CN211929621U - 叉形叶脉状交指型质子交换膜燃料电池双极板的流场 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了叉形叶脉状交指型质子交换膜燃料电池双极板的流场，包括双极板本体，所述双极板本体上设有叉形叶脉状交指型流场，叉形叶脉状交指型流场包括设置在双极板本体中间的叶脉状交指型进气主流道，叶脉状交指型进气主流道的两侧设有叶脉状交指型出气主流道，叶脉状交指型进气主流道的两侧设有向外延伸的进气支流道，叶脉状交指型出气主流道设有向内延伸的出气支流道，出气支流道和进气支流道呈交叉分布，所述叶脉状交指型进气主流道的外壁上设有进气口，所述叶脉状交指型出气主流道的外壁上设有出口。本实用新型通过设置叉形叶脉状交指型流场，使得压降更低，同时提高电池的输出性能和稳定性。

Description

叉形叶脉状交指型质子交换膜燃料电池双极板的流场

技术领域

本实用新型涉及质子交换膜燃料电池技术领域，特别涉及一种叉形叶脉状交指型质子交换膜燃料电池双极板的流场。

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。

燃料电池的核心是膜电极和双极板。膜电极是电化学反应的场所；双极板提供气体分配和收集电流，为了完成气体分配和收集电流这两项任务，双极板通常是导电的，其表面有凹凸两个部分，其中凸出部分(收集电流脊梁)用来与电极接触，收集电流；凹下部分(流场)为气体向电极表面传递提供通道，双极板的这一含有凹凸结构的部分称流场。

实际上，燃料电池的产能效率很大程度上取决于双极板流场的结构，优质的流场结构可以改善反应物和生成物的流动状态，使电极各处都能及时得到反应物，并且能及时排除冷却水，提高燃料电池的发电效率。

常见的质子交换膜燃料电池双极板的流场有平行流场，蛇型流场和交指型流场。平行流场的一个显著优点在于气体进口和出口之间的总压降较低，但当流场的宽度相对较大时，每个流场中的流体分布会出现不均匀的现象，这就会引起部分区域的水的堆积，导致传输耗损的增加，从而降低了电流密度。

蛇型流场的优点在于排水能力，单一流动路径能推动液态水的排出。但在大面积的流场中，蛇型流场的压降很大，且气体浓度分布不均匀。

交指型流场的设计促进了反应气体在扩散层中的强制对流，其水管理的效果远优于平行流场和蛇型流场，但气体扩散层中的强制对流导致很大的压降损耗。当前的现有技术中,由于传统交指型流场压降大，当电池输出工作时，反应物分布不均匀，导致反应物和电机的利用率降低，从而会影响电流输出的稳定。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种叉形叶脉状交指型质子交换膜燃料电池双极板的流场。本实用新型通过设置叉形叶脉状交指型流场，使得压降更低，同时提高电池的输出性能和稳定性。

本实用新型的技术方案：叉形叶脉状交指型质子交换膜燃料电池双极板的流场，包括双极板本体，所述双极板本体上设有叉形叶脉状交指型流场，叉形叶脉状交指型流场包括设置在双极板本体中间的叶脉状交指型进气主流道，叶脉状交指型进气主流道的两侧设有叶脉状交指型出气主流道，叶脉状交指型进气主流道的两侧设有向外延伸的进气支流道，叶脉状交指型出气主流道设有向内延伸的出气支流道，出气支流道和进气支流道呈交叉分布，所述叶脉状交指型进气主流道的外壁上设有进气口，所述叶脉状交指型出气主流道的外壁上设有出口。

上述的叉形叶脉状交指型质子交换膜燃料电池双极板的流场，所述进气支流道包括设置在叶脉状交指型进气主流道两侧的向外延伸的多个二级进气支流道，间隔分布的所述二级进气支流道的端部设有向前延伸的叉形三级进气支流道。

前述的叉形叶脉状交指型质子交换膜燃料电池双极板的流场，所述出气支流道包括设置在叶脉状交指型出气主流道上的且与二级进气支流道一一对应配合的的二级出气支流道，间隔分布的所述二级出气支流道的端部设有向前延伸的叉形三级出气支流道。

前述的叉形叶脉状交指型质子交换膜燃料电池双极板的流场，所述叉形三级出气支流道和叉形三级进气支流道呈交叉设置；所述叉形三级进气支流道的前端两侧分布在前端未设置叉形三级出气支流道的二级出气支流道的两侧；所述叉形三级出气支流道的前端两侧分布在前端未设置叉形三级进气支流道的二级进气支流道的两侧。

