CN219591445U - 一种双极板及其分配头和燃料电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双极板及其分配头和燃料电池，包括导流区以及与导流区连通的进气口和活性区，导流区包括一底板以及形成于底板上并与进气口连通的主导流部和一与主导流部的出口连通的副导流部，副导流部的出口与所述活性区连通，主导流部具有按第一规律布设并连通的若干第一流道和若干第二流道，副导流部具有按第二规律布设的若干第三流道，反应气体经进气口进入流经所述第一流道、第二流道和第三流道且均匀分布于各第三流道。与现有技术相比，本实用新型通过呈特定规律布设的第一至第三流道，能够对流经导流区的反应气体进行多次分配，以使流入活性区的反应气体流量和流速均匀分布，提高反应效率和反应效果。

Description

一种双极板及其分配头和燃料电池

技术领域

本实用新型涉及质子交换膜燃料电池技术领域，特别是涉及一种双极板及其分配头和燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池因其具有高效率、零碳排放、零污染的特点被广泛关注。在燃料电池中，双极板作为核心组件之一，具有支撑电堆，收集电流、排水排热、分配反应气体的作用，被称为燃料电池的骨架。在双极板中，通常通过分配区来分配反应气体，使反应气体均匀进入活性区，并且保持膜电极的均匀受力，其影响着电堆的性能与寿命。

现有的燃料电池双极板的分配头通过设计进气口在分配头的一侧，且进气方向与流道成一定角度或者进气方向与导流岛成一定角度等，来实现反应气体的分配，但由于反应气体在进入分配头时，经过导流区导流后，往往会导致反应气体的流量和速度出现中间低两侧高的现象，从而影响反应气体在双极板上的反应效率和反应效果。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种双极板及其分配头和燃料电池，以解决现有技术中对反应气体分配不均匀以及因其导致的反应效率和反应效果低的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型的一个技术方案提供一种双极板的分配头，包括导流区以及与所述导流区连通的进气口和活性区，所述导流区包括一底板以及形成于所述底板上并与所述进气口连通的主导流部和一与所述主导流部的出口连通的副导流部，所述副导流部的出口与所述活性区连通，所述主导流部具有按第一规律布设并连通的若干第一流道和若干第二流道，所述副导流部具有按第二规律布设的若干第三流道，反应气体经进气口进入流经所述第一流道、第二流道和第三流道且均匀分布于各第三流道。

进一步的，所述若干第一流道的气流方向与所述进气口的进气方向一致并沿垂直于所述进气口的进气方向间隔布设，各第一流道的宽度相同且相邻两第一流道间的间距相等；所述若干第二流道的气流方向与所述第一流道的气流方向呈夹角设置并沿相交于所述第一流道的气流方向间隔布设，各第二流道的宽度相同且相邻两第二流道间的间距相等。

进一步的，所述主导流部包括N行、M列不连续布设于所述底板上的导流柱，每行导流柱的排布方向平行于所述第二流道的气流方向且N行导流柱沿垂直于所述第二流道的气流方向平行布设，每列导流柱的排布方向与所述第一流道的气流方向相同且M列导流柱沿垂直于所述第一流道的气流方向平行布设；所述第一流道形成于相邻两列导流柱之间，所述第二流道形成于相邻两行导流柱之间。

进一步的，所述导流柱呈圆柱状凸起结构，所述导流柱的直径为0.5～2mm，相邻两行导流柱之间的间距和/或相邻两排导流柱之间的间距为1～4mm。

进一步的，相邻两行所述导流柱呈错位布置且相邻两奇数行的导流柱在垂直于第二流道的气流方向上对齐布置以及相邻两偶数行的导流柱在垂直于第二流道的气流方向上对齐布置；相邻两列所述导流柱在平行于第一流道的气流方向上对齐布置。

进一步的，所述若干第三流道的气流方向与所述活性区的进气方向一致并沿垂直于所述活性区的进气方向间隔布设，所述第三流道的宽度自中部向两端递减且相邻两第三流道间的间距自中部向两端递增。

进一步的，所述副导流部包括若干沿垂直于第三流道的气流方向不连续布设于所述底板上的导流头，所述导流头的一端与所述主导流部间隔设置，另一端连接于所述活性区；所述导流头的宽度自中部向两端递增且相邻两导流头间的间距自中部向两端递减，所述第三流道形成于相邻两导流头之间。

进一步的，所述活性区包括与所述导流头一一对应设置的肋部，所述肋部连接于所述导流头上对应于远离主导流部的一端，相邻两肋部间间隔形成有与对应的第三流道连通的活性区流道，且各肋部的宽度相同且相邻两肋部间的间距相等。

