CN110828842A - 一种新型质子交换膜燃料电池双极板分配头 - Google Patents

一种新型质子交换膜燃料电池双极板分配头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型质子交换膜燃料电池双极板分配头，包括活性区和导流区，导流区的一端连接气体进出口；导流区包括若干成排和成行不连续分布的导流岛，导流岛呈圆角矩形凸起结构，且整体呈扇形分布；同一排导流岛呈相同角度倾斜，同一行导流岛中相邻导流岛之间的倾斜夹角相同，阳极相邻导流岛之间夹角为3‑10°，阴极相邻导流岛之间夹角为2‑8°。本发明提供的新型质子交换膜燃料电池双极板分配头，具有较好的反应气体分配效果，且能够有效释放金属双极板在制备冲压过程中产生的内应力，使双极板保证较好的平整度，大幅提升电堆寿命；其不仅适用金属双极板，也适用于石墨双极板和复合双极板。

Description

一种新型质子交换膜燃料电池双极板分配头
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，尤其涉及一种新型质子交换膜燃料电池双极板分配头。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是以氢气为燃料，氧气或空气为氧化剂，将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的发电装置。双极板在PEMFC中具有隔断反应介质、集流导电、支撑膜电极、导热及为反应气体提供通道,均匀分布反应气体以及排水等作用，被称为燃料电池电堆的“骨架”，双极板中的分配区主要作用是分配反应气体，使反应气体进入活性区时各处保持均匀分配，避免局部气量过大造成膜电极的受压不均匀，以及局部温度过高，影响膜电极乃至电堆的寿命。
金属双极板相比石墨双极板具有导电性好、散热性好，强度高，容易薄片化，易于使用模具批量加工来降低制造成本等优点，而且可以减小电堆的体积，提高电堆的体积功率密度，金属双极板是目前燃料电池双极板发展的主流趋势。但是金属双极板的制造工艺难度较大，由于金属材料具有一定的延展性，冲压成型之后很难保证双极板的平整度，若干片双极板叠加装堆之后会使电堆产生很大的内应力而无法释放，从而加速密封胶及膜电极的寿命。所以对于双极板的各部分设计，保证双极板整体的平整度是非常关键的。
现有技术中，专利号CN102034986B公开了一种双极板的分配头结构，该分配头的优势在于：导流岛沿着向上的方向间距逐渐增大，有较好的气体分配效果；但不足之处在于：导流岛的方向一致，仅适用于石墨双极板，如应用在金属双极板，冲压制备会产生方向一致且较大的内应力，从而使双极板沿着导流岛的径向两侧产生翘曲。
专利CN204991855U公开了一种双极板的分配头，该分配头导流条凸起呈Z型分布，能够起到一定的气体分配作用，但是该形状导流条凸起面积较少，方向单一，如应用在金属双极板中很难保证双极板的强度及平整度。
发明内容
本发明为解决现有技术中的上述问题，提出一种新型质子交换膜燃料电池双极板分配头。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种新型质子交换膜燃料电池双极板分配头，包括活性区和导流区，所述导流区的一端连接气体进出口；所述导流区包括若干成排和成行不连续分布的导流岛，所述导流岛呈圆角矩形凸起结构，且整体呈扇形分布；同一排所述导流岛的倾斜角度相同；同一行所述导流岛中沿远离活性区方向所述导流岛倾斜角度逐渐增大，阳极相邻所述导流岛之间增加角度为3-10°，阴极相邻所述导流岛之间增加角度为2-8°。
进一步地，在所述的新型质子交换膜燃料电池双极板分配头上，每行所述导流岛中各所述导流岛之间的间距沿远离活性区方向逐渐增加。
进一步地，在所述的新型质子交换膜燃料电池双极板分配头上相邻两行所述导流岛之间呈错位布置，后一行所述导流岛的方向与于其前一行相邻两所述导流岛的角平分线方向一致。
进一步地，在所述的新型质子交换膜燃料电池双极板分配头上，所述导流岛的长度为1mm-4mm，宽度为1mm-2.5mm，其矩形圆角半径R为0.5mm-1.25mm。
进一步地，在所述的新型质子交换膜燃料电池双极板分配头上，所述导流岛的高度相对所述活性区的流道脊的高度高出10％-50％。
进一步地，在所述的新型质子交换膜燃料电池双极板分配头上，所述导流岛与所述活性区之间设有至少一排导流凸点，所述导流凸点的中心与所述活性区的流道脊的中心对齐。
进一步优选地，在所述的新型质子交换膜燃料电池双极板分配头上，每相邻所述导流凸点之间的间距为3-5个所述流道脊周期的距离。
