CN217444438U - 一种渐变型燃料电池双极板流场 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种渐变型燃料电池双极板流场，流场上设有气体进口分配段、气体出口汇集段和多个气体流道，每个气体流道的两端分别与气体进口分配段和气体出口汇集段连接，多个气体流道的顶部高度相等，每个气体流道均设有深度渐变段，深度渐变段末端和气体出口汇集段连接，深度渐变段包括曲线渐变段和或折线渐变段，曲线渐变段和折线渐变段的深度均沿气体流动方向逐渐变小。改善了气体流道下游的气体传质特性，提升了燃料电池的整体性能；曲线渐变段和折线渐变段的深度变化曲线较为平滑，气体和液态水的流动更加顺畅，而且应力集中较小，能够保证极板的强度，有利于提高燃料电池的性能，延长使用寿命。

Description

一种渐变型燃料电池双极板流场

技术领域

本实用新型属于质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种渐变型燃料电池双极板流场。

背景技术

质子交换膜燃料电池具有发电效率高和环境友好等优点，有广泛的应用前景。高效的水热管理系统对提高燃料电池的性能，延长其寿命有很重要的意义。双极板是质子交换膜燃料电池的关键部件，双极板上的流场一方面可以把气体均匀分配到气体扩散层，从而使电化学反应产生的电流密度和温度均匀分布；另一方面把生成的水及时排出电堆，因此流场的合理设计对提高燃料电池水热管理的性能非常重要。

质子交换膜燃料电池常见的流场主要有平行流场、蛇形流场和交指流场等。由于交指流场中气体流动阻力过大等原因，较少单独使用；平行流场具有制作成本低，总压降低等优点，但当流场过宽时，容易形成气体分配不均，以及排水困难等问题；蛇型流场具有排水效果好等优点，但其流道长、压降大，而且气体主要在流道前段进行电化学反应，而流道后段反应气体不足，影响了燃料电池的性能。

现有技术公开了一种质子交换膜燃料电池蛇形流场，流场设置有11级流道，沿蛇形流场进气孔到出气孔方向流道的深度逐级递减，形成一个流道整体的梯度。用不同的流道深度调节气体流动速度和压降，保证电池内部电化学反应良好的进行。但其存在以下技术问题：

燃料电池流道深度一般较小，而蛇形流场的流道较长，多级递减的流场加工难度大，对加工精度的要求非常高，从而大幅提高了加工成本；另外，质子交换膜燃料电池的极板较薄，梯度结构的应力集中较大，难以保证极板的强度。

实用新型内容

针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的是：提供一种渐变型燃料电池双极板流场，能够改善气体传质特性，从而改善燃料电池的整体性能，同时使液态水的流动更加顺畅，防止高电流密度下发生水淹的风险，而且具有加工简单，成本低廉，应力集中小，能够保证极板强度等优点。

本实用新型目的通过以下技术方案实现：

一种渐变型燃料电池双极板流场，流场上设有气体进口分配段、气体出口汇集段和多个气体流道，每个气体流道的两端分别与气体进口分配段和气体出口汇集段连接，多个气体流道的顶部高度相等，每个气体流道均设有深度渐变段，深度渐变段末端和气体出口汇集段连接，深度渐变段包括曲线渐变段和或折线渐变段，曲线渐变段和折线渐变段的深度均沿气体流动方向逐渐变小。

进一步，深度渐变段由气体进口分配段延伸至气体出口汇集段。

进一步，气体流道设有深度不变段，深度不变段两端分别连接于气体进口分配段和深度渐变段上游。

进一步，流场为并联平行流场，多个气体流道并联平行排列于气体进口分配段和气体出口汇集段之间，多个气体流道入口的连线形成第一轨迹，多个气体流道出口的连线形成第二轨迹，第一轨迹和第二轨迹的形状由每个气体流道两端的压差确定，以保证每个气体流道中的气体分配均匀。