为解决上述技术问题，本实用新型的另一技术方案提供一种双极板，包括极板、形成于所述极板上的极板流道以及与所述极板连接的分配头，所述分配头的气体出口与所述极板流道的气体进口连通，所述分配头为如上所述的双极板的分配头。

为解决上述技术问题，本实用新型的又一技术方案提供一种燃料电池，包括如上所述的双极板。

本实用新型通过在导流区设置呈第一规律排布的导流柱以在导流区形成第一流道和第二流道以及设置呈第二规律排布的导流头以导流区形成第三流道，使反应气体由进气口进入并经第一流道、第二流道和第三流道分配后流入活性区；反应气体在进入后，导流柱首先对反应气体进行阻挡，以减缓反应气体的流速，使反应气体在主导流部上第一次被分流至各第一流道和第二流道中，进而使反应气体充分扩散并由主导流部的出口流入副导流部，导流头再次对反应气体进行阻挡，进一步减缓反应气体的流速，使反应气体在副导流部第二次被分流至各第三流道中，由于第三流道呈中间宽并逐渐向两端变窄排布，使得反应气体在到达活性区时，由各第三流道内的反应气体流出的反应气体的流量和速度分配均匀，从而有利于反应气体在双极板上的反应。

另，本实用新型中将导流柱设置为向外凸出的圆柱状结构，使得导流头兼具分配反应气体流量和速度及支撑膜电极的作用，从而能够提高燃料电池电堆的稳定性。

附图说明

图1为本实用新型的双极板的分配头的一实施例的示意图。

说明书附图标记如下：

导流区1、第一流道1a、第二流道1b、第三流道1c、底板11、导流柱12、导流头13、进气口2、活性区3、活性区流道3a、肋部31。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例1

如图1所示，本实用新型的双极板的分配头包括导流区1以及与所述导流区1连通的进气口2和活性区3，反应气体(如氢气等)经进气口2进入导流区1，在导流区1上被分配后流入活性区3参与反应。所述进气口2的进气方向与活性区3的进口方向呈0～90°夹角布置，如此设置，反应气体能够在导流区1内充分进行扩散和分配，而不是进入导流区1后沿直线径直传播至活性区3，从而提高了反应气体的分配效率和分配效率；在本实施例中，所述进气口2的进气方向与活性区3的进口方向的夹角为60°。

所述导流区1包括一底板11以及形成于所述底板11上并与所述进气口2连通的主导流部和一与所述主导流部的出口连通的副导流部，所述副导流部的出口与所述活性区3连通，所述主导流部用于对进气口2进入的反应气体进行第一次分配，降低反应气体的流速，促进反应气体在主导流部位置处的扩散，所述副导流部用于对经主导流部第一次分配后的反应气体进行第二次分配，进一步降低反应气体的流速，再次促进反应气体扩散，以使得进入活性区3参与反应的反应气体流量、流速均匀。

所述主导流部具有按第一规律布设并连通的若干第一流道1a和若干第二流道1b，第一流道1a和第二流道1b交叉布置成网状，以使得反应气体能够在第一流道1a和第二流道1b内任意且无规律流通，进而促进反应气体在第一流道1a和第二流道1b内的扩散与分配。所述若干第一流道1a的气流方向与进气口2的进气方向一致并沿垂直于所述进气口2的进气方向间隔布设，即各第一流道1a在垂直于进气口2的进气方向上依次且相互平行布置；所述若干第二流道1b的气流方向与所述第一流道1a的气流方向呈夹角设置并沿相交于所述第一流道1a的气流方向间隔布设，即各第二流道1b在相交于第一流道1a的气流方向上依次且相互平行布置，使得第一流道1a与第二流道1b能够交叉布置；如此，使得进气口2进入的反应气体能够径直进入各第一流道1a内，并随机地进入与之相交的第二流道1b后继续沿该第二流道1b进行流动或进入与该第二流道1b相交的第一流道1a，如此往复，以实现反应气体在主导流部上的分配。在本实施例中，各第一流道1a的宽度相同且相邻两第一流道1a间的间距相等，各第二流道1b的宽度相同且相邻两第二流道1b间的间距相等，使得反应气体能够在第一流道1a和第二流道1b内均匀分配。

所述主导流部包括N行、M列不连续布设于所述底板11上的导流柱12，所述导流柱12按照一定规律在底板11上排布形成所述第一流道1a和第二流道1b，反应气体经进气口2进入第一流道1a和/或第二流道1b时，由于气体的流动具有无规律性，在流动过程中，导流柱12将会对反应气体进行阻挡，使反应气体在冲击导流柱12后而向四周进行扩散而，从而使反应气体充盈至各第一流道1a和/或第二流道1b并在第一流道1a和/或第二流道1b中均匀分布；在本实施例中，垂直于活性区3的进口的方向为行，与所述行的方向相交且呈0～90°的夹角的方向为列。

