一种基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池双极板专利检索-对流换热器专利检索查询-专利查询网

一种基于迷宫 挡板结构流场的质子交换膜 燃料 电池双极板

阅读：53发布：2024-01-10

专利汇可以提供一种基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池双极板专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，包括呈矩形状的气体流场(1)，该气体流场(1)的反应气进口(11)和反应气出口(12)位于气体流场(1)的其中一条对角线的两端呈对角分布，在气体流场(1)内分布有多个高度相同的脊(13)和多块挡板(15)，气体流场(1)内由脊(13)分隔为多条宽度相同的流道(14)，沿气体流场(1)的另一条对角线设置的全部挡板(15)和位于该条对角线上的脊(13)构成沿该对角线设置的流道坝。本发明的迷宫挡板结构流场增加了反应气体的强制对流和排水能力，使气体分布均匀，提高了电池的电化学反应效率，使电流密度更加均匀，提升了整体燃料电池的电化学性能。，下面是一种基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池双极板专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，包括气体流场(1)，其特征在于：所述的气体流场(1)呈矩形状，该气体流场(1)的反应气进口(11)和反应气出口(12)位于气体流场(1)的其中一条对角线的两端呈对角分布，在气体流场(1)内分布有多个高度相同的脊(13)和多块挡板(15)，气体流场(1)内由脊(13)分隔为多条宽度相同的流道(14)，挡板(15)分别嵌置在位于气体流场(1)的另一条对角线上的相应流道(14)内且沿该对角线设置的全部挡板(15)和位于该条对角线上的脊(13)构成沿该对角线设置的流道坝，位于流道坝两端的两块挡板(15)的高度与脊(13)的高度相同且其它挡板(15)的高度低于脊(13)的高度；上述脊(13)和挡板(15)的设置构成了迷宫挡板结构的气体流场(1)。
2.根据权利要求1所述的基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：所述的脊(13)由一个或多个矩形块组成，且组成脊(13)的矩形块的长度和宽度皆是流道(14)的宽度的整数倍。
3.根据权利要求1所述的基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：低于脊(13)的高度的部分挡板(15)的高度不低于脊(13)的高度的50％；且全部挡板(15)的厚度一致。
4.根据权利要求1所述的基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：所述的流道(14)包括进气主干流道(141)、进气次干流道(142)、进气分支流道(143)以及出气主干流道(144)、出气次干流道(145)、出气分支流道(146)，且进气分支流道(143)和出气分支流道(146)构成了迷宫挡板结构的迷宫型流道(14)，其中的进气主干流道(141)由脊(13)和气体流场(1)的横向腔壁构成且进气主干流道(141)的进口与反应气进口(11)横向连通；进气次干流道(142)由脊(13)和气体流场(1)的纵向腔壁构成且进气次干流道(142)的进口与反应气进口(11)纵向连通；进气分支流道(143)由流道坝进气侧的脊(13)构成且进气分支流道(143)的进口分别与进气主干流道(141)、进气次干流道(142)相连通；出气主干流道(144)由脊(13)和气体流场(1)的另一个横向腔壁构成且出气主干流道(144)的出口与反应气出口(12)横向连通；出气次干流道(145)由脊(13)和气体流场(1)的另一侧纵向腔壁构成且出气次干流道(145)的出口与反应气出口(12)纵向连通；出气分支流道(146)由流道坝出气侧的脊(13)构成且出气分支流道(146)的出口分别与出气主干流道(144)、出气次干流道(145)相连通。
5.根据权利要求4所述的基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：所述流道(14)的宽度为a、进气主干流道(141)和出气主干流道(144)的长度皆为c1、进气次干流道(142)和出气次干流道(145)的长度皆为c2时，位于气体流场(1)内且不与挡板(15)相接触的脊(13)的个数为位于气体流场(1)内与挡板(15)不
2 2 2
接触的单个脊(13)的平面面积从a到12a 服从正态分布且其期望值为m1a；位于气体流场(1)内且与挡板(15)相接触的脊(13)的个数为位于气体流场(1)内与挡板
2 2 2
(15)相接触的单个脊(13)的平面面积从a到12a 服从正态分布且其期望值为m2a；其中k1＝2～3、k2＝0.35～0.45、m1＝4.5～5.5、m2＝6.5～7.5。
6.根据权利要求1所述的基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：所述的气体流场(1)设置在双极板(2)的板面内，且双极板(2)的板面内还设有位于气体流场(1)四周的矩形密封槽(3)。
7.根据权利要求6所述的基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：所述矩形密封槽(3)四周的双极板(2)的板面上设有均匀分布的螺栓孔(4)，同时在双极板(2)的板面上设有定位孔(5)以使得两块双极板(2)相对定位后采用螺栓穿过螺栓孔(4)固定相连。
8.根据权利要求6所述的基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：所述双极板(2)的侧部设有分别与反应气进口(11)和反应气出口(12)对应连通的螺纹密封导流孔(6)。
9.根据权利要求6所述的基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：所述双极板(2)的侧部设有与气体流场(1)相连通的温度探测孔(7)以便于监测气体流场(1)内的温度。

说明书全文

一种基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜 燃料 电池双极板

技术领域

[0001] 本发明涉及质子交换膜燃料电池双极板结构领域，具体地说是一种基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池双极板。

背景技术

[0002] 能源危机和环境污染问题不断的当今时代，燃料电池作为一种能效高、零污染的洁净能源备受青睐并得到了广泛研究。其中，质子交换膜燃料电池是在一定条件下氢气和空气中的氧气发生化学反应，从而将化学能直接转变为电能的装置。质子交换膜燃料电池由于无污染、能量转化率高、启动快等优点，具有非常好的应用前景。质子交换膜燃料电池中最重要的构件之一是双极板，起着均匀分配反应气体、传导电子、导热并将反应所产生的水及时排出的作用。