前述的叉形叶脉状交指型质子交换膜燃料电池双极板的流场，流道各处的宽度相等，拐角处半径为5mm。

前述的叉形叶脉状交指型质子交换膜燃料电池双极板的流场，流道宽度、流道深度与脊背宽度相等。

该种叉形叶脉状交指型质子交换膜燃料电池双极板的流场的施工装置，所述流道宽度为0.7-1mm，所述流道深度为0.7-1mm，所述脊背宽度为0.7-1mm。

前述的叉形叶脉状交指型质子交换膜燃料电池双极板的流场的施工装置中，所述叉形叶脉状交指型流场的开孔率为45%-55%。

前述的叉形叶脉状交指型质子交换膜燃料电池双极板的流场的施工装置中，流道最深处所在面为同一平面。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

本实用新型通过设置具有叶脉状交指型进气主流道和脉状交指型出气主流道的叉形叶脉状交指型流场，其中叶脉状交指型流场的强制对流传质特性能够使反应气体更有效地通过扩散层到达膜电极；与传统蛇形流场相比，交指型流场的压降更低，即相同输出功率密度的情况下交指型流场的净输出更高。叶脉状交指型流场的流场为叶脉结构，使得流道呈扩散性分布，利用叶脉结构传质运输方面的优异特性，使反应气体均匀分配到双极板本体各处，从而提高电池的输出性能和稳定性。此外本实用新型中通过设置特定的叶脉状交指型进气主流道和叶脉状交指型进气主流道，两者之间的出气支流道和进气支流道呈交叉分布可提高反应气体分布均匀性，降低压降，进气流道与出气流道不连续的设计，通过压力差增强有效面积内气体对流与扩散能力，从而提升电池的性能。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

1、双极板本体；2、叉形叶脉状交指型流场；3、叶脉状交指型进气主流道；4、叶脉状交指型出气主流道；6、进气支流道；7、出气支流道；8、二级进气支流道；9、叉形三级进气支流道；10、二级出气支流道；11、叉形三级出气支流道；12、进气口；13、出口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明，但并不作为对本实用新型限制的依据。

实施例：叉形叶脉状交指型质子交换膜燃料电池双极板的流场，如图1所示，包括双极板本体1，所述双极板本体1上设有叉形叶脉状交指型流场2，叉形叶脉状交指型流场2包括设置在双极板本体1中间的叶脉状交指型进气主流道3，叶脉状交指型进气主流道3的两侧设有叶脉状交指型出气主流道4，叶脉状交指型进气主流道3的两侧设有向外延伸的进气支流道6，叶脉状交指型出气主流道4设有向内延伸的出气支流道7，出气支流道7和进气支流道6呈交叉分布，所述叶脉状交指型进气主流道3的外壁上设有进气口12，所述叶脉状交指型出气主流道4的外壁上设有出口13，所述进气支流道6包括设置在叶脉状交指型进气主流道3两侧的向外延伸的多个二级进气支流道8，间隔分布的所述二级进气支流道8的端部设有向前延伸的叉形三级进气支流道9；所述出气支流道7包括设置在叶脉状交指型出气主流道4上的且与二级进气支流道8一一对应配合的的二级出气支流道10，间隔分布的所述二级出气支流道10的端部设有向前延伸的叉形三级出气支流道11，所述叉形三级出气支流道11和叉形三级进气支流道9呈交叉设置；所述叉形三级进气支流道9的前端两侧分布在前端未设置叉形三级出气支流道11的二级出气支流道10的两侧；所述叉形三级出气支流道11的前端两侧分布在前端未设置叉形三级进气支流道9的二级进气支流道8的两侧。本实用新型通过设置具有叶脉状交指型进气主流道3和脉状交指型出气主流道的叉形叶脉状交指型流场2，其中叶脉状交指型流场的强制对流传质特性能够使反应气体更有效地通过扩散层到达膜电极；与传统蛇形流场相比，交指型流场的压降更低，即相同输出功率密度的情况下交指型流场的净输出更高。叶脉状交指型流场的流场为叶脉结构，使得流道呈扩散性分布，利用叶脉结构传质运输方面的优异特性，使反应气体均匀分配到双极板本体1各处，从而提高电池的输出性能和稳定性。此外本实用新型中通过设置特定的叶脉状交指型进气主流道3和叶脉状交指型进气主流道3，两者之间的出气支流道7和进气支流道6呈交叉分布可提高反应气体分布均匀性，降低压降，进气流道与出气流道不连续的设计，通过压力差增强有效面积内气体对流与扩散能力，从而提升电池的性能。