每行导流柱12的排布方向平行于所述第二流道1b的气流方向且N行导流柱12沿垂直于所述第二流道1b的气流方向平行布设，每行均包含若干个导流柱12且每一行导流柱12的数量可相等也可不等，每一行的各导流柱12间隔均匀分布，第二流道1b形成于相邻两行导流柱12之间。每列导流柱12的排布方向与所述第一流道1a的气流方向相同且M列导流柱12沿垂直于第一流道1a的气流方向平行布设，同样的，每列均包含若干个导流柱12且每一列导流柱12的数量可相等也可不等，每一列的各导流柱12间隔均匀分布，第一流道1a形成于相邻两列导流柱12之间。在本实施例中，相邻两行导流柱12呈错位布置，相邻两奇数行的导流柱12在垂直于第二流道1b的气流方向上对齐布置以及相邻两偶数行的导流柱12在垂直于第二流道1b的气流方向上对齐布置，相邻两列所述导流柱12在平行于第一流道1a的气流方向上对齐布置，从而使得各行导流柱12能够在相交于第二流道1b的第一流到的气流方向能够连接形成一直线，进而形成每列呈直线排列的导流柱12。

所述导流柱12呈圆柱状凸起结构，以通过凸起结构形成具有一定高度的第一流道1a和/或第二流道1b，进而方便放映气体的扩散，同时，所述凸起的导流柱12还可起到支撑膜电极的作用，以提高燃料电池电堆的稳定性。在本实施例中，所述导流柱12的直径为0.5～2mm，优选为1mm；相邻两行导流柱12之间的间距和/或相邻两排导流柱12之间的间距为1～4mm，优选为3mm，以在不影响反应气体扩散的前提下使反应气体分布均匀。可理解的，在其他的一些实施例中，所述导流柱12也可以是其他的一些结构，如凸起的半圆形凸点、三角形、方形、多边形结构等等。

所述副导流部具有按第二规律布设的若干第三流道1c，进气口2进入并流经所述第一流道1a和第二流道1b的反应气体在经第一次分配后流入第三流道1c，并在第三流道1c中再次进行分配后均匀流出至活性区3。所述若干第三流道1c的气流方向与所述活性区3的进气方向一致并沿垂直于所述活性区3的进气方向间隔布设，即各第三流道1c在垂直于活性区3的进气方向上依次且平行布置，如此，使得主导流部的出口出来的反应气体(也即经第一次分配后的反应气体)能够径直进入第三流道1c，并经第三流道1c进行导流，进而实现反应气体在副导流部上的分配。由于进气口2的进气方向与活性区3的入口方向呈一定角度设置，反应气体在进入主导流部进行分配后由其出口出来的反应气体的流量会呈现出中间低两侧高的现象，因此，在本实施例中，所述第三流道1c的宽度自中部向两端递减且相邻两第三流道1c间的间距自中部向两端递增，在同样的条件下，较宽的间距相较于较窄的间距而言具有更高的流量，将第三流道1c的宽度设置成中间宽两端窄的方式，可以对经主导流部中流出的流速分布不均的反应气体进行第二次分配，从均匀地从第三流道1c流至活性区3。

所述副导流部包括若干沿垂直于第三流道1c的气流方向不连续布设于所述底板11上的导流头13，所述导流头13按照一定规律在底板11上排布形成所述第三流道1c，反应气体经主导流部的出口流入第三流道1c时，由于此时的反应气体具有不够均匀的流量，导流头13形成的宽度不一的第三流道1c能够对反应气体的流量进行再分配，从而使流出的反应气体流量、速度均匀分布。在本实施例中，所述导流头13的一端与所述主导流部间隔设置，以承接来自于主导流部初次分配后的反应气体，所述导流头13的另一端连接于所述活性区3，以将分流在导流头13两侧的反应气体导流至活性区3参与反应。

所述导流头13的宽度自中部向两端递增且相邻两导流头13间的间距自中部向两端递减，以在两相邻的导流头13之间形成宽度自中部向两端递增的第三流道1c，进而实现反应气体在副导流部上的第二次分配。在本实施例中，所述导流头13的长度方向与活性区3的进口方向相同，所述导流头13的长度为2～5mm，优选为4mm，两相邻的导流头13之间的间距(也即第三流道1c的宽度)在0.5～2mm之间变化，且优选最大间距为2mm，优选最小间距为0.5mm，其变化优选为等差变化；可理解的，在其他的一些实施例中，导流头13之间的间距也可以是其他变化方式，如间隔的等差，即每隔几个变化一次等等，只要符合该间距中间最大而两端最小即可。