进一步优选地，在所述的新型质子交换膜燃料电池双极板分配头上，所述导流凸点的直径为1mm-3mm。
进一步优选地，在所述的新型质子交换膜燃料电池双极板分配头上，所述导流凸点的高度与所述导流岛的高度一致。
进一步优选地，在所述的新型质子交换膜燃料电池双极板分配头上，所述导流凸点为圆形、正方形、梯形、三角形、椭圆形或菱形结构。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
(1)该分配头结构导流岛的方向呈扇形结构，有效释放冲压产生的内应力，使双极板有较好的平整度，实验表明：导流岛方向一致的情况下，双极板由于该部分内应力产生的变形，其平整度为1.2mm-2mm之间，该而该扇形导流岛的分配头的平整度小于0.2mm；
(2)通过三维流体仿真软件fluent对该分配区进行流体仿真，结果显示：阳极的扇形导流岛结构相对方向一致的导流岛结构其流阻减小5.8％，阴极流阻减小8.9％；使气体流速增大，提高膜电极反应效率，有效解决流道排水问题，避免水阻现象；
(3)通过三维流体仿真软件fluent对该分配头进行流体仿真，结果表明：气体进入活性区时，其各条流道的气体压力分布均匀，阳极最大处仅比最小处高7.1％；阴极最大处比最小处高2.8％；解决了由于气体分配不均产生的局部气流过大而使膜电极反应不均，从而造成局部温度过高的现象；
(4)该分配头结构由导流岛及导流凸点组成，导流岛的方向呈扇形分布；导流凸点规律分布，其不仅适用金属双极板，也适用于石墨双极板和复合双极板。
附图说明
图1为实施例1所述新型质子交换膜燃料电池双极板分配头的结构示意图；
图2为实施例2所述新型质子交换膜燃料电池双极板分配头的结构示意图；
图3为图2所示新型质子交换膜燃料电池双极板分配头中导流岛的布置结构示意图；
图4为实施例3所述新型质子交换膜燃料电池双极板分配头的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种质子交换膜燃料电池金属双极板的分配头结构，该分配头结构具有较好的反应气体分配效果，且能够有效释放金属双极板在制备冲压过程中产生的内应力，使双极板保证较好的平整度，大幅提升电堆寿命。该分配头结构不仅适用金属双极板，也适用于石墨双极板和复合双极板。
具体地，该新型质子交换膜燃料电池双极板分配头，包括活性区和导流区，所述导流区的一端连接气体进出口；所述导流区包括若干排不连续分布的导流岛，所述导流岛呈圆角矩形凸起结构，且整体呈扇形分布，该扇形结构能够有效分散释放金属冲击产生的内应力，使整个分配区保证较好的平整度；同一排所述导流岛的倾斜角度相同；同一行所述导流岛中沿远离活性区方向所述导流岛倾斜角度逐渐增大，且相邻两导流岛之间的增大角度相同，阳极每行相邻所述导流岛之间增加角度为3-10°，阴极每行相邻所述导流岛之间增加角度为2-8°。如图1所示，沿进气箭头方向为排，垂直于该进气箭头方向为行。实验表明：在所述导流岛方向一致的情况下，双极板由于该部分内应力产生的变形，其平整度为1.2mm-2mm之间，该而该扇形导流岛的分配头的平整度小于0.2mm。
作为一个优选技术方案，每行所述导流岛中各所述导流岛之间的间距沿远离活性区方向逐渐增加，如图1所示，自右至左，每行相邻两导流岛的间距逐渐增大。
作为一个优选技术方案，相邻两行所述导流岛之间呈错位布置，如图2所示，后一行中的一所述导流岛位于前一行相邻两所述导流岛之间位置，且后一行所述导流岛的方向与于其前一行相邻两所述导流岛的角平分线方向一致。
作为一个优选技术方案，所述导流岛的长度为1mm-4mm，宽度为1mm-2.5mm，其矩形圆角半径R为0.5mm-1.25mm。所述导流岛的高度相对所述活性区的流道脊的高度高出10％-50％。
作为另一个优选技术方案，所述导流岛与所述活性区之间设有至少一排导流凸点，该导流凸点起到随机分配气体以及加强金属双极板结构强度的功效。且所述导流凸点的中心与所述活性区的流道脊的中心对齐。
作为一个优选技术方案，每相邻所述导流凸点之间的间距为3-5个所述流道脊周期的距离。所述导流凸点的直径为1mm-3mm。所述导流凸点的高度与所述导流岛的高度一致。以及所述导流凸点为圆形结构，还可以为正方形、梯形、三角形、椭圆形或菱形结构。
下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。
实施例1
