CN219393428U - 一种带有多孔金属分配区和集合区的燃料电池流场板 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带有多孔金属分配区和集合区的燃料电池流场板，涉及燃料电池技术领域，包括导电隔板，导电隔板的一侧设置有燃料出口、冷却剂入口和氧化剂入口，另一侧设置有氧化剂出口、冷却剂出口和燃料入口，中间的反应区两侧设置为多孔结构的流体分配区和流体集合区，流体分配区将流体导入区与反应区相连通，流体集合区将流体导出区与反应区相连通；流体导入区将燃料入口或氧化剂入口与流体分配区相连通，流体导出区将燃料出口或氧化剂出口与流体集合区相连通。本实用新型通过多孔金属与分配区和集合区的巧妙结合，使气体更加均匀地进入反应区，从而均匀分布到电极表面，有效提高燃料电池的输出性能，且整体结构简单，加工难度低。

Description

一种带有多孔金属分配区和集合区的燃料电池流场板

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种带有多孔金属分配区和集合区的燃料电池流场板。

背景技术

燃料电池是一种通过电化学反应将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的能量转化装置。燃料电池具有能量转化效率高、环境友好、可利用多种燃料等优点，被视为21世纪最具发展前景的环保高效发电技术之一。燃料电池具有多种类型，目前应用最为广泛的是质子交换膜燃料电池，该类电池除具有燃料电池的一般优势外，还具有工作温度低和启停响应快等特点，在未来可广泛为汽车、轮船、无人机等提供动力，还可以用于分布式发电。

质子交换膜燃料电池的核心部件包括膜电极、气体扩散层、流场板、绝缘板和端板等。为了提高燃料电池的输出功率，通常将多个电池单元堆叠在一起组成燃料电池堆。流场板是燃料电池的重要组成部件，占燃料电池总重的60％～80％，成本占20％～30％，其作用有支撑膜电极、引导燃料、氧化剂和冷却剂在电池中流动，同时还具备导电、导热、排水等功能。流场板的结构设计时，需要考虑到燃料、氧化剂和冷却剂的流通路径，需要确保其在流场板内均匀通过入口歧管、入口流场分配区、反应区、出口流场分配区、出口歧管，进入气体扩散层和膜电极，保证电池内反应气体的供给和反应产物的顺利排出。流场板的流场分配区位于燃料、氧化剂、冷却剂进出口歧管与反应区之间，其主要作用是导流，即引导反应气体和冷却剂进入和流出反应区，其结构设计对流场板性能有重要影响。

在实际应用中，有的流场板将流场分配区与反应区融合，有的流场板将流场分配区单独配置，后者的性能一般要好于前者。单独配置的流场分配区的结构形式，有凸台型结构(如图8所示)、沟槽结构以及二者的组合结构。对于凸台型结构的流场分配区，凸台的排布形式决定分配区内流体的分布，需要设计和优化，但是设计周期较长且优化方向不明确。而且，凸台对膜电极的支撑面积较小，使得膜电极容易变形，严重影响电池性能。对于沟槽结构的流场分配区，其加工精度要求高，难度大，而且容易导致流速方向的突变，会增大气体压损，可能会损害膜电极，对燃料电池的性能和寿命造成一定影响。

专利名称为一种质子交换膜燃料电池金属双极板，公开号为CN101572318A，流场分配区采用凸台型结构，互不连接的凸台在分配区呈垂直和水平两个方向平行排列，或者呈一个方向平行排列，另一个方向交错排列，凸台形状为圆形、方形、椭圆形和梭型的一种。专利名称为一种质子交换膜燃料电池用气体流场，授权公告号为CN201845827U，流场分配区为椭圆形凸台结构，凸台长度2～5mm，宽度0.5～1.2mm，凸台间距0.3～0.9mm。此类结构中凸台的形状和排列形式对流体流动有重要影响，但是优化方向不明确导致设计周期长或者随意性较强，同时凸台对膜电极的支撑面积较小，会影响电池性能。

