CN115084566A - 一种具有仿生六边形流道的燃料电池双极板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有仿生六边形流道的燃料电池双极板，主流道刻在双极板主体前表面的竖直中心，若干副流道刻在双极板的前表面且位于主流道的两侧，主流道与副流道之间形成脊，两个相邻的副流道之间也形成脊，上分流流道及下合流流道分别与主流道及各个副流道连通；位于上游域流场的每个脊上设置有多个上游域微流道，位于下游域流场的每个脊上设置有多个下游域微流道，上游域微流道与下游域微流道为正六边形流道。本发明利用荷叶效应原理，设计微流道，将反应生成的水定向快速输送，优化电池内部水管理，提升排水与传质效率，从而达到提高电池性能、延长寿命的目的。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具有涉及一种具有仿生六边形流道的燃料电池双极板。
背景技术
现代工业发展迅速，人类面临着传统能源短缺、环境恶化的困难，一种可持续、可再生的清洁能源无疑是解决困境的关键。燃料电池是一种可以直接将燃料的化学能转化为电能的发电装置，在工作过程中不受卡诺循环的限制，发电效率可达到60％，若进行合适的热管理，其发电效率可达85％以上，为内燃机的2-3倍；质子交换膜燃料的单体结构电池主要包括质子交换膜、双极板、气体扩散层、催化层等，由于没有机械结构，其工作过程几乎不会产生噪音，可应用于汽车、军事等诸多领域。
电池双极板又称集流板，是燃料电池的重要组成部件，其主要功能包括以下几方面：阻隔燃料与氧化剂、均匀分配反应气体、及时排出热量与反应生成的水、实现阴阳两极电子传导等；流道是在双极板上加工的沟槽，它的结构决定了反应气体以及反应生成的水在双极板内的流动形式，若反应生成的水不能及时排出则会发生“水淹电极”的情况。因此，优化双极板流道设计可以提高燃料电池的性能、提高使用寿命。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种具有仿生六边形流道的燃料电池双极板，利用荷叶效应原理，仿荷叶结构模型，设计双极板微流道，将反应生成的水定向快速输送，此结构可以降低反应生成水在流场中的摩擦效应，同时在均匀分配反应气体的基础上，反应生成的水能够以最快的速度排出，优化电池内部水管理，提升排水与传质效率，从而达到提高电池性能、延长寿命的目的。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，结合附图：
一种具有仿生六边形流道的燃料电池双极板，包括双极板主体1、主流道2、脊3、副流道4、上分流流道5、下合流流道6、进气孔7、出气孔8；所述双极板主体1为薄平板，所述主流道2刻在双极板主体1前表面的竖直中心，方向沿竖直方向，其表面与双极板主体1表面平行；若干副流道4刻在双极板的前表面且位于主流道2的两侧，副流道4表面与主流道2平面保持平行；主流道2与副流道4之间形成脊3，两个相邻的副流道4之间也形成脊3，脊3的表面平行于主流道2表面；上分流流道5及下合流流道6分别位于各个脊3的上端和下端，上分流流道5及下合流流道6分别与主流道2及各个副流道4连通；在上分流流道5的中心正对着主流道2设置有进气孔7，在与其相对的下合流流道6的中心正对着主流道2设置有出气孔8；位于上游域流场的每个脊3上设置有多个上游域微流道9，在同一个脊3上的各个上游域微流道9呈等间距排列，流道垂直于脊3设置，流道输送方向从竖直中心到两侧，所有上游域微流道9的表面与主流道2表面平行；位于下游域流场的每个脊3上设置有多个下游域微流道10，在同一个脊3上的各个下游域微流道10呈等间距排列，流道垂直于脊3，流道输送方向从竖直中心到两侧，所有下游域微流道10的表面与主流道2表面平行；所述上游域微流道9与下游域微流道10为正六边形流道。
