CN116826096B - 一种干湿均衡的燃料电池双极板结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种干湿均衡的燃料电池双极板结构，双极板上设有流体进出口以及连接流体进出口的流道，沿流体流动方向，流道逐步一分为多个支流，并相邻流道的脊上布置不同疏密程度的次级结构。与现有技术相比，本发明根据燃料电池工作中双极板的特性，进口处流道设计为一分二，降低进口处流道流速，沿着流道方向选择布置不同疏密程度的次级结构，增加通道内的对流扩散，产生推动脊下排水的压差，和增强通道内的排水压差，从而维持电池的干湿均衡。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种干湿均衡的燃料电池双极板结构。
背景技术
质子交换膜燃料电池因其具有能量转化率高、无污染、启动快等优点而具有可观的市场应用前景。与热机相比，燃料电池的化学能直接转化成电能，不需要初步转化成热能。因此，转化不受卡诺循环的限制，理论上可以实现90%转化的高效率。
双极板又称集流板，是燃料电池的重要部件，需满足如下有求：(1)实现电池间电的联接；(2)排除电池内化学反应产生的废热；(3)分隔燃料和氧化剂。
现有燃料电池双极板由于流道进口气量大，流速高，容易使质子膜处于较干状态。沿着流道进出口方向，由于反应的消耗和生成水的产出，质子膜含水量增加变湿润，电流密度增大。随着生成水的累积排出，在流道后段容易出现液态水堵塞。
中国专利CN 211929621 U公开的燃料电池叉状交指流场可以增加分配均匀性，有水气分离的效果，但是流阻较大且不可控，没有干湿均衡设计。中国专利CN 208955111 U公开的流场为树枝状结构交指流场，树枝间为蛇形流道，用于集水排水，虽然可提高排水能力，但是分配性差。中国专利CN 109935852 A公开的燃料电池流道场采用仿生叶脉型结构，有效发挥了自然界叶脉状结构的流体流动阻力小的特点，电流密度分布和摩尔氧浓度分布的均匀性都有了很大的提高，但是脊下排水问题未解决。中国专利CN112952134B公开的燃料电池流场通过纵横立体流道、进出口以及气体扩散层的配合，使得水气流道分离，避免水和气体在同一流道中流动而造成的气体传质不足、电解水反应面积低等缺点，但是针对燃料电池和电解水一体化设计，燃料电池生成水收集利用水电解反应，不针对通道内排水及脊下排水问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种干湿均衡的燃料电池双极板结构。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种干湿均衡的燃料电池双极板结构，双极板上设有流体进出口以及连接流体进出口的流道，沿流体流动方向，流道逐步一分为多个支流，并相邻流道的脊上布置不同疏密程度的次级结构。
进一步地，所述的次级结构为设置在两条流道之间的脊上的次级流道，次级流道的深度h小于流道的深度H。
进一步地，所述的次级流道的深度h与流道的深度H之间的关系为：H=2h。
进一步地，相邻两根流道错位布置次级结构。
进一步地，流道进口处的区域布置稀疏的次级结构，在流道后段出口处的区域布置稠密的次级结构。
进一步地，所述双极板沿流体流动方向分为n个区域，n为2~5的整数。
进一步地，区域n中相邻两根流道错位布置次级结构，次级结构的布置周期为L，相邻两根流道上的次级结构错位周期为1/2L；
区域n+1中相邻两根流道错位布置次级结构，次级结构布置周期为1/2L，相邻两根流道上的次级结构错位周期为1/4L。
进一步地，区域n与区域n+1的次级结构的特征长度比为0.8~1.2：1.8~2.2。
进一步地，所述的流道一分为m个支流，m为2~5的整数，变径处为喇叭口式设计。
进一步地，所述的流道为S型或直型。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明在流道进口处设计一分二或一分为多的结构，减小反应气流速，降低进口处气体对膜的吹扫缓解膜干状态。另一方面，根据燃料电池工作中阴极排水特性，沿着流道方向选择布置不同疏密程度的次级结构，增加通道内的对流扩散，产生推动脊下排水的压差，和增强通道内的排水压差，从而维持电池的干湿均衡。
（2）燃料电池双极板的反应面上电流密度分布从反应气进口到出口呈现先升高后降低的趋势，由于流道进口气量大，流速高，容易使质子膜处于较干状态，沿着流道进出口方向，由于反应的消耗和生成水的产出，质子膜含水量增加变湿润，电流密度增大，随着生成水的累积排出，在流道后段容易出现液态水堵塞。为缓解通道内干湿不均的状态，本发明设计了一种可以均衡干湿的流道结构，沿流体流动方向，沿着流道进口到出口的方向上分区域布置次级结构，考虑燃料电池的排水特性，流道进口处的区域选择性的布置稀疏的次级结构，在流道后段出口处的区域布置较稠密的次级结构，为了降低进口处流速，将流道设计为一分二的形式，或者一分多的形式，变径处为喇叭口式设计，大大缓解了燃料电池在工作中出现干湿不均的状态。
