CN220086091U - 一种蛇形与点状结构结合的双极板流场结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种蛇形与点状结构结合的双极板流场结构，涉及燃料电池技术领域，包括双极板本体，双极板本体开设有多条蛇形流道，纵向且相邻的两条蛇形流道之间的双极板本体上开设有多个均匀排列的凹槽，多条蛇形流道中固定连接有多个均匀排列的凸台，凸台的上端面低于凹槽的下端。本实用新型，通过蛇形流道与凹槽结构的组合设计，以蛇形流道作为流场的主流道，保证了流场的快速排水能力，以凹槽所形成的点状流场为分流道，改善了反应物在流场中部的均匀性，并降低了反应气体的压降，使流场内电流密度分布更加均匀。

Description

一种蛇形与点状结构结合的双极板流场结构

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，更具体的是涉及一种蛇形与点状结构结合的双极板流场结构。

背景技术

质子交换膜燃料电池由双极板和膜电极交替装配而成，双极板作为质子交换膜燃料电池的核心部件之一，其主要功能为提供反应气体通道、支撑膜电极、收集传导电流以及排出反应产物水，其结构直接影响着反应气体的利用效率以及燃料电池的排水及散热性能。近年来，随着膜电极材料和制造技术上的不断突破，燃料电池电堆的输出电流密度不断提高，燃料电池电堆正朝着高功率密度的方向发展，这对双极板的结构设计提出了更高的要求。

双极板的流场结构对于提升电化学反应速率及均匀性至关重要，设计不合理的双极板流场结构，会导致电池出现电池内部电流密度分布不均匀、膜电极产生局部热点“水淹”等问题，严重影响燃料电池电堆的输出性能，降低电堆工作稳定性和寿命。

目前常见的传统双极板流场结构主要有平行流场、蛇形流场、交指流场和点状流场，其中，蛇形流场为双极板常见流场（如图1B），蛇形流道流速一般较高，进入口压差较大，能够快速排出产物水，从而避免水淹现象的发生；然而当进出口压力损失较大时，反应物的沿流道的消耗会产生电流密度由入口到出口的分布不均现象，同时伴随反应热量分布不均，降低电堆工作稳定性和寿命。

点状流场（如图1D），在这种流场中反应气体压降很小，合理的点块布置形式会引起反应气体不断地收缩扩张，增强了反应流体的扰动，反应气体向扩散层的扩散传质过程增强。不断发生扰动的反应气体沿流动方向平铺流动，带走反应生成的水，反应流体与扩散层充分接触，通过与扩散层发生大面积的对流换热将流场中的热量带出。

因此，提出一种蛇形与点状结构结合的双极板流场结构来解决上述问题很有必要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：优化燃料电池双极板的流场结构，强化内部气体传质，改善活性平面内流体和电流密度分布不均匀现象，进而提升燃料电池电化学性能，提高燃料电池耐久性和寿命。

本实用新型为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种蛇形与点状结构结合的双极板流场结构，包括双极板本体，所述双极板本体开设有多条蛇形流道，纵向且相邻的两条所述蛇形流道之间的双极板本体上开设有多个均匀排列的凹槽，多条所述蛇形流道中固定连接有多个均匀排列的凸台，所述凸台的上端面低于凹槽的下端。

进一步地，所述凸台和凹槽相错分布。

进一步地，所述凹槽的高度为蛇形流道高度的四分之一，所述凸台高度为蛇形流道高度的二分之一。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型，通过蛇形流道与凹槽结构的组合设计，以蛇形流道作为流场的主流道，保证了流场的快速排水能力，以凹槽所形成的点状流场为分流道，改善了反应物在流场中部的均匀性，并降低了反应气体的压降，使流场内电流密度分布更加均匀。

2、本实用新型，蛇形流道中二分之一凸台和四分之一凹槽的相错分布组合设计，凸台可以增强反应气体的肋下对流作用，而凹槽可以实现气体的均匀分配，二者组合设计可以降低由单一凸台带来的压降和避免由此产生的排水不利，反应气体可以在其中通过凹槽分流均匀分布于流场中，并通过多次短距离拐角获得更强的二次流，增强气体传质，提高反应物利用率。

