CN220086090U - 双极板流场结构及燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于燃料电池技术领域，公开了一种双极板流场结构，包括设在极板一端的空气进气口和设在另一端的空气出气口，空气进气口和空气出气口之间连通有多组并列的气体流道，每个气体流道上间隔一定距离设有流道凸起，流道凸起面向进气口一侧的长度大于流道凸起背离进气口一侧的长度。包含该流场结构的燃料电池，空气经过流道凸起时，在空气流量不变的情况下提高了空气流速，与流道刻痕协同作用有利于气体扩散参与反应，提高了燃料气体利用率，利于反应产物水的排出；与传统的直线流道或面内变截面流道流道相比，本实用新型优化了气体传输途径，扩大了反应气体的接触面，降低了传质阻力，另一方面比面内变截面流道易于加工制造。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种双极板流场结构，属于燃料电池技术领域。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种能将氢燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应的方式直接转换为电能的能量转化装置。燃料电池具有能量转化效率高、无废气排放等特点，被认为是解决能源危机和环境污染的最具前景的方案之一，特别是交通运输如汽车、船舶和备用电源等方面极具应用前景。正是由于这些突出的优越性，燃料电池技术的开发与应用备受重视，被认为是21世纪首选的洁净高效发电方式。
质子交换膜燃料电池主要由双极板和膜电极通过依次堆叠装配而成，其中双极板在燃料电池中发挥分隔阳极燃料和阴极氧气、为流体提供流场、传导电流等作用。为实现上述功能，双极板应具有高电导率、低气体透过率、强抗腐蚀能力、高机械强度、高热传导率以及低成本特性。气体传输主要通过双极板流场进行传输扩散，双极板流场的设计直接影响到电池内部反应气体的分布和传输、水管理、燃料利用率，最终影响电池的输出性能，是质子交换膜燃料电池最重要的研究点之一。流场设计的第一要点就是均匀性，因为不均匀的流场分布会引起催化剂层反应气体的分布不均，导致部分活化区域反应不充分，使得局部电流密度偏低，进而直接影响电池的性能。目前常规的极板流场截面均为矩形结构，流场槽宽和槽深基本都是同等尺寸，随着反应气体的消耗，从进口到出口气体流速逐渐降低，不利于生成水的排出；考虑到加工过程中必然存在拔模角和工艺圆角，流道脊背与气体扩散层接触导电导热的有效宽度实际仅为设计值的50％～70％，增大了电池的内阻；同时脊背与气体扩散层接触的区域因为被压缩导致孔隙率降低，不利于气体的供应和生成水的排出，因此这类双极板流道使得气体接触面有限，气体利用率较低。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的上述不足，而提出一种燃料电池的双极板流场结构以及燃料电池，以改善气体供应，扩大参与反应气体的接触面。
为了实现上述目的，本实用新型提供了一种双极板流场结构，包括设在极板一端的空气进气口和设在另一端的空气出气口，所述空气进气口和空气出气口之间连通有多组并列的气体流道，每个所述气体流道上间隔一定距离设有流道凸起，所述流道凸起面向进气口一侧的长度大于流道凸起背离进气口一侧的长度。
进一步的，相邻气体流道的流道凸起错开分布。
进一步的，所述气体流道的侧面上部设有刻痕微道，所述刻痕微道分布在整个流场内。
进一步的，所述刻痕微道的深度为0.02mm-0.10mm。
进一步的，所述流道凸起的脊部高度为气体流道深度的20％-70％；或者所述流道凸起的投影面积是气体流道横截面积的20-70％。
进一步的，两个所述刻痕微道为一组且彼此间隔距离为2mm-10mm。
进一步的，所述流道凸起的脊背与气体流道宽度的比值范围为1.2-2.0。
进一步的，每个气体流道上相邻两个所述流道凸起的距离为20mm-50mm。
本实用新型还提供了一种燃料电池，其包含上述方案中所述的双极板流场结构。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：改进了流场结构，流道凸起面向进气口一侧的长度大于流道凸起背离进气口一侧的长度，空气从阴极板的进出口直接进出流场，经过流道凸起时，在空气流量不变的情况下提高了空气流速，有利于气体扩散参与反应，流道凸起后端空气流动呈喷射式增强，强化了燃料气体反应产物水的排出能力；气体流道的侧面上部间隔一定距离设有刻痕微道，刻痕微道均匀分布在流场区，与流道凸起协同作用，使一部分空气通过横向刻痕流向相邻流道和通过垂直方向传输至气体扩散层内部，改善了气体扩散层内的气体供应；相邻流道的流道凸起错开分布，进一步增强气体扩散参与反应的能力，提高气体利用率。与传统的直线流道或面内变截面流道相比，本实用新型优化了气体传输途径，使得气体传输更加均匀，扩大了参与反应气体的接触面，降低了传质阻力，也有利于生成水的排出，进而提升了膜电极的输出性能，另一方面本实用新型的流场结构比面内变截面流道易于加工制造。
附图说明