专利名称为冲压成型的质子交换膜燃料电池金属双极板，授权公告号为CN101937998B，流场分配区为沟槽结构，具体为至少两组断续转角导流槽，导流槽之间的转角角度、导流槽与流场流道的转角角度在0°～80°之间。专利名称为一种质子交换膜燃料电池用气体流场，授权公告号为CN104868142B，流场分配区由平行的流线型沟槽组成，分配区流场段与平行沟槽流场段之间的拐角均为流线型。专利名称为一种大功率质子交换膜燃料电池双极板的阳极流场，授权公告号为CN215184082U，阳极流场分配区采用扇形分配+扇形点阵结构，防止氢气直接经平行直流场流出，造成整个反应区域反应不均匀，以保证电化学反应均匀高效。对于此类沟槽结构的流场分配区，其加工精度要求高，难度大，而且容易导致流速方向的突变，会增大气体压损，损害膜电极，对燃料电池的性能和寿命造成一定影响。

综上所述，单独配置的流场分配区的结构形式，有凸台型结构(如图8所示)、沟槽结构以及二者的组合结构。对于凸台型结构的流场分配区，凸台的排布形式决定分配区内流体的分布，需要设计和优化，但是设计周期较长且优化方向不明确。而且，凸台对膜电极的支撑面积较小，使得膜电极容易变形，严重影响电池性能。同时，对于沟槽结构的流场分配区，其加工精度要求高，难度大，而且容易导致流速方向的突变，会增大气体压损，可能会损害膜电极，对燃料电池的性能和寿命造成一定影响。

因此，如何开发设计一种带有多孔金属分配区和集合区的燃料电池流场板，以实现均匀分配流体，为膜电极提供足够的支撑面积，成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种带有多孔金属分配区和集合区的燃料电池流场板，实现了均匀分配流体，为膜电极提供了足够的支撑面积，同时结构简单，易加工。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型一种带有多孔金属分配区和集合区的燃料电池流场板，包括导电隔板，所述导电隔板的一侧设置有燃料出口、冷却剂入口和氧化剂入口，所述导电隔板的另一侧设置有氧化剂出口、冷却剂出口和燃料入口，导电隔板的中间设置为反应区，所述反应区紧邻的两侧设置为多孔结构的流体分配区和流体集合区，所述流体分配区将流体导入区与所述反应区相连通，所述流体集合区将流体导出区与所述反应区相连通；所述流体导入区将燃料入口或氧化剂入口与所述流体分配区相连通，所述流体导出区将燃料出口或氧化剂出口与流体集合区相连通。

优选的，所述燃料出口、冷却剂入口和氧化剂入口从上向下顺次排布，所述氧化剂出口、冷却剂出口和燃料入口从上向下顺次排布；所述氧化剂入口和所述氧化剂出口旋转对称布置，所述燃料出口和燃料入口、冷却剂入口和冷却剂出口均旋转对称布置，所述流体分配区和流体集合区旋转对称布置。

优选的，燃料电池流场板设置为阴极流场板时，所述氧化剂入口通过流体导入区与所述流体分配区连接，所述氧化剂出口通过流体导出区与所述流体集合区连接；氧化剂依次通过氧化剂入口、流体导入区、流体分配区进入到反应区内，再依次经过流体集合区、流体导出区、氧化剂出口流出，完成氧化剂在阴极流场板内的流通作业；

燃料电池流场板设置为阳极流场板时，所述燃料入口通过流体导入区与所述流体分配区连接，所述燃料出口通过流体导出区与所述流体集合区连接；燃料依次通过燃料入口、流体导入区、流体分配区进入到反应区内，再依次经过流体集合区、流体导出区、燃料出口流出，完成燃料在阳极流场板内的流通作业。