进一步地，所述上游域流场与下游域流场的划分以双极板主体1的水平中心为准；各所述上游域微流道9与各下游域微流道10的位置关于双极板主体1的水平中心对称分布；
进一步地，各所述副流道4宽度由双极板主体1竖直中心到两侧逐渐递减，且关于竖直中心呈对称分布。
进一步地，还包括挡板11，挡板11仅分布在上游域流场的主、副流道中位于相邻脊3的最后一个上游域微流道9下方，且挡板11从主流道2或副流道4的底面向双极板主体1的前表面具有向下倾斜的角度。
进一步地，所述主流道2、副流道4、上分流流道5、下合流流道6、上游域微流道9、下游域微流道10中所有与反应气体或水接触的部分皆设有仿生非光滑表面。
进一步地，所述上游域微流道9的流向为从双极板主体1竖直中心向两侧的方向，入口端在双极板主体1竖直中心一侧，出口在两侧的方向；下游域微流道10的流向与所述上游域微流道9的流向相反，入口端在两侧的方向，出口端在双极板主体1竖直中心一侧。
进一步地，所述上游域微流道9包括定向导流体13及微流道体14；微流道体14是以垂直脊3的方向刻在其上，且微流道体14的表面与主流道2的表面处在同一平面；定向导流体13截面为正六边形，正六边形每个夹角的位置为一条垂直与双极板主体1前表面的分割脊12；在微流道体14的入口端中心位置设置分割脊12，将微流道体14分为两个对称的分流道；分割脊12的高度小于脊3的高度，且沿着流道流向高度逐渐降低，形成坡度；整个微流道体14形成一个正六边形的流道；出口端分割脊12的截面高度低于入口端分割脊12的截面高度；所述下游域微流道10包括定向导流体13与微流道体14；微流道体14是以垂直脊3的方向刻在其上，且微流道体14的表面与主流道2的表面处在同一平面；在微流道体14的入口端中心位置设置分割脊12，将微流道体14分为两个对称的分流道，分割脊12的高度小于脊3的高度，且沿着流道流向高度逐渐降低，形成坡度；整个微流道体14形成了一个正六边形的流道；出口端分割脊12的截面高度低于入口端的截面高度。
进一步地，所述上游域微流道与下游域微流道的微流道体14宽度t与脊3的宽度d1符合2/3d1≤t≤3/4d1。
进一步地，所述双极板主体1采用石墨、金属材料、复合材料中的一种。
进一步地，所述主流道2的宽度为2-3mm；所述副流道4的宽度从主流道2至两侧按等差数列递减，公差为0.1-0.2mm；所述脊3的宽度为1-2mm，高度为1-2mm。
本发明具有以下优点：
当燃料电池工作时，反应气体由进气孔进入并进行电化学反应，由于每个微流道体的梯度特征符合泰勒毛细升理论，所以生成的水与反应气体在定向导流体处定向输送，流经上游域与下游域的主、副流道与各微流道体时，由于仿生非光滑表面的存在，可以大大降低水分子在流道中的摩擦力，最终汇聚在下游域的出气孔，这种定向输送机制可大幅度提升反应效率与排水效率，改善燃料电池的水管理，最终提升燃料电池的功率效率与稳定性，延长了使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种具有仿生六边形流道的燃料电池双极板主视图；
图2为本发明实施例所述的上游域微流道结构示意图；
图3为本发明实施例所述的上游域微流道侧面半剖立体视图；
图中：
1-双极板主体；2-主流道；3-脊；4-副流道；5-上分流流道；6-下合流流道；7-进气孔；8-出气孔；9-上游域微流道；10-下游域微流道；11-挡板；12-分割脊；13-定向导流体；14-微流道体。
