本高,稳定性差，耐久性差等限制。流场作为质子交换膜燃料电池的重要组成部分，在电池内担负着反应气体的分布，产物水的排出以及构成完整回路等重要任务，一种好的流场能够极大地提高电池的工作电压，对于促进电池商业化有着极其重要的意义。

质子交换膜燃料电池主要由双极板、膜电极、水管理和热管理系统组成；双极板是其中最关键的影响因素之一；为了保证质子交换膜燃料电池的性能稳定，需要保持每片膜电极两侧的温度相对均匀且一致，燃料分布均匀。

目前，燃料电池双极板流场的类型主要有蛇形流场、平行流场、生物仿真流场、十字流场等。

蛇形流场的优点是排水容易；缺点是不适用于面积较大的流场，因为较大流场面积下，每个流道过长，易导致燃料分布非常不均匀，从而影响排水和散热，造成燃料电池性能下降。

平行流场易加工、压降小、但气流的微小变化就容易导致燃料分布发生很大的波动，因此电池性能也不太稳定。

生物仿真和十字流场都可以大幅度改进流场燃料分布的均匀程度，但其加工非常困难，不利于实际的工业化应用。

发明内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提出一种带有阴极混合流场结构的双极板，能够促进气体在电池内部更均匀的分布，更有效的传质以及更有利于产物水的排出，使得燃料电池能够在高电流密度下工作。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种带有阴极混合流场结构的双极板，包括反应流场、进气口和出气口，所述反应流场设于所述双极板的正面中部，所述进气口和所述出气口分设于所述反应流场的左右两侧，所述反应流场包括第一过渡腔室、平行流场和第二过渡腔室，所述第一过渡腔室设于所述进气口和所述平行流场之间，且所述第一过渡腔室连通所述进气口和所述平行流场的部分或全部直流道的一端；所述第二过渡腔室设于所述出气口和所述平行流场之间，且所述第二过渡腔室连通所述出气口和所述平行流场的部分或全部直流道的另一端，所述第一过渡腔室或/和所述第二过渡腔室内设有用于扰流的多个凸柱。

进一步的，多个所述凸柱均匀排布于所述第一过渡腔室或/和所述第二过渡腔室内。

进一步的，所述凸柱的横截面形状为圆形、三角形或多边形。

进一步的，所述第一过渡腔室和所述第二过渡腔室均为弧形过渡区，所述弧形过渡区的弦面与所述进气口或所述出气口垂直，所述弧形过渡区的弧形面为所述平行流场的直流道的起点或终点。

进一步的，所述第一过渡腔室为弧形过渡区，所述第二过渡腔室为矩形过渡区，所述弧形过渡区的弦面与所述进气口垂直，所述弧形过渡区的弧形面为所述平行流场的直流道的起点，所述矩形过渡区连通所述平行流场的直流道的终点和所述出气口。

进一步的，所述第一过渡腔室和所述第二腔室均为三角形过渡区，所述三角形过渡区的一条边与所述进气口或所述出气口垂直，所述三角形过渡区的另一相邻边为所述平行流场的直流道的起点或终点。

进一步的，所述弧形过渡区的弧形面对应的弧度角的范围为60°～180°；所述弧形过渡区的深度与所述平行流场的直流道的槽深相同。

进一步的，所述第一过渡腔室与所述进气口之间以及第二过渡腔室与所述出气口之间均形成有过渡斜坡，所述过渡斜坡背向所述第一过渡腔室或所述第二过渡腔室的一侧形成有支撑台，所述支撑台上形成有若干隔栏，相邻两个所述隔栏之间形成连通所述进气口与所述第一过渡腔室或连通所述出气口与所述第二过渡腔室的气流通道，所述支撑台的高度低于所述第一过渡腔室或所述第二过渡腔室的底部；最外侧的所述隔栏处设有垫片槽。