所述活性区3包括与所述导流头13一一对应设置的肋部31，相邻两肋部31之间间隔形成有活性区流道3a，所述活性区流道3a与第三流道1c一一对应连通，以承接来自于第三流道1c的反应气体，将反应气体过渡至极板上以参与反应。具体的，所述肋部31连接于所述导流头13上对应于远离主导流部的一端，各肋部31的宽度优选与连接处的导流头13的宽度相适配，相邻两肋部31之间的间距优选与对应位置的相邻两导流头13之间的间距相适配，也即形成于两肋部31之间的活性区流道3a的宽度对应与连通处的第三流道1c的宽度相等，以使得从第三流道1c中均匀流出的反应气体在活性区流道3a内流动后仍能够保持均匀。

本实施例的双极板的分配头，通过按规律设置导流柱12和导流头13以形成第一流道1a、第二流道1b和第三流道1c，使反应气体分别经过第一流道1a和第二流道1b的第一次分配以及经过第三流道1c的第二次分配，使反应气体充分扩散，进而在到达活性区3时，进入各活性区流道3a的反应气体的流量、速度分配均匀，有利于提高反应气体在双极板上的反应效率及反应效果，进而提高燃料电池的性能。

实施例2

本实施例的双极板的分配头包括与实施例1的结构和功能相同或相似的导流区1(包括底板11、主导流部和副导流部等)、进气口2和活性区3，以实现反应气体的在进入活性区3前的均匀分布。本实施例与实施例1的区别在于：

在本实施例中，所述进气口2的进气方向与活性区3的进口方向相同(也即夹角为0°)；导流柱12的直径为0.5mm，导流柱12的排列方式为与活性区3的入口的气流方向垂直，相邻两行导流柱12之间的间距和/或相邻两列导流柱12之间的间距为2mm；导流头13的长度为3mm，相邻两导流头13之间的间距在0.5～1.5mm之间变化，最大间距为1.5mm，最小间距为0.5mm。如此将进气口2的进气方向与活性区3的进口方向的夹角以及导流柱12和导流头13的尺寸和排列间距设置成不同于实施例1的夹角、尺寸和间距，并通过不通过的夹角、尺寸和间距任意进行组合，可得到较佳的反应气体均匀分布效果；本实施例的其他结构参见实施例1的相关描述，本实施例不做赘述。

实施例3

本实施例的双极板的分配头包括与实施例1的结构和功能相同或相似的导流区1(包括底板11、主导流部和副导流部等)、进气口2和活性区3，以实现反应气体的在进入活性区3前的均匀分布。本实施例与实施例1的区别在于：

在本实施例中，所述进气口2的进气方向与活性区3的进口方向的夹角为60°；导流柱12的直径为2mm，导流柱12的排列方式为与活性区3的入口的气流方向垂直，相邻两行导流柱12之间的间距和/或相邻两列导流柱12之间的间距为4mm；导流头13的长度为4mm，相邻两导流头13之间的间距在0.5～1mm之间变化，最大间距为1mm，最小间距为0.5mm。如此将进气口2的进气方向与活性区3的进口方向的夹角以及导流柱12和导流头13的尺寸和排列间距设置成不同于实施例1的夹角、尺寸和间距，并通过不通过的夹角、尺寸和间距任意进行组合，可得到较佳的反应气体均匀分布效果；本实施例的其他结构参见实施例1的相关描述，本实施例不做赘述。

除此之外，本实用新型在具体实现时，对应的夹角(包括进气口2的进气方向与活性区3的进口方向的夹角、第一流道1a与第二流道1b的夹角等)、尺寸(包括导流柱12的直径、导流头13的长度等)和间距(包括导流柱12之间的间距、导流头13之间的间距等)等除设置成上述尺寸之外，还可以根据实际需要按照任意尺寸进行设置及组合，以得到最佳的反应气体均匀分布的效果。

本实用新型的另一实施例还提供一种双极板，所述双极板包括极板、形成于所述极板上的极板流道以及与所述极板连接的分配头，所述极板流道的气体进口与活性区流道3a连通，用于接收来自于分配头分配后的反应气体，以在所述极板上对反应气体进行反应。具体的，所述分配头能够将由进气口2进入的反应气体进行两次分配，第一次通过主导流部进行分配，能够对刚进入的反应气体进行缓冲，减缓反应气体的流速，使反应气体在主导流部充分扩散后进入副导流部，再由副导流部进行分配，对扩散后的反应气体进行流量和速度的分配，使其均匀流至活性区3。所述分配头为实施例1～3任意一种记载的分配头，其具体结构可参见对应实施例的描述，此处不作赘述。