具体实施方式
以下结合附图及实施例进一步说明本发明的技术方案：
如图1所示，一种具有仿生六边形流道的燃料电池双极板，包括：双极板主体1、主流道2、脊3、副流道4、上分流流道5、下合流流道6、进气孔7、出气孔8、上游域微流道9、下游域微流道10及挡板11。
主流道2、副流道4、上分流流道5、下合流流道6、上游域微流道9、下游域微流道10中所有与反应气体或水接触的部分皆设有仿生非光滑表面。
所述双极板主体1为薄平板，所述主流道2刻在双极板主体1前表面的竖直中心，方向沿竖直方向，其表面与双极板主体1表面平行；副流道4刻在双极板的前表面，位于主流道2的两侧，且副流道4表面与主流道2平面保持平行，其宽度由竖直中心到两侧逐渐递减，关于竖直中心呈对称分布。
主流道2与副流道4之间形成脊3，两个相邻的副流道4之间也形成脊3；各条脊3的宽度相同，且表面平行于主流道2表面。
上分流流道5及下合流流道6位于双极板主体1的前表面，上分流流道5在各个脊3的上端，下合流流道6在各个脊3的下端；上分流流道5及下合流流道6分别与主流道2及各个副流道4连通；在上分流流道5的中心正对着主流道2设置有进气孔7，在与其相对的下合流流道6的中心正对着主流道2设置有出气孔8。
双极板的上游域与下游域流场的划分以水平中心为准。
位于上游域的每个脊3上设置有N个上游域微流道9(N≥3)，在同一个脊3上的各个上游域微流道9呈等间距排列，流道垂直于脊3设置，流道输送方向从竖直中心到两侧，所有上游域微流道9的表面与主流道2表面平行。
挡板11仅分布在上游域的主、副流道中，位于相邻脊3最后一个上游域微流道9下方，且挡板11从主流道2或副流道4的底面向双极板主体1的前表面具有向下倾斜的角度。
位于下游域的每个脊3上设置有N个下游域微流道10(N≥3)，在同一个脊3上的各个下游域微流道10呈等间距排列，流道垂直于脊3，流道输送方向从竖直中心到两侧，所有下游域微流道10的表面与主流道2表面平行。
上游域各上游域微流道9与下游域各下游域微流道10的位置关于水平中心对称分布；上游域、下游域的各个微流道在布置站位上按照正六边形的形状安排。
所述双极板主体1采用石墨、金属材料、复合材料中的一种。
所述主流道2的宽度为2-3mm。
所述副流道4的宽度从主流道2至两侧按等差数列递减，公差为0.1-0.2mm。
所述脊3的宽度为1-2mm，高度为1-2mm。
如图2、图3所示，每一个上游域微流道9由以下部分组成：分割脊12、定向导流体13与微流道体14，同时，所有与反应生成水接触的部分表面皆是仿生非光滑表面；其中，上游域微流道9的流向为从双极板主体1竖直中心向两侧的方向，入口端在双极板主体1竖直中心一侧，出口在两侧的方向；微流道体14是以垂直脊3的方向刻在其上，且微流道体14的表面与主流道2的表面处在同一平面；定向导流体13截面为正六边形，正六边形每个夹角的位置为一条垂直与双极板主体1前表面的分割脊12；以微流道体14的入口端为正视图，在中心位置设置分割脊12，将微流道体14分为两个对称的分流道，同时分割脊12的高度小于脊3的高度，且沿着流道流向高度逐渐降低，形成坡度；从微流道体14俯视图来看，整个微流道体14形成了一个正六边形的流道；由于沿着气体流向，分割脊12的高度逐渐降低，从出口端看截面的高度低于入口端，截面的形状一样，高度不同。