进一步，第一轨迹和第二轨迹均为曲线或折线。

进一步，流场为直流道流场、曲线型流道流场、混合流场、仿生流场、三维流场或多孔介质流场。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

沿气体流动方向，气体流道下游至出口段的流通截面积逐渐减小，改善了气体流道下游的气体传质特性，同时促进液态水的排出，不但能够改善燃料电池的整体性能，而且可以防止高电流密度下发生水淹的风险；

相较于梯度结构，渐变型流道设置在流道下游靠近流道出口段，提高了下游气体的传质性能，促进了液态水的排出，而且加工简单，成本低廉。另外，曲线渐变段和折线渐变段的深度变化曲线较为平滑，气体和液态水的流动更加顺畅，同时应力集中较小，能够保证极板的强度，有利于提高燃料电池的性能，延长使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的结构示意图。

图2为本实用新型实施例2的结构示意图。

图3为本实用新型实施例3的结构示意图。

图4为本实用新型实施例4的结构示意图。

图5为本实用新型实施例5的结构示意图。

图6为本实用新型实施例6的结构示意图。

图7为本实用新型实施例7的结构示意图。

图8为本实用新型实施例8的结构示意图。

图9为图1的G处放大示意图。

附图标记说明：

101-气体进口分配段；102-气体出口汇集段；103-气体流道；104-脊；105-流道底部；

201-深度不变段；202-曲线渐变段；203-折线渐变段；

301-波浪形底部。

具体实施方式

下面对本实用新型作进一步详细的描述。

实施例1

如图1、图9所示，一种渐变型燃料电池双极板流场，包括气体进口分配段101、气体出口汇集段102和多个气体流道103。每个气体流道103的两端分别与气体进口分配段101和气体出口汇集段102连接。

气体流道103两侧为脊104，中间为流道底部105。本实施例中，气体流道103为平行直流道，各个脊104的顶部在同一高度平面上。

流道底部105为分段渐变型，包括流道上游的深度不变段201和流道下游的深度渐变段。

深度不变段201从气体流道103的入口A1延伸到气体流道103的某点B1(点B1优选在气体流道103下游)，流道底部105的高度和气体流道103的深度均保持不变。

深度渐变段为曲线渐变段202，曲线渐变段202从点B1延伸到气体流道103的出口C1，流道底部105的高度逐渐升高，气体流道103的深度逐渐变小。

传统的流场中，随着反应气体的流动，由于不断发生电化学反应，反应气体的浓度和流量均逐渐减小，下游气体的传质性能会逐渐变差，影响燃料电池的性能，而且在阴极侧产生的液态水难以排出，当电流密度较大时，有产生水淹的风险。

本实施例中，考虑到反应气体在气体流道103的上游，气体的浓度和流量较大，因此气体流道103的上游可以设置为深度不变段201。气体流道103的下游，即点B1到出口端，采用曲线渐变型的流道底部105，流道底部105逐渐升高，气体流道103的深度逐渐变小，气体流通截面积逐渐减小，因此能够在气体流道103下游维持一定的流速，从而改善气体流道103下游的传质特性，进而提高了燃料电池的整体性能，而且能促进液态水的排出。同时，相较于梯度结构，折线渐变段203和曲线渐变段202具有较小的应力集中，有利于保持较好的双极板强度。

实施例2

如图2所示为并联平行流场，多个气体流道103并联平行排列于气体进口分配段101和气体出口汇集段102之间。并联平行流场的特点是平行并联排列的流道数量较多，现有技术中往往难以实现每个流道的气体分配均匀。

本实用新型中，多个气体流道103的入口的连线形成第一轨迹，多个气体流道103的出口的连线形成第二轨迹，第一轨迹和第二轨迹的形状由每个气体流道103两端的压差确定，以保证每个气体流道103中的气体分配均匀，从而保证双极板的电流密度和产热量分布均匀。