优选的，所述反应区内的流场设置为沟脊结构，所述沟脊结构设置为平行直流场、蛇形流场或波浪形流场。

优选的，所述流体分配区和流体集合区均设置为多孔结构，包括凹槽和多孔金属，所述多孔金属与所述凹槽相匹配并定位放置在凹槽内部。

优选的，所述流体分配区包括流体分配区凹槽和多孔金属，所述流体集合区包括流体集合区凹槽和多孔金属，所述流体分配区凹槽和所述流体集合区凹槽设置为单凹槽结构或带阻隔壁的多凹槽结构；所述流体分配区凹槽和所述流体集合区凹槽设置有至少一道所述阻隔壁，所述阻隔壁将所述单凹槽结构分割为多凹槽结构，所述多孔金属的外形与对应的凹槽形状相匹配。

优选的，所述多孔金属的孔隙率设置为80％～95％，孔径设置为100μm～400μm。

优选的，所述阻隔壁为所述流体分配区和流体集合区凹槽内的细条状连续凸起结构，所述阻隔壁与所述导电隔板一体化加工，阻隔壁的宽度设置为0.5mm～1.5mm，阻隔壁的高度与所述反应区内流场的脊高一致。

与现有技术相比，本实用新型的有益技术效果：

本实用新型一种带有多孔金属分配区和集合区的燃料电池流场板，包括导电隔板，导电隔板的一侧设置有燃料出口、冷却剂入口和氧化剂入口，另一侧设置有氧化剂出口、冷却剂出口和燃料入口，中间设置为反应区，反应区紧邻的两侧设置为多孔结构的流体分配区和流体集合区，氧化剂入口通过流体导入区与流体分配区连接，氧化剂出口通过流体导出区与流体集合区连接；具体的，流体分配区和流体集合区均设置为多孔结构，包括凹槽和多孔金属，多孔金属与凹槽相匹配并定位放置在凹槽内部。

首先，通过多孔金属的设置在流体分配区和流体集合区对膜电极的支撑面积足够，可以避免组装燃料电池时膜电极的损坏；其次，反应气体经过多孔结构的流体分配区和流体集合区时，易于形成湍流，减轻由于气体进出口位置差异造成的反应区内气体流量分布不均的问题；进一步的，利用阻隔壁的设计，对流体分配区和流体集合区中的反应气体进行平均分配，能够使气体更加均匀地进入反应区，从而均匀分布到电极表面，改善反应气体的传质，有效提高燃料电池的输出性能；此外，气体在多孔结构中产生的局部湍流，还可以提高其排水能力，提高燃料电池的稳定性。

综上，相比于传统的沟脊结构和凸台结构的流体分配区和流体集合区，本实用新型构思巧妙，布局合理，通过多孔金属与分配区和集合区的结合形成全新的燃料电池流场板，使气体更加均匀地进入反应区，从而均匀分布到电极表面，有效提高燃料电池的输出性能，且整体结构简单，加工难度低。

附图说明

下面结合附图说明对本实用新型作进一步说明。

图1为本实用新型实施例1不含阻隔壁的燃料电池流场板的导电隔板结构图；

图2为本实用新型实施例1不含阻隔壁的燃料电池流场板结构图；

图3为本实用新型实施例2含阻隔壁的燃料电池流场板的导电隔板结构图；

图4为本实用新型实施例2含阻隔壁的燃料电池流场板结构图；

图5为本实用新型阳极流场板连通结构图；

图6为本实用新型实施例1、实施例2与带有凸台型流场分配区流场板的反应区中各流道的气体流速偏差对比；

图7为本实用新型实施例1、实施例2、带有凸台型流场分配区流场板作为阴极板组成燃料电池后的电池输出性能的对比；

图8为传统的带有凸台结构流场分配区和流场集合区的燃料电池流场板；

附图标记说明：1、导电隔板；2、燃料出口；3、冷却剂入口；4、氧化剂入口；5、流体导入区；6、流体分配区；7、反应区；8、氧化剂出口；9、冷却剂出口；10、燃料入口；11、流体导出区；12、流体集合区；13、阻隔壁；