流道各处的宽度相等，拐角处半径为5mm，便于加工，减少成本，改善拐角处流动特性。

流道宽度、流道深度与脊背宽度相等，所述流道宽度为0.7-1mm，所述流道深度为0.7-1mm，所述脊背宽度为0.7-1mm，结构简单，稳定性强。

所述叉形叶脉状交指型流场2的开孔率为45%-55%，防止开孔率过高增加电池的欧姆极化损失或开孔率过低降低反应物的利用率。

流道最深处所在面为同一平面，更容易加工，降低成本。在工作时，以阴极双极板为例，反应加湿氧气/空气由进气口12进入流场，并由叶脉状交指型进气主流道3依次扩散到二级进气支流道8和叉形三级进气支流道9,由于进气流道的封闭特性，反应加湿氧气/空气强制对流从进气叉形三级进气支流道9透过气体扩散层，到达叉形三级出气支流道11，并依次扩散到二级出气支流道10和叶脉状交指型出气主流道4，期间反应氧气/空气扩散至扩散层底面，氧气/空气与阳极透过膜电极的氢离子反应，生成水，共同到达出气流道，由出口13排除。

Claims (9)

1.叉形叶脉状交指型质子交换膜燃料电池双极板的流场，包括双极板本体（1），其特征在于：所述双极板本体（1）上设有叉形叶脉状交指型流场（2），叉形叶脉状交指型流场（2）包括设置在双极板本体（1）中间的叶脉状交指型进气主流道（3），叶脉状交指型进气主流道（3）的两侧设有叶脉状交指型出气主流道（4），叶脉状交指型进气主流道（3）的两侧设有向外延伸的进气支流道（6），叶脉状交指型出气主流道（4）设有向内延伸的出气支流道（7），出气支流道（7）和进气支流道（6）呈交叉分布，所述叶脉状交指型进气主流道（3）的外壁上设有进气口（12），所述叶脉状交指型出气主流道（4）的外壁上设有出口（13）。

2.根据权利要求1所述的叉形叶脉状交指型质子交换膜燃料电池双极板的流场，其特征在于，所述进气支流道（6）包括设置在叶脉状交指型进气主流道（3）两侧的向外延伸的多个二级进气支流道（8），间隔分布的所述二级进气支流道（8）的端部设有向前延伸的叉形三级进气支流道（9）。

3.根据权利要求2所述的叉形叶脉状交指型质子交换膜燃料电池双极板的流场，其特征在于，所述出气支流道（7）包括设置在叶脉状交指型出气主流道（4）上的且与二级进气支流道（8）一一对应配合的二级出气支流道（10），间隔分布的所述二级出气支流道（10）的端部设有向前延伸的叉形三级出气支流道（11）。

4.根据权利要求3所述的叉形叶脉状交指型质子交换膜燃料电池双极板的流场，其特征在于，所述叉形三级出气支流道（11）和叉形三级进气支流道（9）呈交叉设置；所述叉形三级进气支流道（9）的前端两侧分布在前端未设置叉形三级出气支流道（11）的二级出气支流道（10）的两侧；所述叉形三级出气支流道（11）的前端两侧分布在前端未设置叉形三级进气支流道（9）的二级进气支流道（8）的两侧。

5.根据权利要求1-4任一项所述的叉形叶脉状交指型质子交换膜燃料电池双极板的流场，其特征在于：流道各处的宽度相等，拐角处半径为5mm。

6.根据权利要求1-4任一项所述的叉形叶脉状交指型质子交换膜燃料电池双极板的流场，其特征在于：流道宽度、流道深度与脊背宽度相等。

7.根据权利要求6所述的叉形叶脉状交指型质子交换膜燃料电池双极板的流场，其特征在于：所述流道宽度为0.7-1mm，所述流道深度为0.7-1mm，所述脊背宽度为0.7-1mm。

8.根据权利要求1所述的叉形叶脉状交指型质子交换膜燃料电池双极板的流场，其特征在于：所述叉形叶脉状交指型流场（2）的开孔率为45%-55%。

9.根据权利要求1所述的叉形叶脉状交指型质子交换膜燃料电池双极板的流场，其特征在于：流道最深处所在面为同一平面。

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