本实施例中，第一轨迹和第二轨迹均为曲线。

实施例3

如图3所示，和实施例2的主要区别在于，本实施例的第一轨迹和第二轨迹均为折线。具体地，第一轨迹包括斜率不同的两线段A3B3和B3C3；第二轨迹包括斜率不同的两线段A31B31和B31C31。各线段的斜率根据每个气体流道103两端的压差来确定，从而保证每个气体流道103中的气体分配均匀。

实施例4

如图4所示，和实施例1的主要区别在于，本实施例中，气体流道103从流道入口到流道出口的整段均为折线渐变段203，气体流道103底部设有多段依次拼接的折线，多段折线沿反应气体的流动方向依次递升，流道底部105逐渐升高，气体流道103深度逐渐变小。同时，相较于梯度结构，折线渐变段203具有较小的应力集中，有利于保持较好的强度。

实施例5

如图5所示，和实施例1的主要区别在于，本实施例中，气体流道103从流道入口到流道出口的整段均为曲线渐变段202，在整个气体流道103中，流道底部105沿反应气体的流动方向逐渐平滑升高，气体流道103深度逐渐平滑变小。同时，相较于梯度结构，曲线渐变段202具有较小的应力集中，有利于保持较好的强度，而且曲线形状可以根据每个流道内的气体流速和流动阻力来确定，从而确保燃料电池的整体性能达到最佳状态。

实施例6

如图6所示，和实施例5的区别在于，本实施例中，气体流道103为多个平行布置的波浪形流道，波浪形流道设有波浪形底部301，多个波浪形流道的底部依次拼接且沿反应气体的流动方向逐渐升高，气体流道103深度逐渐变小。

实施例7

如图7所示，为4流道并联的蛇形流场，包括气体进口分配段101、气体出口汇集段102以及4条并联布置的蛇形气体流道103。每条蛇形气体流道103的两端分别与气体进口分配段101和气体出口汇集段102相连通。

本实施例中，蛇形气体流道103的脊104的顶端在同一高度平面上，流道底部105为分段渐变型，包括上游的深度不变段201和下游的深度渐变段。

深度不变段201从流道的入口101延伸到点A7，流道底部105高度不变。深度渐变段为折线渐变段203，从A7延伸到流道出口102，底部高度逐渐升高，流通截面积逐渐减小，从而强化了流道下游至流道出口段的气体传质特性，促进了液态水的排出，提高了燃料电池的整体性能。

实施例8

如图8所示，和实施例4相比不同之处在于，流场为点状流场。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种渐变型燃料电池双极板流场，其特征在于：流场上设有气体进口分配段、气体出口汇集段和多个气体流道，每个气体流道的两端分别与气体进口分配段和气体出口汇集段连接，多个气体流道的顶部高度相等，每个气体流道均设有深度渐变段，深度渐变段末端和气体出口汇集段连接，深度渐变段包括曲线渐变段和或折线渐变段，曲线渐变段和折线渐变段的深度均沿气体流动方向逐渐变小。

2.按照权利要求1所述的一种渐变型燃料电池双极板流场，其特征在于：深度渐变段由气体进口分配段延伸至气体出口汇集段。

3.按照权利要求1所述的一种渐变型燃料电池双极板流场，其特征在于：气体流道设有深度不变段，深度不变段两端分别连接于气体进口分配段和深度渐变段的上游。

4.按照权利要求1所述的一种渐变型燃料电池双极板流场，其特征在于：流场为并联平行流场，多个气体流道并联平行排列于气体进口分配段和气体出口汇集段之间，多个气体流道的入口的连线形成第一轨迹，多个气体流道的出口的连线形成第二轨迹，第一轨迹和第二轨迹的形式由每个气体流道两端的压差确定，以保证每个气体流道中的气体分配均匀。

5.按照权利要求4所述的一种渐变型燃料电池双极板流场，其特征在于：第一轨迹和第二轨迹均为曲线或折线。

6.按照权利要求1所述的一种渐变型燃料电池双极板流场，其特征在于：流场为直流道流场、曲线型流道流场、混合流场、仿生流场、三维流场或多孔介质流场。

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