图1为本实用新型实施例中的一种双极板整体结构示意图；
图2为本实用新型实施例中的一种双极板流场结构的A-A处剖面结构示意图；
图3为本实用新型实施例中的一种双极板流场结构的B-B处剖面结构示意图；
图4为本实用新型实施例中的一种石墨烯双极板流场结构的纵剖面结构示意图；
图5为本实用新型实施例中的一种金属双极板流场结构的纵剖面结构示意图；
图6为双极板流场结构的流道凸起区域放大结构示意图。
图中：1、进气口；2、出气口；3、气体流道；4、流道凸起；5、刻痕微道；6、阴极板；7、气体扩散层。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
参阅图3和图6，本实用新型实施例中的一种双极板流场结构，适用于石墨双极板和金属双极板，其包括设在极板一端的空气进气口1和设在另一端的空气出气口2，空气进气口1和空气出气口2之间连通有多组并列的气体流道3，每个气体流道3上间隔一定距离设有坡状的流道凸起4，流道凸起4面向进气口1一侧的长度大于流道凸起4背离进气口1一侧的长度。每个气体流道3上相邻两个流道凸起4的距离为20mm-50mm。
气体流道3的侧面上部设有刻痕微道5，刻痕微道5分布在整个流场区，见图3至5，每个流道凸起4的起始区顶部均设有刻痕微道5。因为凸起段的气体流通面积减小，导致凸起部前段的空气流通压力增大，迫使空气通过横向刻痕流向相邻流道和通过垂直方向传输至气体扩散层7内部，改善了气体扩散层7内的气体供应和生成水的排出，同时凸起部后端流通面积迅速增大，经过流道凸起4后空气流动呈喷射式增强，强化了生成水的排出能力。刻痕微道5的深度以0.02mm-0.10mm为佳；两个刻痕微道5为一组且彼此间隔距离为2mm-10mm。
见图2和图6，相邻气体流道3的流道凸起4错开分布，在相邻流道间形成高压/低压区，利于气体扩散，进一步强化了气体在气体扩散层内的传输。
作为优选，流道凸起4的脊部高度为气体流道3深度的20％-70％；或者流道凸起4的投影面积是气体流道3横截面积的20％-70％，相比传统直流道有效提高空气经过时候的流速，也利于带动生成水的排出。
流道凸起4与气体流道3宽度的比值范围为1.2-2.0，增大了双极板与气体扩散层7的接触面积，降低了接触池电阻，并且在途经空气流量不变的情况下提高了空气流速，更有利于生成水的排出。
本实用新型实施例还提供了一种燃料电池，其包含上述方案中的双极板流场结构，双极板与交换膜按顺序堆叠而成。见图1，气体从极板的进出口直接进出流场，取消过桥气孔，降低了流阻。空气到达流道凸起4所在区域被抬升，向上及两边扩散程度增加，并通过刻痕微道5流向相邻流道和通过垂直方向传输至气体扩散层7内部，进一步促进了气体扩散，利于燃料气体更充分参与反应，另一方面，气体经过流道凸起4，流速增大，利于反应生成水的排出，减少了气体出口区域积水残留。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不限于此，上述具体实施方案经过适当的组合还可以形成新的技术方案，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，根据本实用新型的技术方案及其构思加以等同替换或改变所获得的技术方案，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种双极板流场结构，包括设在极板一端的空气进气口(1)和设在另一端的空气出气口(2)，所述空气进气口(1)和空气出气口(2)之间连通有多组并列的气体流道(3)，其特征在于：每个所述气体流道(3)上间隔一段距离设有流道凸起(4)，所述流道凸起(4)面向进气口一侧的长度大于流道凸起(4)背离进气口一侧的长度。
2.根据权利要求1所述的一种双极板流场结构，其特征在于，所述气体流道(3)的侧面上部设有刻痕微道(5)，所述刻痕微道(5)分布在整个流场内。
3.根据权利要求2所述的一种双极板流场结构，其特征在于，相邻气体流道(3)的流道凸起(4)错开分布。
4.根据权利要求2或3所述的一种双极板流场结构，其特征在于，所述刻痕微道(5)的深度为0.02mm-0.10mm。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的一种双极板流场结构，其特征在于，所述流道凸起(4)的脊部高度为气体流道(3)深度的20％-70％；或者所述流道凸起(4)的投影面积是气体流道(3)横截面积的20-70％。
6.根据权利要求4所述的一种双极板流场结构，其特征在于，两个所述刻痕微道(5)为一组且彼此间隔距离为2mm-10mm。
7.根据权利要求5所述的一种双极板流场结构，其特征在于，所述流道凸起(4)的脊背与气体流道(3)宽度的比值范围为1.2-2.0。
8.根据权利要求3所述的一种双极板流场结构，其特征在于，每个气体流道(3)上相邻两个所述流道凸起(4)的距离为20mm-50mm。
9.一种燃料电池，其特征在于，包含权利要求1-8任意一项所述的双极板流场结构。
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