CN216120377U - 一种燃料电池双极板的流场结构及包括其的燃料电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种燃料电池双极板的流场结构及包括其的燃料电池，流场结构包括双极板本体，由两块贴合在一起的极板，阳极板和阴极板组成，每块极板表面上设有“十”字型凸台阵列。阴极板“凸侧”的凸台与凸台之间的“网状交叉凹槽”为阴极流路；阳极板“凸侧”的凸台与凸台之间的交叉网状凹槽为阳极流路；阳极板和阴极板的“凹侧”错位贴合，“凹腔”阵列错位搭接形成的立体流道为冷却流路。本实用新型的“十”字型凸台阵列设计，使阴极和阳极流路上的所有流道连通，提升了流体分配均匀性；凸台与凸台之间的“网状交叉凹槽”发挥的强制对流作用，可强化燃料电池内部的传质效果，具有很高的换热效率，有效提升燃料电池的可靠性能和耐久性能。

Description

一种燃料电池双极板的流场结构及包括其的燃料电池

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体为一种燃料电池双极板的流场结构及包括其的燃料电池。

背景技术

燃料电池被认为是最有潜力的清洁能源发电装置，由于零排放、功率密度高、电效率高、噪音低等优点，非常适合作为电动汽车、无人飞行器、水下潜器、信号基站等的动力源。

流场的传质、传热、排水能力是影响燃料电池可靠性、耐久性、输出效率的主要因素。一般的，可通改进材料、流场设计、操作条件等措施来提升燃料电池的传质、传热、排水能力，其中改进流场设计是最为通用普遍的方式。

现有的燃料电池技术中，双极板冷却侧流场构型分为平行流场、蛇形流场、混合流场、点状流场以及仿生流场等等。以上几种流场构型存在基本特点是：流道多采用小横截面，长流程的微通道结构；且顺着流道方向，其流道的横截面积的形状和面积不发生变化；受脊的阻隔，流道与流道之间是不连通的，流态通常是层流。

就现有燃料电池传质性能而言，以质子膜燃料电池为例，对于阴极和阳极流路，气体的传输主要依靠扩散。当气体作层流运动时，气体向MEA的传递就相对比较弱，传质能力不强。

就现有燃料电池传热性能而言，以质子膜燃料电池为例，对于冷却流路，因为冷却剂的流动通常是以层流状态流动的，冷却剂与双极板之间的换热为层流换热，换热效率低；此外，由于每根流道相对封闭，流量分配一致性差，容易造成温度分布不均和局部过热，继而影响燃料电池的可靠性和耐久性。

就现有燃料电池排水性能而言，以质子膜燃料电池为例，对于阴极流路，尤其在高电流密度工况条件下，燃料电池阴极液态水的生成量显著增加，易出现水淹故障。水淹会使得气体反应物到达反应位点的传输受阻，氧化剂气体供应严重不足，导致燃料电池输出电压波动剧增，性能稳定性下降，甚至缩短剩余寿命。一般提升温度场均匀性和降低温度极差的方式是增加冷却溶液流量，但从理论上讲在层流条件下由于热边界层的存在，简单地采用提高流速的方法不仅不能有效地传热的，还必然导致辅助功耗成倍增加。

当前通用的流场在传质、传热、排水能力的提升方面存在一定的局限性，因此很有必要开发新型的燃料电池双极板结构。

实用新型内容

针对以上现有技术的缺点以及不足，本实用新型提供一种燃料电池双极板的流场结构及包括其的燃料电池，具有更优异的传质、传热能力和排水效果。本实用新型极板结构特征简单，易于加工成型，非常适合规模化生产制造。

本实用新型采用如下技术方案：一种燃料电池双极板的流场结构，包括双极板本体，双极板本体由阴极板和阳极板构成，阴极板和阳极板表面设有“十”字型凸台阵列；

优选的，所述“十”字凸台有A、B、C、D四个棱角，其中棱角A和B几何特征相同，棱角C和D几何特征相同，可通过改变凸台棱角的几何特征来优化流场的传质、传热、排水特性。优选的，所述“十”字凸台的纵向半长a、横向半长b、凸台的高度值h可随极板的力学特性进行调整，凸台顶面边缘设置圆角，可以避免对燃料电池膜电极的物理损伤。优选的，“十”字凸台阵列布置方式具体为，叉排布置的形式组成阵列，其疏密程度可通过改变行间距、列间距值进行调整；行间距和列间距的取值大小随极板力学、电学特性以及燃料电池的热管理需求进行设定。