20、流体分配区凹槽；30、流体集合区凹槽。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1-6所示，一种带有多孔金属分配区和集合区的燃料电池流场板，包括导电隔板1，所述导电隔板1的一侧设置有燃料出口2、冷却剂入口3和氧化剂入口4，所述导电隔板1的另一侧设置有氧化剂出口8、冷却剂出口9和燃料入口10，导电隔板1的中间设置为反应区7，所述反应区7紧邻的两侧设置为多孔结构的流体分配区6和流体集合区12，所述流体分配区6将流体导入区5与所述反应区7相连通，所述流体集合区12将流体导出区11与所述反应区7相连通；所述流体导入区5将燃料入口10或氧化剂入口4与所述流体分配区6相连通，所述流体导出区11将燃料出口2或氧化剂出口8与流体集合区12相连通。

具体的，所述燃料出口2、冷却剂入口3和氧化剂入口4从上向下顺次排布，所述氧化剂出口8、冷却剂出口9和燃料入口10从上向下顺次排布；所述氧化剂入口4和所述氧化剂出口8旋转对称布置，所述燃料出口2和燃料入口10、冷却剂入口3和冷却剂出口9均旋转对称布置，所述流体分配区6和流体集合区12旋转对称布置。

所述导电隔板1的材料选用金属或石墨，所述金属包括不锈钢、钛、铝或铜，优选不锈钢、钛和石墨，主要原因为不锈钢、钛和石墨耐蚀性强，可以更好的适应燃料电池流场板内呈酸性的工作环境。

其中一个实施例，如图1-4所示，燃料电池流场板设置为阴极流场板时，所述氧化剂入口4通过流体导入区5与所述流体分配区6连接，所述氧化剂出口8通过流体导出区11与所述流体集合区12连接；工作时，氧化剂依次通过氧化剂入口4、流体导入区5、流体分配区6进入到反应区7内，再依次经过流体集合区12、流体导出区11从氧化剂出口8流出，从而完成氧化剂在阴极流场板内的流通作业。

另一个实施例，如图5所示，燃料电池流场板设置为阳极流场板时，所述燃料入口10通过流体导入区5与所述流体分配区6连接，所述燃料出口2通过流体导出区11与所述流体集合区12连接；燃料依次通过燃料入口10、流体导入区5、流体分配区6进入到反应区7内，再依次经过流体集合区12、流体导出区11、燃料出口2流出，完成燃料在阳极流场板内的流通作业。

具体的，所述反应区7内的流场设置为沟脊结构，所述沟脊结构设置为平行直流场、蛇形流场或波浪形流场，优选平行直流场和波浪形流场，此类流场压降小、加工简单，与多孔金属集成的分配区和集合区匹配性更好。

具体的，所述流体分配区6和流体集合区12均设置为多孔结构，包括凹槽和多孔金属，所述多孔金属与所述凹槽相匹配并定位放置在凹槽内部。具体的，所述流体分配区6包括流体分配区凹槽20和多孔金属，所述流体集合区12包括流体集合区凹槽30和多孔金属，所述流体分配区凹槽20和所述流体集合区凹槽30设置为单凹槽结构或带阻隔壁13的多凹槽结构；所述流体分配区凹槽20和所述流体集合区凹槽30设置有至少一道所述阻隔壁13，所述阻隔壁13将所述单凹槽结构分割为多凹槽结构，所述多孔金属的外形与对应的凹槽形状相匹配。

