CN215771215U - 一种电池双极板分配头、质子交换膜燃料电池和无人帆船 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种电池双极板分配头、质子交换膜燃料电池和无人帆船，涉及燃料电池技术领域，解决了现有技术中流体分布不均以及反应水不能及时排出的问题。本实用新型的电池双极板分配头，分流点和汇流点位于电池的流道反应区两侧，进气导流区的一端与进气口连通，另一端经分流区和分流点与流道反应区连通，并且进气导流区、分流区和分流点的宽度依次减小；出气导流区的一端与出气口连通，另一端经汇流区和汇流点与流道反应区连通，并且汇流点、汇流区和出气导流区的宽度依次增大。本实用新型的电池双极板分配头，在提高流体分布均匀性的同时，最大程度的降低了功耗，既满足产品结构性能的要求，也可大大降低生产成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种电池双极板分配头、包括该电池双极板分配头的质子交换膜燃料电池和使用该质子交换膜燃料电池的无人帆船。
背景技术
燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化成电能的装置，具有能量转换率高、环境友好、操作温度低等优点，是一种极具发展前景的清洁能源技术。金属双极板是质子交换膜燃料电池的核心部件，金属双极板相较于石墨和复合双极板具有明显的优势，如其导热导电性能佳、阻气性好、机械强度高等，正逐步成为高功率密度燃料电池设计的技术潮流和研究热点。
双极板具有收集传导电流、支撑膜电极、均匀输送并隔离反应气体、流通冷却液、快速散热等多种重要功能，制约着燃料电池性能和耐久性。双极板流场中的冷却介质、反应介质的传输特性对燃料电池的性能和耐久性具有重要影响。因此，双极板的设计须兼顾反应工质传质和排水的要求。然而，燃料电池中反应介质的流动方向平行于极板平面，电化学反应引起的传质浓度梯度则垂直于极板平面，因此，如何将流场平面上反应介质流动的传质强化与电化学反应强化有机结合起来是燃料电池设计的技术难点。
此外，流道结构影响反应介质在流道内的流动以及在气体扩散层中的分布，对燃料电池的工作性能具有较大的影响。申请人发现，现有的燃料电池由于板型结构制约，多数极板反应介质的出入口设置在角部，导致不同流道分支中的压降相差较大，从而多数气体从具有最小压降的边缘通道流过，而通过中间通道的反应介质流量较少，出现分流不均的现象。另外，当电堆在高功率密度运行的情况下，由于电化学反应单位时间内将产生更多的反应水，反应水不能及时排出，此时将出现燃料电池的一大难点现象——水淹，从而引起燃料电池电压及功率急剧下降，系统出于自动保护，将降低氢气和氧气的进气量，燃料电池性能不能达到高功率密度，从而降低了燃料电池的最大输出功率。
图1示出了燃料电池结构的剖面示意图，图2示出了燃料电池工作示意图。如图1和图2所示，在流道内部流通的工质为反应气体、水蒸气及凝结水的多相混合物。其中的水来自于阴极催化层的还原反应，经扩散作用(通过扩散层)进入阴阳极流道并随着气体流动排出流道。反应生成水的及时排出能够显著提高燃料电池性能，一方面是避免了催化层的水淹，从而避免了催化剂的电化学腐蚀，另一方面是避免了堵塞反应气体的扩散传质通道，从而避免了催化层上的“燃料饥饿”。因此，流道内部工质的流动性极其重要。
专利号为CN102034986A的专利公开了一种质子交换膜燃料电池双极板分配头，但是这种双极板分配头的导流区由极细密的点阵结构组成，加工工艺要求极高，且易出现分流不均的现象，介质从中挑选压降最大的流道“逃逸”。
专利号为CN108470922A的专利公开了一种燃料电池双极板分配头，但是这种形式的分配头分流情况偏向于右侧流道，左侧反应区基本无反应介质通过，且离散型式点阵分布与直流道交错的设计，造成结构空隙大，影响双极板的支撑效果以及双极板与膜电极间的接触电阻。
实用新型内容
本实用新型的其中一个目的是提出一种电池双极板分配头、质子交换膜燃料电池和无人帆船，解决了现有技术中流体分布不均以及反应水不能及时排出的技术问题。本实用新型优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
为实现上述目的，本实用新型提供了以下技术方案：