优选的，阴极板上叉排布置“十”字型凸台阵列，在其“凸侧”面，“十”字凸台阵列采用叉排布置的形式，使凸台与凸台之间形成网状交叉“凹槽”，称之为阴极流路，通氧化剂气体；所述的一种燃料电池双极板的流场结构，可使燃料电池内部阴极流路上的所有流道连通，提升了流体分配均匀性，流体在流动过程中，不断进行“分流-合流-分流-合流”的强制对流流动。在质子膜燃料电池中，膜电极会覆盖在凸台顶面，形成空气的流动通道，强制对流流动能够促使消耗层气体与富集层气体的混合，可促进空气和反应生成的液态水的混合，一方面起到强化传质的效果；另一方面能够促进脊下和扩散层中生成水的排出，可有效避免和缓解水淹故障的发生。

优选的，阳极板上同样叉排布置“十”字型凸台阵列，在其“凸侧”面，凸台与凸台之间形成网状交叉“凹槽”，称之为第二流路，通燃料气体。例如，在质子膜燃料电池中，膜电极会覆盖在凸台顶面，形成的氢气的流动通道。所述的一种燃料电池双极板的流场结构，可使燃料电池内部阳极流路上的所有流道连通，提升了流体分配均匀性，流体在流动过程中，不断进行“分流-合流-分流-合流”的强制对流流动，能够促使消耗层气体与富集层气体的混合，起到强化传质的效果。

优选的，将阴极板和阳极板的“凹侧”错位贴合，“凹腔”阵列错位搭接形成的立体流道为冷却流路，通冷却介质。所述的一种燃料电池双极板的流场结构，能够有效诱导冷却流路中微涡的产生，可强化换热，具有很高的换热效率。若极板制作基材是金属，则在阳极板和阴极板的“凹侧”的贴合面位置，通过焊点焊接在一起，这样能减小极板间的接触电阻，提高导电性能的同时，提高双极板的结构强度。

优选的，分别布置在阳极板和阴极板上的凸台的形状规格、参数可以相同，也可不同。

优选的，所述双极板基材的制作材料是金属时，可以是不锈钢、钛合金、铝合金等，可采用冲压、辊压、蚀刻成型工艺制造。

优选的，所述双极板基材的制作材料是石墨时，可采用机雕加工成型工艺制造。

优选的，所述双极板基材的制作材料是石墨复合树脂材料时，可采用模压、辊压成型工艺制造。

如上所述，本实用新型具有以下有益效果：

1、具有良好的强制对流和排水功能，强化燃料电池内部阴极、阳极的传质效果的同时，能够促进脊下和扩散层中生成水的排出，可有效避免和缓解水淹故障的发生，可提升燃料电池的可靠性和耐久性。

2、在冷却流路，能够有效诱导二次涡流的产生，加剧主流区和近壁面区的热量对流置换，使传热强化，从而提升换热效率；同时，冷却剂具有较好的分配一致性，利于降低温度场值极差、提高流场板温度分布均匀性。

3、极板结构特征简单化、薄板化，且能很好地平衡在极板设计中存在的，“阴极流路- 阳极流路-冷却流路”三路之间的干涉问题，使每路物理功能最优发挥。该结构易于加工成型，适合批量化制造，成本优势明显，可大幅度提高燃料电池的比功率密度。

附图说明

图1为双极板本体结构图；

图2(a)-(b)为凸台样式一结构图；

图3(a)-(b)为凸台样式二结构图；

图4为图1“A-A”剖面示意图；

图5为阳极板“凹侧”示意图；

图6为阴极流路腔体示意图；

图7为冷却流路腔体示意图；

图8为阳极流路腔体示意图；

图中:1.双极板本体；2.阴极板；3.阳极板；4.凸台；5.凹槽；6.凸台顶面；7.圆角；8.贴合面；9.焊点；10.凹腔；11.凹槽平面；12.凸台侧面。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本实用新型做出详细说明，应当了解，实施例只用于说明本实用新型，而不是用于对本实用新型进行限定，任何在本实用新型基础上所做的修改、等同替换等均在本实用新型的保护范围内。

如图1所示，一种燃料电池双极板的流场结构，包括双极板本体1，双极板本体1由阴极板2和阳极板3构成，阴极板2和阳极板3表面设有“十”字型凸台4阵列；阴极板2的“凸侧”，凸台与凸台之间的网状交叉形成的凹槽5为阴极流路，通氧化剂气体，如图6所示；阳极板3的“凸侧”，凸台与凸台之间的网状交叉形成的凹槽5为阳极流路，通燃料气体，如图8所示；阴极板2和阳极板3的“凹侧”的“凹台”阵列错位贴合形成的区域为冷却流路，通冷却介质，如图4和图7所示。