该多孔结构的设计，相比于传统的沟槽结构和凸台型结构，反应气体经过多孔结构的流体分配区和流体集合区时，易于形成湍流，减轻由于气体进出口位置差异造成的反应区内气体流量分布不均的问题；进一步的，利用阻隔壁13的设计，对流体分配区和流体集合区中的反应气体进行平均分配，能够使气体更加均匀地进入反应区，从而均匀分布到电极表面，改善反应气体的传质，有效提高燃料电池的输出性能；此外，气体在多孔结构中产生的局部湍流，还可以提高其排水能力，提高燃料电池的稳定性。

具体的，所述多孔金属设置为泡沫金属或金属纤维烧结毡，所述泡沫金属包括泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛或泡沫铝，所述金属纤维烧结毡包括钛纤维毡、不锈钢纤维毡或铁铬铝纤维毡；所述多孔金属的表面设置有导电耐蚀涂层，所述导电耐蚀涂层设置为贵金属涂层、碳涂层、金属碳化物或金属氮化物涂层，以满足燃料电池酸性工作条件的使用要求。

具体的，所述多孔金属的孔隙率设置为80％～95％，孔径设置为100μm～400μm。所述阻隔壁13为所述流体分配区6和流体集合区12凹槽内的细条状连续凸起结构，所述阻隔壁13与所述导电隔板1一体化加工，阻隔壁13的宽度设置为0.5mm～1.5mm，阻隔壁13的高度与所述反应区7内流场的脊高一致。具体的，多孔金属可以根据需要设计为任意形状，需填满流体分配区和流体集合区内的凹槽。阻隔壁13的作用是将流体分配区和流体集合区分隔成多个区域，可以使流体更均匀地流入或流出反应区。优选地，阻隔壁将流体分配区和流体集合区分隔成2～4个区域，且每个区域对应的反应区面积尽量一致。

本实用新型的使用过程如下：

本实用新型的带有多孔金属分配区和集合区的燃料电池流场板，该燃料电池流场板分为阴极流场板(图1-4所示)和阳极流场板(图5所示)，各类流场板又主要包括两种不同的结构布置方式，以阴极流场板为例，其中一个实施例中，如图1-2所示为单凹槽结构，另一个实施例，如图3-4所示为多凹槽结构。

将两种不同的实施例形成的燃料电池流场板进行试验，测试结果如图6-7所示，本实用新型的流速偏差更小，在相同输出电压下电流密度更大，即本实用新型带有多孔金属的分配区和集合区的燃料电池流场板，通过阻隔壁将流体分配区和流体集合区分隔成多个区域，可以使流体更均匀地流入或流出反应区，从而均匀分布到电极表面，改善反应气体的传质，有效提高燃料电池的输出性能；通过多孔金属的引入形成多孔结构，相比于传统的沟槽结构和凸台型结构，反应气体经过多孔结构的流体分配区和流体集合区时，易于形成湍流，减轻由于气体进出口位置差异造成的反应区内气体流量分布不均的问题；且气体在多孔结构中产生的局部湍流，还可以提高其排水能力，提高燃料电池的稳定性。

具体的，阳极流场板和阴极流场板的结构类似，只是连接的流体进出口不一样，二者的制作过程类似，均可以单独冲压或机加完成后，背对背粘结或焊接在一起形成双极板；此外，也可以用一块板子制作成型，即通过机加的方法一面加工成阳极板，另一面加工成阴极板。由于阴极流场板的性能对电池性能影响大，一般重点优化设计的是阴极流场板，阳极流场板根据需要选择性进行调整。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上所述的实施例仅是对本实用新型的优选方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种带有多孔金属分配区和集合区的燃料电池流场板，其特征在于：包括导电隔板(1)，所述导电隔板(1)的一侧设置有燃料出口(2)、冷却剂入口(3)和氧化剂入口(4)，所述导电隔板(1)的另一侧设置有氧化剂出口(8)、冷却剂出口(9)和燃料入口(10)，导电隔板(1)的中间设置为反应区(7)，所述反应区(7)紧邻的两侧设置为多孔结构的流体分配区(6)和流体集合区(12)，所述流体分配区(6)将流体导入区(5)与所述反应区(7)相连通，所述流体集合区(12)将流体导出区(11)与所述反应区(7)相连通；所述流体导入区(5)将燃料入口(10)或氧化剂入口(4)与所述流体分配区(6)相连通，所述流体导出区(11)将燃料出口(2)或氧化剂出口(8)与流体集合区(12)相连通。