3、本实用新型，通过将凸台高度设置为蛇形流道高度的一半，凹槽高度设置为凸台高度的一半，即四分之一的蛇形流道的高度，凸台高度过高会导致流场堵塞甚至中断，可能产生产物水的阻塞滞留，造成水淹现象；而凹槽过高则可能导致反应气体短路，加剧电流密度分布不均现象。

附图说明

图1A为现有技术中传统的平行流场平面示意图；

图1B为现有技术中传统的蛇形流场平面示意图；

图1C为现有技术中传统的交指流场平面示意图；

图1D为现有技术中传统的点状流场的平面示意图；

图2为本实用新型结构的立体示意图。

附图标记：1、双极板本体；2、蛇形流道；3、凹槽；4、凸台。

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。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图2，一种蛇形与点状结构结合的双极板流场结构，包括双极板本体1，双极板本体1开设有多条蛇形流道2，纵向且相邻的两条蛇形流道2之间的双极板本体1上开设有多个均匀排列的凹槽3，多条蛇形流道2中固定连接有多个均匀排列的凸台4，凸台4的上端面低于凹槽3的下端，凸台4和凹槽3相错分布，其中蛇形流道2仍作为流场的主流道，因此流道内的整体流速较高，流道具有快速排水能力，能有效避免水淹现象发生，提升电池电流密度，点状的凹槽3结构作为流场的分流道，实现了反应气体在活性面积内的均匀再分配，改善了电化学反应的均匀性，有利于提高膜电极的耐久性和寿命，凸台4与凹槽3相错分布设计使得气流在流场内经过多段短距离的拐角，可以产生更强的二次流，有助于增强气体向气体扩散层扩散和肋下对流作用，提高反应物的传输速率，提高电池的电流密度。

具体的，凹槽3的高度为蛇形流道2高度的四分之一，凸台4高度为蛇形流道2高度的二分之一，将凸台4高度设置为蛇形流道2高度的一半，凹槽3高度设置为凸台4高度的一半，即四分之一的蛇形流道2的高度，凸台4高度过高会导致流场堵塞甚至中断，可能产生产物水的阻塞滞留，造成水淹现象；而凹槽3过高则可能导致反应气体短路，加剧电流密度分布不均现象。

工作原理：燃料电池工作时，反应气体由流道入口进入活性区域，气流整体沿主流道蛇形流道2流动，整体流速较大，当气体通过流场中间区域时，由于凸台4的堵塞，气流与凸台4周期性碰撞并产生垂直于流道方向的分速度，气体垂直扩散进入气体扩散层的速度增大，将增大电化学反应速率，然而，单一凸台4的设置会增大压力损失，影响反应气体的流动和产物水的排出，因此，在双极板本体1与凸台4相错设置等距矩形凹槽3，这样的设置，一方面能够有效疏通气体由于凸台4造成的气流盲道，降低压力损失；另一方面，凸台4与凹槽3不同方向和深度的交错布置，形成一种类似于点状流场的形式，反应气体在其中不断发生收缩、扩张，不断发生扰动，使得气体更加充分的与气体扩散层接触，增强气体传质；此外，凹槽3的点状布置形式使反应气体可以窜流到其它蛇形流道2，实现反应气体的再分配，提高反应气体利用率。

以上，仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，本实用新型的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本实用新型的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (3)

1.一种蛇形与点状结构结合的双极板流场结构，包括双极板本体（1），其特征在于：所述双极板本体（1）开设有多条蛇形流道（2），纵向且相邻的两条所述蛇形流道（2）之间的双极板本体（1）上开设有多个均匀排列的凹槽（3），多条所述蛇形流道（2）中固定连接有多个均匀排列的凸台（4），所述凸台（4）的上端面低于凹槽（3）的下端。

2.根据权利要求1所述的一种蛇形与点状结构结合的双极板流场结构，其特征在于：所述凸台（4）和凹槽（3）相错分布。

3.根据权利要求1所述的一种蛇形与点状结构结合的双极板流场结构，其特征在于：所述凹槽（3）的高度为蛇形流道（2）高度的四分之一，所述凸台（4）高度为蛇形流道（2）高度的二分之一。