实施例1

本实施例的凸台形状规格及阵列布置如图2所示，“十”字凸台4的纵向半长a、横向半长b、凸台的高度值h可随极板的力学特性进行调整，凸台顶面6边缘和底边设置圆角7，纵向半长a与横向半长b的比值a/b可取0.2-5，凸台5的高度值h其值可取0.1-3mm；阵列布置方式具体为叉排布置的形式组成阵列，其疏密程度可通过改变行间距、列间距值进行调整；行间距和列间距的取值大小随极板力学、电学特性以及燃料电池的热管理需求进行设定。

阴极板2在其“凸侧”面，“十”字凸台4阵列采用叉排布置的形式，使凸台与凸台之间形成网状交叉凹槽5，称之为阴极流路；在氢氧燃料电池中，膜电极会覆盖在凸台顶面6，形成空气的流动通道，空气和反应生成的液态水混合在一起流动，如图6所示。

阳极板3同样叉排布置“十”字型凸台阵列，在其“凸侧”面，凸台与凸台之间形成网状交叉“凹槽”，称之为第二流路。例如，在氢氧燃料电池中，膜电极会覆盖在凸台顶面，形成的氢气的流动通道，如图8所示。

将阴极板和阳极板的“凹侧”的“凹腔”错位搭接贴合，形成冷却流路。若极板制作基材是金属，则在阳极板和阴极板的“凹侧”的贴合面8通过焊点9焊接在一起焊接在一起，这样能减小极板间的接触电阻，提高导电性能的同时，提高双极板的结构强度，如图5所示。

需要说明的是，布置在燃料电池阳极板和阴极板上的凸台的形状规格、参数可以相同，也可不同；燃料电池阴极流路和阳极流路的流体流向可以是逆流或并流，优选的，冷却流路的流体流向为交叉流动。

实施例2

本实施例的凸台形状规格及阵列布置如图3所示，与实施例1相比，本实施例通过调整凸台的A、B、C、D四个棱角的几何特征，具体体现在凸台样式二的A、B、C、D四个棱角较“钝”，凸台样式一的A、B、C、D四个棱角较“尖”，可降低冷却流路的流动阻力和增强冷却流路的换热能力。凸台顶面6边缘设置圆角7，凸台侧面和凹槽平面的相接处设置圆角7，纵向半长a与横向半长b的比值a/b为0.2-5mm，凸台5的高度值h其值为0.1-3mm，其余与实施例1相同。

实施例3

本实施例中双极板基材的制作材料为金属时，例如不锈钢、钛合金、铝合金等，可采用冲压、辊压、蚀刻工艺制造。

实施例4

本实施例中所述双极板基材的制作材料是石墨时，可采用机械加工成型工艺制造。

实施例5

本实施例中所述双极板基材的制作材料是石墨复合树脂材料时，可采用模压、辊压成型工艺制造。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本实用新型的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种燃料电池双极板的流场结构，其特征在于，包括双极板本体，所述双极板本体由阴极板和阳极板构成，阴极板和阳极板表面设有“十”字型凸台阵列；阴极板的“凸侧”，凸台与凸台之间的网状交叉“凹槽”为阴极流路，通氧化剂气体；阳极板的“凸侧”，凸台与凸台之间的网状交叉“凹槽”为阳极流路，通燃料气体；阴极板和阳极板的“凹侧”错位贴合，“凹腔”阵列错位搭接形成的区域为冷却流路，通冷却介质。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板的流场结构，其特征在于，所述的“十”字型凸台具有四个棱角，剖面形状为“十”字型，凸台的纵向半长a和横向半长b的比值a/b为0.2-5，凸台的高度值h为0.1-3mm。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板的流场结构，其特征在于，“十”字型凸台以叉排布置的形式组成阵列，其疏密程度通过改变行间距、列间距值进行调整；行间距和列间距的取值大小随极板力学、电学特性以及燃料电池的热管理需求进行设定。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板的流场结构，其特征在于，凸台顶面边缘、凸台侧面和凹槽平面的相接处设置圆角。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板的流场结构，其特征在于，阳极板和阴极板的“凹侧”的贴合面通过焊点连接在一起。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板的流场结构，其特征在于，所述双极板本体基材制作材料包含不锈钢、钛合金、铝合金、石墨、复合石墨树脂材料中的任意一种。

7.一种使用具有离子交换能力的聚合物作为电解质的燃料电池，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的双极板的流场结构。

8.根据权利要求7所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括直接甲酸燃料电池、微生物燃料电池、可再生燃料电池、直接甲醇燃料电池、重整甲醇燃料电池、直接乙醇燃料电池、氨燃料电池、和质子膜燃料电池。

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