本实用新型的电池双极板分配头，包括进气区和出气区，其中，所述进气区包括进气口、进气导流区、分流区和分流点，所述出气区包括出气口、出气导流区、汇流区和汇流点，所述分流点和所述汇流点位于电池的流道反应区两侧，所述进气导流区的一端与所述进气口连通，所述进气导流区的另一端经所述分流区和所述分流点与所述流道反应区连通，并且所述进气导流区、所述分流区和所述分流点的宽度依次减小；所述出气导流区的一端与所述出气口连通，所述出气导流区的另一端经所述汇流区和所述汇流点与所述流道反应区连通，并且所述汇流点、所述汇流区和所述出气导流区的宽度依次增大。
根据一个优选实施方式，所述进气口和所述出气口处设置有第一凸起部和第二凸起部，所述第一凸起部和所述第二凸起部间隔设置于双极板的底平板上，所述第一凸起部和所述第二凸起部向不同方向倾斜并使所述第一凸起部和所述第二凸起部之间形成夹角。
根据一个优选实施方式，所述第一凸起部和所述第二凸起部所形成夹角的中心线与所述进气口或所述出气口相垂直，并且所述夹角为0.5～120°。
根据一个优选实施方式，所述第一凸起部和所述第二凸起部的高度为1.5～8.0mm。
根据一个优选实施方式，所述进气区包括多个所述分流区，相邻两个所述分流区之间的间距为0.8～3.5mm，所述进气导流区为从靠近所述进气口一端到远离所述进气口一端宽度逐渐缩小的结构并使每个所述分流区内气体的压力和流速相当；所述出气区包括多个所述汇流区，相邻两个所述汇流区之间的间距为0.8～3.5mm，所述出气导流区为从远离所述出气口一端到靠近所述出气口一端宽度逐渐增大的结构。
根据一个优选实施方式，所述进气导流区的宽度为所述分流区宽度的1.05～1.8倍，所述分流区的宽度为所述分流点宽度的1.05～1.8倍；所述出气导流区的宽度为所述汇流区宽度的1.05～1.8倍，所述汇流区的宽度为所述汇流点宽度的1.05～1.8倍。
根据一个优选实施方式，所述分流区和所述汇流区的宽度为0.8～3.5mm。
根据一个优选实施方式，所述分流点和所述汇流点的宽度为0.5～2.0mm。
本实用新型的质子交换膜燃料电池，包括本实用新型中任一项技术方案所述的电池双极板分配头。
本实用新型的无人帆船，包括本实用新型中任一项技术方案所述的质子交换膜燃料电池。
本实用新型提供的电池双极板分配头、质子交换膜燃料电池和无人帆船至少具有如下有益技术效果：
本实用新型的电池双极板分配头，包括进气区和出气区，进气区用于供气体进入流道反应区，出气区用于供气体和反应水排出流道反应区，其中，进气区的进气导流区、分流区和分流点的宽度依次减小，使流体在截面积逐渐减小的流道内流动，从而可降低流体的压降，提高流体分布的均匀性；而出气区的汇流点、汇流区和出气导流区的宽度依次增大，使流体在截面积逐渐增大的流道内流动，流动的阻力较小，有利于反应水的排出，从而有利于提高电池的最大输出功率。即本实用新型的电池双极板分配头，在提高流体分布均匀性的同时，最大程度的降低了功耗，既满足产品结构性能的要求，也可大大降低生产成本。
本实用新型的质子交换膜燃料电池，由于包括本实用新型中任一项技术方案的电池双极板分配头，使得质子交换膜燃料电池进气区流体的压降降低，流体分布的均匀性提高；使得质子交换膜燃料电池出气区流体的流动阻力较小，可将反应水及时排出，从而可提高质子交换膜燃料电池的最大输出功率。
本实用新型的无人帆船，包括本实用新型中任一项技术方案的质子交换膜燃料电池，由于质子交换膜燃料电池的性能和最大输出功率得到提升，从而可提高无人帆船的性能。
即本实用新型的电池双极板分配头、质子交换膜燃料电池和无人帆船，解决了现有技术中流体分布不均以及反应水不能及时排出的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有燃料电池结构的剖面示意图；
图2是现有燃料电池的工作示意图；
图3是本实用新型电池双极板分配头优选实施方式的示意图；
图4是图3的局部放大图；
图5是本实用新型电池双极板分配头中介质的流动方向示意图。
图中：101、进气口；1011、第一凸起部；1012、第二凸起部；102、进气导流区；103、分流区；104、分流点；201、出气口；202、出气导流区；203、汇流区；204、汇流点；30、流道反应区。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。
下面结合说明书附图3～5以及实施例1～3对本实用新型的电池双极板分配头、质子交换膜燃料电池和无人帆船进行详细说明。
实施例1
本实施例对本实用新型的电池双极板分配头进行详细说明。