每一个下游域微流道10由以下部分组成：分割脊12、定向导流体13与微流道体14，同时，所有与反应生成水接触的部分表面皆是仿生非光滑表面；其中，下游域微流道10的流向与所述上游域微流道9的流向相反，入口端在两侧的方向，出口端在双极板主体1竖直中心一侧；微流道体14是以垂直脊3的方向刻在其上，且微流道体14的表面与主流道2的表面处在同一平面；以微流道体14的入口端为正视图，在中心位置设置分割脊12，将微流道体14分为两个对称的分流道，同时分割脊12的高度小于脊3的高度，且沿着流道流向高度逐渐降低，形成坡度；从微流道体14俯视图来看，整个微流道体14形成了一个正六边形的流道；由于沿着气体流向，分割脊12的高度逐渐降低，从出口端看截面的高度低于入口端，截面的形状一样，高度不同。
所述上游域微流道与下游域微流道的微流道体14宽度t与脊3的宽度d1符合2/3d1≤t≤3/4d1。
当燃料电池工作时，反应气体由进气孔7进入并进行电化学反应，由于每个微流道体14的梯度特征符合泰勒毛细升理论，所以生成的水与反应气体在定向导流体13处定向输送，流经上游域与下游域的主、副流道4与各微流道体14时，由于仿生非光滑表面的存在，可以大大降低水分子在流道中的摩擦力，最终汇聚在下游域的出气孔8，这种定向输送机制可大幅度提升反应效率与排水效率，改善燃料电池的水管理，最终提升燃料电池的功率效率与稳定性，延长了使用寿命。
当反应气体从上进气孔7进入时，标志着燃料电池电化学反应的开始，进入的反应气体由上分流流道5被分配到主流道2和各个副流道4，由于副流道4的宽度从竖直中心到两侧逐渐减小，可以保证在各副流道4中的反应气体流速相同；当反应气体在上游域时，由于挡板11的存在且向外倾斜，反应气体不会通过主流道2直接传送至出气孔8，而是通过上游域微流道9定向地从主流道2传输至副流道4，使反应气体分布更加均匀，提升传质效率；当反应气体通过上游域反应后进入到下游域时，一部分反应气体会通过下游域微流道10由两侧的副流道4定向传输至主流道2并到达出气孔8，另一部分会通过主流道2直接到达出气孔8。一方面，在具有仿生六边形流道的流场内，气体的传质效率会大幅度提高；另一方面，反应生成的水可以通过这种定向的传输机制由两侧的副流道4与下合流流道6传送至主流道2并到达出气孔8，及时排出了反应生成的水，大大提升排水效率，改善了电池的水管理，最终提高电池的性能、稳定性，并延长了电池的使用寿命。
Claims (10)
1.一种具有仿生六边形流道的燃料电池双极板，其特征在于，包括双极板主体(1)、主流道(2)、脊(3)、副流道(4)、上分流流道(5)、下合流流道(6)、进气孔(7)、出气孔(8)；所述双极板主体(1)为薄平板，所述主流道(2)刻在双极板主体(1)前表面的竖直中心，方向沿竖直方向，其表面与双极板主体(1)表面平行；若干副流道(4)刻在双极板的前表面且位于主流道(2)的两侧，副流道(4)表面与主流道(2)平面保持平行；主流道(2)与副流道(4)之间形成脊(3)，两个相邻的副流道(4)之间也形成脊(3)，脊(3)的表面平行于主流道(2)表面；上分流流道(5)及下合流流道(6)分别位于各个脊(3)的上端和下端，上分流流道(5)及下合流流道(6)分别与主流道(2)及各个副流道(4)连通；在上分流流道(5)的中心正对着主流道(2)设置有进气孔(7)，在与其相对的下合流流道(6)的中心正对着主流道(2)设置有出气孔(8)；位于上游域流场的每个脊(3)上设置有多个上游域微流道(9)，在同一个脊(3)上的各个上游域微流道(9)呈等间距排列，流道垂直于脊(3)设置，流道输送方向从竖直中心到两侧，所有上游域微流道(9)的表面与主流道(2)表面平行；位于下游域流场的每个脊(3)上设置有多个下游域微流道(10)，在同一个脊(3)上的各个下游域微流道(10)呈等间距排列，流道垂直于脊(3)，流道输送方向从竖直中心到两侧，所有下游域微流道(10)的表面与主流道(2)表面平行；所述上游域微流道(9)与下游域微流道(10)为正六边形流道。