进一步的，所述进气口处的所述气流通道的宽度不大于所述出气口处的所述气流通道的宽度。

进一步的，所述双极板正面设有环形的密封垫，所述密封垫将所述反应流场、所述进气口和所述出气口包围在内。

本实用新型的有益效果是：

相比现有技术，本实用新型实施例优化了平行流场类型的双极板结构，通过在平行流场与进气口及出气口之间设置过渡腔室，在过渡腔室内设置用于扰流的多个凸柱，形成了一种带有阴极混合流场结构的双极板，过渡腔室可以增加气流的湍动，促进气体传质到mea内部，提高电池性能，同时也有利于水的排出。多个凸柱设置在过渡腔室内，可以加大气流扰动，且可以增加mea的支撑面积，减小接触电阻，促进气体交换，提高电池性能。优选的，过渡腔室为弧形过渡区，利用弧形过渡区改变气体的流动方向，引导气体由双极板的上端向下端流动，可以防止气体直接通过平行流场的上部流道流向出口。这样，气体经过过渡腔室的混合后流向每个流道的气流几乎一致，促进了流体在平行流场的直流道中更有效、更均匀的分配，进而增加燃料电池内气体向MEA的扩散,促进传质。同时，有利于MEA中生成水的排出，进而增加燃料电池在高电流密度下的性能。因此，本实用新型带有阴极混合流场结构的双极板的流场具有传质效果好，排水能力强等优点，能够显著提高燃料电池的性能。相对于其他类型流场，本实用新型的流场加工简单，不需要复杂的模具设计，利用传统的机械加工就可以实现，在质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池领域具有巨大的应用潜力。

附图说明

图1为本实用新型实施例带有阴极混合流场结构的双极板的立体图；

图2为图1中A处的放大结构示意图；

图3为本实用新型实施例带有阴极混合流场结构的双极板的正视图；

图4为本实用新型实施例包含有密封垫及垫片的带有阴极混合流场结构的双极板的立体图；

结合附图，作以下说明：

1-反应流场，11-第一过渡腔室，12-平行流场，121-直流道，13-第二过渡腔室，2-进气口，3-出气口，4-过渡斜坡，5-支撑台，6-隔栏，7-气流通道，8-垫片槽，9-密封垫，10-垫片，100-凸柱。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型的技术内容，特举以下实施例详细说明，其目的仅在于更好理解本实用新型的内容而非限制本实用新型的保护范围。实施例附图的结构中各组成部分未按正常比例缩放，故不代表实施例中各结构的实际相对大小。其中所说的结构或面的上面或上侧，包含中间还有其他层的情况。

图1为本实用新型实施例带有阴极混合流场结构的双极板的立体图；图2为图1中A处的放大结构示意图；图3为本实用新型实施例带有阴极混合流场结构的双极板的正视图；如图1、图2和图3所示，一种燃料电池双极板，包括反应流场1、进气口2和出气口3，所述反应流场设于所述双极板的正面中部，所述进气口和所述出气口分设于所述反应流场的左右两侧，所述反应流场包括第一过渡腔室11、平行流场12和第二过渡腔室13，所述第一过渡腔室设于所述进气口和所述平行流场之间，且所述第一过渡腔室连通所述进气口和所述平行流场的部分或全部直流道121的一端；所述第二过渡腔室设于所述出气口和所述平行流场之间，且所述第二过渡腔室连通所述出气口和所述平行流场的部分或全部直流道的另一端；所述第一过渡腔室或/和所述第二过渡腔室内设有用于扰流的多个凸柱100。这样，通过在平行流场与进气口及出气口之间设置过渡腔室，在过渡腔室内设置用于扰流的多个凸柱，形成了一种带有阴极混合流场结构的双极板，过渡腔室可以增加气流的湍动，促进气体传质到mea内部，提高电池性能，同时也有利于水的排出。多个凸柱设置在过渡腔室内，可以加大气流扰动，且可以增加mea的支撑面积，减小接触电阻，促进气体交换，提高电池性能。本实用新型实施例利用过渡腔室改变气体的流动方向，引导气体由双极板的上端向下端流动，可以防止气体直接通过平行流场的上部流道流向出口。这样，气体经过过渡腔室的混合后流向每个流道的气流几乎一致，促进了流体在平行流场的直流道中更有效、更均匀的分配，进而增加燃料电池内气体向MEA的扩散,促进传质。同时，有利于MEA中生成水的排出，进而增加燃料电池在高电流密度下的性能。因此，本实用新型带有阴极混合流场结构的双极板的流场具有传质效果好，排水能力强等优点，能够显著提高燃料电池的性能。相对于其他类型流场，本实用新型的流场加工简单，不需要复杂的模具设计，利用传统的机械加工就可以实现，在质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池领域具有巨大的应用潜力。

优选的，多个所述凸柱均匀排布于所述第一过渡腔室或/和所述第二过渡腔室内。具体排布结构可以根据需要进行优化设计，比如，多个凸柱的分布可以是有序的阵列状分布、递增或递减的规律分布、上下对称式的分布或者无序的不规律分布。这样，过渡腔室内填充点状凸柱，可以促进气体在电池内部更均匀的分布，更有效的传质。