本实施例的电池双极板分配头，包括进气区和出气区，其中，进气区用于供气体进入流道反应区30，出气区用于供气体和反应水排出流道反应区30，如图5所示。优选的，进气区包括进气口101、进气导流区102、分流区103和分流点104，出气区包括出气口201、出气导流区202、汇流区203和汇流点204，分流点104和汇流点204位于电池的流道反应区30两侧，如图3所示。更优选的，进气导流区102的一端与进气口101连通，进气导流区102的另一端经分流区103和分流点104与流道反应区30连通，并且进气导流区102、分流区103和分流点104的宽度依次减小，如图3所示。更优选的，出气导流区202的一端与出气口201连通，出气导流区202的另一端经汇流区203和汇流点204与流道反应区30连通，并且汇流点204、汇流区203和出气导流区202的宽度依次增大，如图3所示。优选的，进气区包括多个独立的分流点104，气体经独立的分流点104进入独立的流道进口；出气区包括多个独立的汇流点204，气体和反应水从流道出口经独立的汇流点204流出，如图3所示。
本实施例所说的进气导流区102、分流区103和分流点104的宽度依次减小也可以说是进气导流区102、分流区103和分流点104的横截面积依次减小；同样的，汇流点204、汇流区203和出气导流区202的宽度依次增大也可以说是汇流点204、汇流区203和出气导流区202的横截面积依次增大。本实施例所说的进气导流区102、分流区103和分流点104的宽度依次减小是指进气导流区102的宽度大于分流区103的宽度，分流区103的宽度又大于分流点104的宽度；同样的，本实施例所说的汇流点204、汇流区203和出气导流区202的宽度依次增大是指汇流点204的宽度小于汇流区203的宽度，汇流区203的宽度又小于出气导流区202的宽度。
本实施例的电池双极板分配头，进气区的进气导流区102、分流区103和分流点104的宽度依次减小，使流体在截面积逐渐减小的流道内流动，从而可降低流体的压降，提高流体分布的均匀性；而出气区的汇流点204、汇流区203和出气导流区202的宽度依次增大，使流体在截面积逐渐增大的流道内流动，流动的阻力较小，有利于反应水的排出，从而有利于提高电池的最大输出功率。即本实施例的电池双极板分配头，在提高流体分布均匀性的同时，最大程度的降低了功耗，既满足产品结构性能的要求，也可大大降低生产成本。此外，本实施例的电池双极板分配头还具有加工工艺难度小的优势。可见，本实施例的电池双极板分配头，解决了现有技术中流体分布不均以及反应水不能及时排出的技术问题。
本实施例的电池双极板分配头，进气导流区102、分流区103和分流点104的宽度依次减小，使流体在进气区中的流速沿进气口向流道反应区的方向逐步提高，而出气区的汇流点204、汇流区203和出气导流区202的宽度依次增大，从而使分配头中的反应介质向催化层的扩散得到加强，由此弥补了反应介质浓度随流动在出气口201处降低的缺点，在保证各区域流量相同的情况下，可以得到较均匀的反应浓度和电流密度分布。另一方面，本实施例的电池双极板分配头，导入流道的连续性，还有利于后续安装过程中极板间的支撑。
根据一个优选实施方式，进气口101和出气口201处设置有第一凸起部1011和第二凸起部1012，第一凸起部1011和第二凸起部1012间隔设置于双极板的底平板上，第一凸起部1011和第二凸起部1012向不同方向倾斜并使第一凸起部1011和第二凸起部1012之间形成夹角。本实施例优选技术方案第一凸起部1011和第二凸起部1012向不同方向倾斜并使第一凸起部1011和第二凸起部1012之间形成夹角，即在进气口101和出气口201处可分别形成漏斗状的导流结构，在进气口101处漏斗状的导流结构不仅可对气体起到导流作用，同时还可起到交汇支撑的作用(根据仿生学原理，基于“FracTherm”算法，在“树根”的四周凸起“泥土”，可支撑和巩固根系流道)；在出气口201处漏斗状的导流结构可对气体和反应水起到导流作用，有利于反应水的排出。
根据一个优选实施方式，第一凸起部1011和第二凸起部1012所形成夹角的中心线与进气口101或出气口201相垂直，并且夹角为0.5～120°。第一凸起部1011和第二凸起部1012所形成的夹角θ如图4所示，优选的，0.5°≤θ≤120°。优选的，相邻两个第一凸起部1011和第二凸起部1012所形成的夹角可以相同，也可以不同。
根据一个优选实施方式，第一凸起部1011和第二凸起部1012的高度为1.5～8.0mm。第一凸起部1011和第二凸起部1012的高度为1.5～8.0mm，也可以说是第一凸起部1011和第二凸起部1012的长度为1.5～8.0mm；也可以说是进气口101和出气口201的高度为1.5～8.0mm；也可以说是进气口101和出气口201的长度为1.5～8.0mm，具体如图3中所示的L。