请参阅图1所示，该新型质子交换膜燃料电池双极板分配头由导流岛1及导流凸点2组成，该导流岛为若干个成排和成行不连续的圆角矩形凸起结构，导流岛1的一端与反应气体的出入口连通，即图1中箭头所示为空气进口的流动方向；导流岛1的另一端连接一排导流凸点2，且该导流凸点2直接连接其一侧的活性区；靠近反应气体出入口处的第一排导流岛1中，两个相邻所述导流岛1的间隔沿远离活性区3方向逐渐增加，即沿该第一排导流岛的长度方向呈逐渐增加，每相邻导流岛1的距离增加0.3mm。
在本实施例中，参阅图1所示，相邻导流岛1均呈一定角度布置，所有导流岛1整体呈扇形结构自右侧依次排开，同一行所述导流岛中沿远离活性区方向所述导流岛倾斜角度逐渐增大，且相邻两导流岛之间的增大角度相同，阳极相邻两导流岛之间的增大角度为5°，阴极相邻两导流岛之间的角度为3°，导流岛1的长度为2mm，宽度为1mm，其矩形圆角半径R为0.4mm，导流岛1相对活性区中流道脊3的高度要高出25％。
此外，请继续参阅图1所示，在本实施例中，在导流岛1与活性区3中间设有一排导流凸点2，该凸点中心与活性区中流道脊3的中心对齐，其每相邻的凸点间距为3个流道脊3周期的距离。该凸点直径为1.4mm，该凸点高度与导流岛一致；凸点结构还可以为正方形、梯形、三角形、椭圆形及菱形等。
实施例2
与上述实施例1不同的是，请参阅图2所示，改变第二排导流岛1的位置，使其与第一排导流岛1交错，第二排每个导流岛1方向位于第一排两个相邻导流岛1中间，以及第三排导流岛1位于第二排的相邻导流岛1中间，依次类推；如图3所示，其方向与前一排相邻导流岛1的角分线方向一致，得到一种结构的双极板分配头。
实施例3
与上述实施例2不同的是，请参阅图4所示，改变导流凸点2的排列规律，相邻导流凸点2距离沿图4所示箭头所示方向依次增加，导流凸点2的中心与活性区3的导流脊的中心相对，前5个相邻凸点距离为2个流道，第5-10个凸点相距3个流道脊3的距离，10-15个相距4个流道脊3距离…依此类推。
通过三维流体仿真软件fluent分别对该实施例1-3所述电池双极板分配头进行流体仿真，结果显示：阳极的扇形导流岛结构相对方向一致的导流岛结构其流阻减小5.8％，阴极流阻减小8.9％；使气体流速增大，提高膜电极反应效率，有效解决流道排水问题，避免水阻现象。
通过三维流体仿真软件fluent分别对该实施例1-3所述电池双极板分配头进行流体仿真，结果表明：气体进入活性区时，其各条流道的气体压力分布均匀，阳极最大处仅比最小处高7.1％；阴极最大处比最小处高2.8％；解决了由于气体分配不均产生的局部气流过大而使膜电极反应不均，从而造成局部温度过高的现象。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种新型质子交换膜燃料电池双极板分配头，其特征在于，包括活性区和导流区，所述导流区的一端连接气体进出口；所述导流区包括若干成排和成行不连续分布的导流岛，所述导流岛呈圆角矩形凸起结构，且整体呈扇形分布；同一排所述导流岛的倾斜角度相同；同一行所述导流岛中沿远离活性区方向所述导流岛倾斜角度逐渐增大，阳极相邻所述导流岛之间增加角度为3-10°，阴极相邻所述导流岛之间增加角度为2-8°。
2.根据权利要求1所述的新型质子交换膜燃料电池双极板分配头，其特征在于，每行所述导流岛中各所述导流岛之间的间距沿远离活性区方向逐渐增加。
3.根据权利要求1所述的新型质子交换膜燃料电池双极板分配头，其特征在于，相邻两行所述导流岛之间呈错位布置，后一行所述导流岛的方向与于其前一行相邻两所述导流岛的角平分线方向一致。
4.根据权利要求1所述的新型质子交换膜燃料电池双极板分配头，其特征在于，所述导流岛的长度为1mm-4mm，宽度为1mm-2.5mm，其矩形圆角半径R为0.5mm-1.25mm。
5.根据权利要求1所述的新型质子交换膜燃料电池双极板分配头，其特征在于，所述导流岛的高度相对所述活性区的流道脊的高度高出10％-50％。
6.根据权利要求1所述的新型质子交换膜燃料电池双极板分配头，其特征在于，所述导流岛与所述活性区之间设有至少一排导流凸点，所述导流凸点的中心与所述活性区的流道脊的中心对齐。
7.根据权利要求6所述的新型质子交换膜燃料电池双极板分配头，其特征在于，每相邻所述导流凸点之间的间距为3-5个所述流道脊周期的距离。
8.根据权利要求6所述的新型质子交换膜燃料电池双极板分配头，其特征在于，所述导流凸点的直径为1mm-3mm。
9.根据权利要求6所述的新型质子交换膜燃料电池双极板分配头，其特征在于，所述导流凸点的高度与所述导流岛的高度一致。
10.根据权利要求6所述的新型质子交换膜燃料电池双极板分配头，其特征在于，所述导流凸点为圆形、正方形、梯形、三角形、椭圆形或菱形结构。
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