优选的，所述凸柱的横截面形状为圆形、三角形或多边形。但不限于此，也可以是其他规则或不规则的形状。

上述结构中，第一过渡腔室与第二过渡腔室的形状不限，只要能实现引导气体由双极板的上端向下端流动，防止气体直接通过平行流场的上部流道流出的功能即可，优选的，所述第一过渡腔室和所述第二过渡腔室均为弧形过渡区，所述弧形过渡区的弦面与所述进气口或所述出气口垂直，所述弧形过渡区的弧形面为所述平行流场的直流道的起点或终点。这样，可以利用弧形面的弧度，引导气体由双极板的上端向下端流动，防止气体直接通过平行流场的上部流道流向出口，促进流体在直通道中更有效、更均匀的分配，同时也有利于排出反应过程中产生水，进而增加电池在高电流密度下的性能。

作为另一种优选实施例，所述第一过渡腔室为弧形过渡区，所述第二过渡腔室为矩形过渡区，所述弧形过渡区的弦面与所述进气口垂直，所述弧形过渡区的弧形面为所述平行流场的直流道的起点，所述矩形过渡区连通所述平行流场的直流道的终点和所述出气口。这样，在平行流场与进气口之间设置弧形过渡区，利用弧形过渡区改变气体的流动方向，引导气体由双极板的上端向下端流动，可有效防止气体直接通过平行流场的上部流道流向出口。而在平行流场与出气口之间设置矩形过渡区，矩形过渡区可以起到汇聚平行流场的各直流道的气体至出气口。

作为另一种优选实施例，所述第一过渡腔室和所述第二腔室均为三角形过渡区，所述三角形过渡区的一条边与所述进气口或所述出气口垂直，所述三角形过渡区的另一相邻边为所述平行流场的直流道的起点或终点。这样，可以利用三角形的两相邻边的斜度，引导气体由双极板的上端向下端流动，防止气体直接通过平行流场的上部流道流向出口，促进流体在直通道中更有效、更均匀的分配，同时也有利于排出反应过程中产生水，进而增加电池在高电流密度下的性能。

弧形过渡区中弧形面的大小在于弧形面对应的弧度角的大小、理论上其范围可以为0°～180°。优选的，所述弧形过渡区的弧形面对应的弧度角的范围为60°～180°，可以实现更好的导流作用。优选的，弧形过渡区的深度与所述平行流场的直流道的槽深相同。但不限于此，在其他实施中，弧形过渡区的深度还可以与所述平行流场的直流道的槽深不同，比如其范围优选为0.1～1mm。

可选的，所述弧形过渡区为全弧形或半弧形或多弧形或s形。全弧形是指圆心在中心线上，半弧形是指圆心在边线上，多弧形是指有两个或以上圆心，s型是指圆心分布的两侧。

在其他实施例中，参见图2、图3和图4，所述第一过渡腔室与所述进气口之间以及第二过渡腔室与所述出气口之间均形成有过渡斜坡4，所述过渡斜坡背向所述第一过渡腔室或所述第二过渡腔室的一侧形成有支撑台5，所述支撑台上形成有若干隔栏6，相邻两个所述隔栏之间形成连通所述进气口与所述第一过渡腔室或连通所述出气口与所述第二过渡腔室的气流通道7，所述支撑台的高度低于所述第一过渡腔室或所述第二过渡腔室的底部。这样，通过在第一过渡腔室与进气口之间以及第二过渡腔室与出气口之间设置过渡斜坡4，形成一种Z型导流结构，即平行流场区域的二端分别与过渡腔室相连通，过渡腔室再通过过渡斜坡与进、出气口的流场相连通。优选的，过渡斜坡的坡度可以设置在30°～60°之间。通过在过渡斜坡背向过渡腔室的一侧设置支撑台，在支撑台上设置多个隔离，相邻隔栏之间形成气流通道，这样，可以在隔栏上设置垫片，即既可以通流，又保证良好的密封性，防止mea被压坏。

优选的，最外侧的所述隔栏处设有垫片槽8。这样，可以在垫片槽内设置垫片10，两端的两个垫片槽起到固定垫片的作用，同时，垫片支撑在隔栏上，这样，垫片可以防止mea被压坏，同时还可以提高密封效果。优选的，垫片槽深度为1.5mm。