根据一个优选实施方式，进气区包括多个分流区103，相邻两个分流区103之间的间距为0.8～3.5mm，进气导流区102为从靠近进气口101一端到远离进气口101一端宽度逐渐缩小的结构并使每个分流区103内气体的压力和流速相当；出气区包括多个汇流区203，相邻两个汇流区203之间的间距为0.8～3.5mm，出气导流区202为从远离出气口201一端到靠近出气口201一端宽度逐渐增大的结构，如图3所示。相邻两个分流区103之间的间距如图3中所示的a。进气导流区102为主流道，分流区103为分流道，本实施例优选技术方案的进气导流区102根据仿生学原理，通过变截面(或者说是变宽度)设计，控制每个分流区103的压力及流速相当，可降低流体的压降，提高流体分布的均匀性。本实施例优选技术方案的出气导流区202通过变截面(或者说是变宽度)设计，可使流体流动的阻力较小，有利于反应水的排出，从而有利于提高电池的最大输出功率。
根据一个优选实施方式，进气导流区102的宽度为分流区103宽度的1.05～1.8倍，分流区103的宽度为分流点104宽度的1.05～1.8倍；出气导流区202的宽度为汇流区203宽度的1.05～1.8倍，汇流区203的宽度为汇流点204宽度的1.05～1.8倍。优选的，分流区103和汇流区203的宽度为0.8～3.5mm。优选的，分流点104和汇流点204的宽度为0.5～2.0mm。本实施例优选技术方案的进气区的进气导流区102、分流区103和分流点104形成为变截面流道，流体在逐渐减小的变截面流道中流动，可降低流体的压降，提高流体分布的均匀性；本实施例优选技术方案的汇流点204、汇流区203和出气导流区202也形成为变截面流道，流体在逐渐增大的变截面流道中流动，可降低流体的流动阻力，从而有利于反应水的排出，有利于提高电池的最大输出功率。
本实施例的电池双极板分配头，通过对树根生长形状进行研究，采用了新型的仿生形介质导流方式，这种新型的设计除了应用仿生学外还结合蛇形和交指型流道的特点，通过模拟分析反应气体在流道中的速相比可以看出，气体在整个流道中的压降很小，气体向气体扩散层扩散得更均匀，可大大提高峰值功率密度，降低生产成本。
本实施例的双极板分配头，可运用于平行流道、迪恩涡流道、蛇形流道、交指型流道、螺旋流道、网格流道、仿生形流道、迷宫流道、蚊香流道、以上流道的混合、以及衍生流道等。
本实施例的电池双极板分配头，尤其适用于大型复合型流场的设计。采用仿生学的设计思路，可确保流体进入活性区域结构、性能的一致性，易于扩展，可确保气侧流动的均匀性。同时本实施例的多处分支结构，更便于工质流通路径，减少阻力，加大扰动程度，并能得到高效的散热能力，此结构可用于金属、石墨及复合材料双极板。
实施例2
本实施例对本实用新型的质子交换膜燃料电池进行详细说明。
本实施例的质子交换膜燃料电池，包括实施例1中任一项技术方案的电池双极板分配头。除双极板分配头外，质子交换膜燃料电池的其余结构可与现有技术相同，在此不再赘述。
本实施例的质子交换膜燃料电池，由于包括实施例2中任一项技术方案的电池双极板分配头，使得质子交换膜燃料电池进气区流体的压降降低，流体分布的均匀性提高；使得质子交换膜燃料电池出气区流体的流动阻力较小，可将反应水及时排出，从而可提高质子交换膜燃料电池的最大输出功率。即本实施例的质子交换膜燃料电池，解决了现有技术中流体分布不均以及反应水不能及时排出的技术问题。
实施例3
本实施例对本实用新型的无人帆船进行详细说明。
本实施例的无人帆船，包括实施例2中任一项技术方案的质子交换膜燃料电池。除质子交换膜燃料电池外，无人帆船的其余结构可与现有技术相同，在此不再赘述。
本实施例的无人帆船，包括实施例2中任一项技术方案的质子交换膜燃料电池，由于质子交换膜燃料电池的性能和最大输出功率得到提升，从而可提高无人帆船的性能。即本实施例的无人帆船，解决了现有技术中流体分布不均以及反应水不能及时排出的技术问题。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本实用新型的描述中，还需要说明的是，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。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种电池双极板分配头，其特征在于，包括进气区和出气区，其中，所述进气区包括进气口(101)、进气导流区(102)、分流区(103)和分流点(104)，所述出气区包括出气口(201)、出气导流区(202)、汇流区(203)和汇流点(204)，所述分流点(104)和所述汇流点(204)位于电池的流道反应区(30)两侧，