2.根据权利要求1所述的带有多孔金属分配区和集合区的燃料电池流场板，其特征在于：所述燃料出口(2)、冷却剂入口(3)和氧化剂入口(4)从上向下顺次排布，所述氧化剂出口(8)、冷却剂出口(9)和燃料入口(10)从上向下顺次排布；所述氧化剂入口(4)和所述氧化剂出口(8)旋转对称布置，所述燃料出口(2)和燃料入口(10)、冷却剂入口(3)和冷却剂出口(9)均旋转对称布置，所述流体分配区(6)和流体集合区(12)旋转对称布置。

3.根据权利要求1所述的带有多孔金属分配区和集合区的燃料电池流场板，其特征在于：燃料电池流场板设置为阴极流场板时，所述氧化剂入口(4)通过流体导入区(5)与所述流体分配区(6)连接，所述氧化剂出口(8)通过流体导出区(11)与所述流体集合区(12)连接；氧化剂依次通过氧化剂入口(4)、流体导入区(5)、流体分配区(6)进入到反应区(7)内，再依次经过流体集合区(12)、流体导出区(11)、氧化剂出口(8)流出，完成氧化剂在阴极流场板内的流通作业；

燃料电池流场板设置为阳极流场板时，所述燃料入口(10)通过流体导入区(5)与所述流体分配区(6)连接，所述燃料出口(2)通过流体导出区(11)与所述流体集合区(12)连接；燃料依次通过燃料入口(10)、流体导入区(5)、流体分配区(6)进入到反应区(7)内，再依次经过流体集合区(12)、流体导出区(11)、燃料出口(2)流出，完成燃料在阳极流场板内的流通作业。

4.根据权利要求3所述的带有多孔金属分配区和集合区的燃料电池流场板，其特征在于：所述反应区(7)内的流场设置为沟脊结构，所述沟脊结构设置为平行直流场、蛇形流场或波浪形流场。

5.根据权利要求1所述的带有多孔金属分配区和集合区的燃料电池流场板，其特征在于：所述流体分配区(6)和流体集合区(12)均设置为多孔结构，包括凹槽和多孔金属，所述多孔金属与所述凹槽相匹配并定位放置在凹槽内部。

6.根据权利要求5所述的带有多孔金属分配区和集合区的燃料电池流场板，其特征在于：所述流体分配区(6)包括流体分配区凹槽(20)和多孔金属，所述流体集合区(12)包括流体集合区凹槽(30)和多孔金属，所述流体分配区凹槽(20)和所述流体集合区凹槽(30)设置为单凹槽结构或带阻隔壁(13)的多凹槽结构；所述流体分配区凹槽(20)和所述流体集合区凹槽(30)设置有至少一道所述阻隔壁(13)，所述阻隔壁(13)将所述单凹槽结构分割为多凹槽结构，所述多孔金属的外形与对应的凹槽形状相匹配。

7.根据权利要求6所述的带有多孔金属分配区和集合区的燃料电池流场板，其特征在于：所述多孔金属的孔隙率设置为80％～95％，孔径设置为100μm～400μm。

8.根据权利要求6所述的带有多孔金属分配区和集合区的燃料电池流场板，其特征在于：所述阻隔壁(13)为所述流体分配区(6)和流体集合区(12)凹槽内的细条状连续凸起结构，所述阻隔壁(13)与所述导电隔板(1)一体化加工，阻隔壁(13)的宽度设置为0.5mm～1.5mm，阻隔壁(13)的高度与所述反应区(7)内流场的脊高一致。