优选的，所述进气口处的所述气流通道的宽度不大于所述出气口处的所述气流通道的宽度。这样，将进气口处的气流通道的宽度设计不大于出气口处的气流通道的宽度，可以增大出气口处气流的汇聚速度。

图4为本实用新型实施例包含有密封垫及垫片的带有阴极混合流场结构的双极板的立体图。参见图4，优选的，所述双极板正面设有环形的密封垫9，所述密封垫将所述反应流场、所述进气口和所述出气口包围在内在。密封垫与双极板之间可以直接贴合，且厚度可以做到很薄，可以避免在双极板上形成密封槽，因此，可以降低双极板的厚度，从而可以把双极板做的更薄，减小电堆的体积和重量。

本实用新型带有阴极混合流场结构的双极板的工作原理为：气体经过进气口进入第一过渡腔室进行扰动混合，混合后的气体在经过平行流道之后在第二过渡腔室中汇聚，最后从出气口排出。

以上实施例是参照附图，对本实用新型的优选实施例进行详细说明，本领域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的修改或变更，但不背离本实用新型的实质的情况下，都落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带有阴极混合流场结构的双极板，其特征在于，包括反应流场(1)、进气口(2)和出气口(3)，所述反应流场设于所述双极板的正面中部，所述进气口和所述出气口分设于所述反应流场的左右两侧，所述反应流场包括第一过渡腔室(11)、平行流场(12)和第二过渡腔室(13)，所述第一过渡腔室设于所述进气口和所述平行流场之间，且所述第一过渡腔室连通所述进气口和所述平行流场的部分或全部直流道(121)的一端；所述第二过渡腔室设于所述出气口和所述平行流场之间，且所述第二过渡腔室连通所述出气口和所述平行流场的部分或全部直流道的另一端，所述第一过渡腔室或/和所述第二过渡腔室内设有用于扰流的多个凸柱(100)。

2.根据权利要求1所述的带有阴极混合流场结构的双极板，其特征在于：多个所述凸柱均匀排布于所述第一过渡腔室或/和所述第二过渡腔室内。

3.根据权利要求1所述的带有阴极混合流场结构的双极板，其特征在于：所述凸柱的横截面形状为圆形、三角形或多边形。

4.根据权利要求1所述的带有阴极混合流场结构的双极板，其特征在于：所述第一过渡腔室和所述第二过渡腔室均为弧形过渡区，所述弧形过渡区的弦面与所述进气口或所述出气口垂直，所述弧形过渡区的弧形面为所述平行流场的直流道的起点或终点。

5.根据权利要求1所述的带有阴极混合流场结构的双极板，其特征在于：所述第一过渡腔室为弧形过渡区，所述第二过渡腔室为矩形过渡区，所述弧形过渡区的弦面与所述进气口垂直，所述弧形过渡区的弧形面为所述平行流场的直流道的起点，所述矩形过渡区连通所述平行流场的直流道的终点和所述出气口。

6.根据权利要求1所述的带有阴极混合流场结构的双极板，其特征在于：所述第一过渡腔室和所述第二过渡腔室均为三角形过渡区，所述三角形过渡区的一条边与所述进气口或所述出气口垂直，所述三角形过渡区的另一相邻边为所述平行流场的直流道的起点或终点。

7.根据权利要求4或5所述的带有阴极混合流场结构的双极板，其特征在于：所述弧形过渡区的弧形面对应的弧度角的范围为60°～180°；所述弧形过渡区的深度与所述平行流场的直流道的槽深相同。

8.根据权利要求1所述的带有阴极混合流场结构的双极板，其特征在于：所述第一过渡腔室与所述进气口之间以及第二过渡腔室与所述出气口之间均形成有过渡斜坡(4)，所述过渡斜坡背向所述第一过渡腔室或所述第二过渡腔室的一侧形成有支撑台(5)，所述支撑台上形成有若干隔栏(6)，相邻两个所述隔栏之间形成连通所述进气口与所述第一过渡腔室或连通所述出气口与所述第二过渡腔室的气流通道(7)，所述支撑台的高度低于所述第一过渡腔室或所述第二过渡腔室的底部；最外侧的所述隔栏处设有垫片槽(8)。

9.根据权利要求8所述的带有阴极混合流场结构的双极板，其特征在于：所述进气口处的所述气流通道的宽度不大于所述出气口处的所述气流通道的宽度。

10.根据权利要求1所述的带有阴极混合流场结构的双极板，其特征在于：所述双极板正面设有环形的密封垫(9)，所述密封垫将所述反应流场、所述进气口和所述出气口包围在内。

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