除此之外，本实用新型的又一实施例还提供一种燃料电池，所述燃料电池包含上述实施例的双极板，其通过设置的分配头能够对反应气体进行均匀分配后反应，以提高燃料电池的性能。当然，所述燃料电池还包括除双极板之外的其他必要部件(如电堆、电极等组件)，前述必要部件均可采用现有结构实现，在此不做赘述。如此，采用本实用新型的燃料电池，使得在最终组装完成后，能够对进入的反应气体进行两次分配，第一次先对进入的反应气体进行降速、扩散，第二次再对降速、扩散后的反应气体进行流量和速度的均匀分配，以使反应气体能够在极板上均匀反应，进而提高反应效率和反应效果，从而提高燃料电池的性能。

Claims (10)

1.一种双极板的分配头，包括导流区以及与所述导流区连通的进气口和活性区，所述导流区包括一底板以及形成于所述底板上并与所述进气口连通的主导流部和一与所述主导流部的出口连通的副导流部，所述副导流部的出口与所述活性区连通，其特征在于：所述主导流部具有按第一规律布设并连通的若干第一流道和若干第二流道，所述副导流部具有按第二规律布设的若干第三流道，反应气体经进气口进入流经所述第一流道、第二流道和第三流道且均匀分布于各第三流道。

2.根据权利要求1所述的双极板的分配头，其特征在于：所述若干第一流道的气流方向与所述进气口的进气方向一致并沿垂直于所述进气口的进气方向间隔布设，各第一流道的宽度相同且相邻两第一流道间的间距相等；所述若干第二流道的气流方向与所述第一流道的气流方向呈夹角设置并沿相交于所述第一流道的气流方向间隔布设，各第二流道的宽度相同且相邻两第二流道间的间距相等。

3.根据权利要求2所述的双极板的分配头，其特征在于：所述主导流部包括N行、M列不连续布设于所述底板上的导流柱，每行导流柱的排布方向平行于所述第二流道的气流方向且N行导流柱沿垂直于所述第二流道的气流方向平行布设，每列导流柱的排布方向与所述第一流道的气流方向相同且M列导流柱沿垂直于所述第一流道的气流方向平行布设；所述第一流道形成于相邻两列导流柱之间，所述第二流道形成于相邻两行导流柱之间。

4.根据权利要求3所述的双极板的分配头，其特征在于：所述导流柱呈圆柱状凸起结构，所述导流柱的直径为0.5～2mm，相邻两行导流柱之间的间距和/或相邻两排导流柱之间的间距为1～4mm。

5.根据权利要求3所述的双极板的分配头，其特征在于：相邻两行所述导流柱呈错位布置且相邻两奇数行的导流柱在垂直于第二流道的气流方向上对齐布置以及相邻两偶数行的导流柱在垂直于第二流道的气流方向上对齐布置；相邻两列所述导流柱在平行于第一流道的气流方向上对齐布置。

6.根据权利要求1所述的双极板的分配头，其特征在于：所述若干第三流道的气流方向与所述活性区的进气方向一致并沿垂直于所述活性区的进气方向间隔布设，所述第三流道的宽度自中部向两端递减且相邻两第三流道间的间距自中部向两端递增。

7.根据权利要求6所述的双极板的分配头，其特征在于：所述副导流部包括若干沿垂直于第三流道的气流方向不连续布设于所述底板上的导流头，所述导流头的一端与所述主导流部间隔设置，另一端连接于所述活性区；所述导流头的宽度自中部向两端递增且相邻两导流头间的间距自中部向两端递减，所述第三流道形成于相邻两导流头之间。

8.根据权利要求7所述的双极板的分配头，其特征在于：所述活性区包括与所述导流头一一对应设置的肋部，所述肋部连接于所述导流头上对应于远离主导流部的一端，相邻两肋部间间隔形成有与对应的第三流道连通的活性区流道，且各肋部的宽度相同且相邻两肋部间的间距相等。

9.一种双极板，包括极板以及形成于所述极板上的极板流道，其特征在于：还包括与所述极板连接的分配头，所述分配头的气体出口与所述极板流道的气体进口连通，所述分配头为如权利要求1～8任一项所述的双极板的分配头。

10.一种燃料电池，其特征在于：包括如权利要求9所述的双极板。