所述进气导流区(102)的一端与所述进气口(101)连通，所述进气导流区(102)的另一端经所述分流区(103)和所述分流点(104)与所述流道反应区(30)连通，并且所述进气导流区(102)、所述分流区(103)和所述分流点(104)的宽度依次减小；
所述出气导流区(202)的一端与所述出气口(201)连通，所述出气导流区(202)的另一端经所述汇流区(203)和所述汇流点(204)与所述流道反应区(30)连通，并且所述汇流点(204)、所述汇流区(203)和所述出气导流区(202)的宽度依次增大。
2.根据权利要求1所述的电池双极板分配头，其特征在于，所述进气口(101)和所述出气口(201)处设置有第一凸起部(1011)和第二凸起部(1012)，所述第一凸起部(1011)和所述第二凸起部(1012)间隔设置于双极板的底平板上，所述第一凸起部(1011)和所述第二凸起部(1012)向不同方向倾斜并使所述第一凸起部(1011)和所述第二凸起部(1012)之间形成夹角。
3.根据权利要求2所述的电池双极板分配头，其特征在于，所述第一凸起部(1011)和所述第二凸起部(1012)所形成夹角的中心线与所述进气口(101)或所述出气口(201)相垂直，并且所述夹角为0.5～120°。
4.根据权利要求2所述的电池双极板分配头，其特征在于，所述第一凸起部(1011)和所述第二凸起部(1012)的高度为1.5～8.0mm。
5.根据权利要求1所述的电池双极板分配头，其特征在于，所述进气区包括多个所述分流区(103)，相邻两个所述分流区(103)之间的间距为0.8～3.5mm，所述进气导流区(102)为从靠近所述进气口(101)一端到远离所述进气口(101)一端宽度逐渐缩小的结构并使每个所述分流区(103)内气体的压力和流速相当；
所述出气区包括多个所述汇流区(203)，相邻两个所述汇流区(203)之间的间距为0.8～3.5mm，所述出气导流区(202)为从远离所述出气口(201)一端到靠近所述出气口(201)一端宽度逐渐增大的结构。
6.根据权利要求1所述的电池双极板分配头，其特征在于，所述进气导流区(102)的宽度为所述分流区(103)宽度的1.05～1.8倍，所述分流区(103)的宽度为所述分流点(104)宽度的1.05～1.8倍；
所述出气导流区(202)的宽度为所述汇流区(203)宽度的1.05～1.8倍，所述汇流区(203)的宽度为所述汇流点(204)宽度的1.05～1.8倍。
7.根据权利要求6所述的电池双极板分配头，其特征在于，所述分流区(103)和所述汇流区(203)的宽度为0.8～3.5mm。
8.根据权利要求6所述的电池双极板分配头，其特征在于，所述分流点(104)和所述汇流点(204)的宽度为0.5～2.0mm。
9.一种质子交换膜燃料电池，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的电池双极板分配头。
10.一种无人帆船，其特征在于，包括如权利要求9所述的质子交换膜燃料电池。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202122067159.3U CN215771215U (zh) | 2021-08-30 | 2021-08-30 | 一种电池双极板分配头、质子交换膜燃料电池和无人帆船 |
Applications Claiming Priority (1)
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| WO2023245713A1 (zh) * | 2022-06-20 | 2023-12-28 | 深圳市氢瑞燃料电池科技有限公司 | 一种流线型过渡区结构及极板 |
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2021
- 2021-08-30 CN CN202122067159.3U patent/CN215771215U/zh active Active
Cited By (3)
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| WO2023245713A1 (zh) * | 2022-06-20 | 2023-12-28 | 深圳市氢瑞燃料电池科技有限公司 | 一种流线型过渡区结构及极板 |
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