2.如权利要求1所述的一种具有仿生六边形流道的燃料电池双极板，其特征在于，所述上游域流场与下游域流场的划分以双极板主体(1)的水平中心为准；各所述上游域微流道(9)与各下游域微流道(10)的位置关于双极板主体(1)的水平中心对称分布。
3.如权利要求1所述的一种具有仿生六边形流道的燃料电池双极板，其特征在于，各所述副流道(4)宽度由双极板主体(1)竖直中心到两侧逐渐递减，且关于竖直中心呈对称分布。
4.如权利要求1所述的一种具有仿生六边形流道的燃料电池双极板，其特征在于，还包括挡板(11)，挡板(11)仅分布在上游域流场的主、副流道中位于相邻脊(3)的最后一个上游域微流道(9)下方，且挡板(11)从主流道(2)或副流道(4)的底面向双极板主体(1)的前表面具有向下倾斜的角度。
5.如权利要求1所述的一种具有仿生六边形流道的燃料电池双极板，其特征在于，所述主流道(2)、副流道(4)、上分流流道(5)、下合流流道(6)、上游域微流道(9)、下游域微流道(10)中所有与反应气体或水接触的部分皆设有仿生非光滑表面。
6.如权利要求1所述的一种具有仿生六边形流道的燃料电池双极板，其特征在于，所述上游域微流道(9)的流向为从双极板主体(1)竖直中心向两侧的方向，入口端在双极板主体(1)竖直中心一侧，出口在两侧的方向；下游域微流道(10)的流向与所述上游域微流道(9)的流向相反，入口端在两侧的方向，出口端在双极板主体(1)竖直中心一侧。
7.如权利要求6所述的一种具有仿生六边形流道的燃料电池双极板，其特征在于，所述上游域微流道(9)包括定向导流体(13)及微流道体(14)；微流道体(14)是以垂直脊(3)的方向刻在其上，且微流道体(14)的表面与主流道(2)的表面处在同一平面；定向导流体(13)截面为正六边形，正六边形每个夹角的位置为一条垂直与双极板主体(1)前表面的分割脊(12)；在微流道体(14)的入口端中心位置设置分割脊(12)，将微流道体(14)分为两个对称的分流道；分割脊(12)的高度小于脊(3)的高度，且沿着流道流向高度逐渐降低，形成坡度；整个微流道体(14)形成一个正六边形的流道；出口端分割脊(12)的截面高度低于入口端分割脊(12)的截面高度；所述下游域微流道(10)包括定向导流体(13)与微流道体(14)；微流道体(14)是以垂直脊(3)的方向刻在其上，且微流道体(14)的表面与主流道(2)的表面处在同一平面；在微流道体(14)的入口端中心位置设置分割脊(12)，将微流道体(14)分为两个对称的分流道，分割脊(12)的高度小于脊(3)的高度，且沿着流道流向高度逐渐降低，形成坡度；整个微流道体(14)形成了一个正六边形的流道；出口端分割脊(12)的截面高度低于入口端的截面高度。
8.如权利要求7所述的一种具有仿生六边形流道的燃料电池双极板，其特征在于，所述上游域微流道与下游域微流道的微流道体(14)宽度t与脊(3)的宽度d1符合2/3d1≤t≤3/4d1。
9.如权利要求1所述的一种具有仿生六边形流道的燃料电池双极板，其特征在于，所述双极板主体(1)采用石墨、金属材料、复合材料中的一种。
10.如权利要求1所述的一种具有仿生六边形流道的燃料电池双极板，其特征在于，所述主流道(2)的宽度为2-3mm；所述副流道(4)的宽度从主流道(2)至两侧按等差数列递减，公差为0.1-0.2mm；所述脊(3)的宽度为1-2mm，高度为1-2mm。
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