附图说明
图1为极板流道结构示意图；
图2为极板流道进口处结构示意图；
图3为图2中K1处截面剖视图；
图4为对比例流道结构示意图；
图5为对比例与实施例极化曲线；
图中标记说明：100-第一流道、200-第二流道、300脊、101-区域A中第一次级结构、102区域B中第一次级结构、201-区域A中第二次级结构、 202-区域B中第二次级结构；
1-流场板、2-反应气流道、3-一分二流道a、4-一分二流道b、5-次级结构。
实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
一种干湿均衡的燃料电池双极板结构，双极板上设有流体进出口以及连接流体进出口的流道，沿流体流动方向，流道逐步一分为多个支流（可以逐步一分为二，二分为四，依次类推，或者一分为三、三分为六等），并相邻流道的脊上布置不同疏密程度的次级结构，一般在流道进口处的区域布置稀疏的次级结构，在流道后段出口处的区域布置稠密的次级结构。双极板沿流体流动方向分为多个区域，在本实施例中，分为两个：区域A和区域B，如图1所示，流体进口处的第一流道100和第二流道200之间的脊300上设有次级结构，次级结构为设置在脊300上的浅流道，参见图3次级流道的深度h小于流道的深度H，在本实施例中H=2h。
相邻两根流道错位布置次级结构，如图1所示，在本实施例中，区域A中第一流道100和第二流道200上设置的区域A中第一次级结构101、区域A中第二次级结构201错位布置，区域A中级结构布置周期为L，相邻两根流道上的次级结构错位周期为1/2L；
区域B中相邻两根流道错位布置次级结构，次级结构布置周期为1/2L，相邻两根流道上的次级结构错位周期为1/4L。
即区域B中次级结构的布局更稠密。
在本实施例中，A区域的次级结构的特征长度设计为0.8~1.2mm，B区域的次级结构的特征长度设计为1.8~2.2mm。
如图2所示，沿流体流动方向，流场板1上的反应气体流道2一分为二：一分二流道a3和一分二流道b4，变径处为喇叭口式设计，并在相邻流道的脊上设有次级结构5。
在本实施例中流道反应气体流道2为S型。
对比例1
如图4所示，为常规导流板的S型反应气体流道结构，即从流体进口到流体出口，流道宽度、深度相同，不分叉不设次级结构。
如图5所示，将实施例1和对比例1所得双极板进行极化性能检测，检测方法为：不同极板装配MEA进行极化测试，从开路电压拉载至3电密，记录不同电密下性能数据，从图5中可以看出实施例1的流道形式的电池具有更好的性能，在高电密时，性能可提升17%。
对实施例1和对比例1双极板进行耐久测试，高低电密循环拉载超过500h。
测试结果：
从上表可以看出，性能在高电密时可以提升17%，耐久测试大于500h时，实施例性能衰减小于5%。
前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (6)
1.一种干湿均衡的燃料电池双极板结构，双极板上设有流体进出口以及连接流体进出口的流道，其特征在于：沿流体流动方向，流道逐步一分为多个支流，并相邻流道的脊上布置不同疏密程度的次级结构；
所述双极板沿流体流动方向分为n个区域，n为2~5的整数；
区域n中相邻两根流道错位布置次级结构，次级结构的布置周期为L，相邻两根流道上的次级结构错位周期为1/2L；
区域n+1中相邻两根流道错位布置次级结构，次级结构布置周期为1/2L，相邻两根流道上的次级结构错位周期为1/4L；
所述的次级结构为设置在两条流道之间的脊上的次级流道，次级流道的深度h小于流道的深度H；
区域n与区域n+1的次级结构的特征长度比为0.8~1.2：1.8~2.2。
2.根据权利要求1所述的一种干湿均衡的燃料电池双极板结构，其特征在于：所述的次级流道的深度h与流道的深度H之间的关系为：H=2h。
3.根据权利要求1所述的一种干湿均衡的燃料电池双极板结构，其特征在于：相邻两根流道错位布置次级结构。
4.根据权利要求1所述的一种干湿均衡的燃料电池双极板结构，其特征在于：流道进口处的区域布置稀疏的次级结构，在流道后段出口处的区域布置稠密的次级结构。
5.根据权利要求1所述的一种干湿均衡的燃料电池双极板结构，其特征在于：所述的流道一分为m个支流，m为2~5的整数，变径处为喇叭口式设计。
6.根据权利要求1所述的一种干湿均衡的燃料电池双极板结构，其特征在于：所述的流道为S型或直型。
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