[0003] 双极板又称集流板，是燃料电池的重要部件之一，需满足如下有求：(1)分隔氢气和空气中的氧气并均匀分配这些反应气体；(2)导电；(3)排除电池内化学反应产生的热和水。

[0004] 流场是在双极板上加工的各种形状的流道，为反应物和生成物提供进出通道，反应物与生成物在流场内的流动状态由双极板的流道结构所决定。只有保证电极各处均能获得充足的反应物，并及时将生成的水排出电池外，才能保证质子交换膜燃料电池的正常工作，因此双极板流场结构对质子交换膜燃料电池性能有重要影响。

[0005] 常见的质子交换膜燃料电池双极板的流场有点状流场、平行流场、蛇型流场和交指型流场等。点状流场一定程度上是放弃了流场，流体包括反应物和生成物倾向于朝流动阻力最小的方向流动，无法保证流体流动的均匀性，因此点状流场角落位置很可能会滞流堵塞从而影响电池的反应效率。平行流场的反应气体由于进出口间的总压降低，各流道中的流体分布会不均匀，引起部分区域的水淹，导致传输耗损的增加，从而降低了电流密度。尽管蛇形流场的流动路径能推动液态水的排出，排水性能好，但蛇形流场的缺点在于大面积的流场中，压降很大，且气体浓度分布不均匀。交指流场能够大大增强反应气体的强制对流和排水能力，但对进气的压力要求较高，局部压力突降。

发明内容

[0006] 本发明的目的是针对现有技术中常规流场存在的不足，结合点状结构，蛇形结构和交指结构的特点提供一种基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，该双极板中迷宫挡板结构流场的在结合点状流场与蛇形流场的优点的基础上，又继承了交指结构的优点，迷宫挡板结构流场作为一种新型的流场结构，在传质运输方面有很多优异的特性，它一方面增加了反应气体的强制对流和排水能力，能够更均匀地分配反应气体到各分支流道；另一方面更有利于电池的热管理，又提高了电池的电化学反应效率，电化学反应产生的热量由中间向四周扩散，使电流密度更加均匀，从而使得整体燃料电池的电化学性能得以提升；挡板的增加有利于反应气的强制对流并提高了排水性能，单位时间内扩散到膜电极的反应气体的量增加。

[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

[0008] 一种基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，包括气体流场，其特征在于：所述的气体流场呈矩形状，该气体流场的反应气进口和反应气出口位于气体流场的其中一条对角线的两端呈对角分布，在气体流场内分布有多个高度相同的脊和多块挡板，气体流场内由脊分隔为多条宽度相同的流道，挡板分别嵌置在位于气体流场的另一条对角线上的相应流道内且沿该对角线设置的全部挡板和位于该条对角线上的脊构成沿该对角线设置的流道坝，位于流道坝两端的两块挡板的高度与脊的高度相同且其它挡板的高度低于脊的高度；上述脊和挡板的设置构成了迷宫挡板结构的气体流场。

[0009] 所述的脊由一个或多个矩形块组成，且组成脊的矩形块的长度和宽度皆是流道的宽度的整数倍。

[0010] 低于脊的高度的部分挡板的高度不低于脊的高度的50％；且全部挡板的厚度一致。

[0011] 所述的流道包括进气主干流道、进气次干流道、进气分支流道以及出气主干流道、出气次干流道、出气分支流道，且进气分支流道和出气分支流道构成了迷宫挡板结构的迷宫型流道，其中的进气主干流道由脊和气体流场的横向腔壁构成且进气主干流道的进口与反应气进口横向连通；进气次干流道由脊和气体流场的纵向腔壁构成且进气次干流道的进口与反应气进口纵向连通；进气分支流道由流道坝进气侧的脊构成且进气分支流道的进口分别与进气主干流道、进气次干流道相连通；出气主干流道由脊和气体流场的另一个横向腔壁构成且出气主干流道的出口与反应气出口横向连通；出气次干流道由脊和气体流场的另一侧纵向腔壁构成且出气次干流道的出口与反应气出口纵向连通；出气分支流道由流道坝出气侧的脊构成且出气分支流道的出口分别与出气主干流道、出气次干流道相连通。

[0012] 所述流道的宽度为a、进气主干流道和出气主干流道的长度皆为c1、进气次干流道和出气次干流道的长度皆为c2时，位于气体流场(1)内且不与挡板(15)相接触的脊(13)的个数为位于气体流场(1)内与挡板(15)不接触的单个脊(13)的平面面积从a2到12a2服从正态分布且其期望值为m1a2；位于气体流场(1)内且与挡板(15)相接触的脊(13)的个数为位于气体流场(1)内与挡板(15)相接触的单个脊(13)的平2 2 2
面面积从a到12a 服从正态分布且其期望值为m2a；其中k1＝2～3、k2＝0.35～0.45、m1＝4.5～5.5、m2＝6.5～7.5。

[0013] 所述的气体流场设置在双极板的板面内，且双极板的板面内还设有位于气体流场四周的矩形密封槽。

[0014] 所述矩形密封槽四周的双极板的板面上设有均匀分布的螺栓孔，同时在双极板的板面上设有定位孔以使得两块双极板相对定位后采用螺栓穿过螺栓孔固定相连。

[0015] 所述双极板的侧部设有分别与反应气进口和反应气出口对应连通的螺纹密封导流孔。

[0016] 所述双极板的侧部设有与气体流场相连通的温度探测孔以便于监测气体流场内的温度。

[0017] 本发明相比现有技术有如下优点：

[0018] 本发明的双极板中迷宫挡板结构流场的在结合点状流场与蛇形流场的优点的基础上，又继承了交指结构的优点，迷宫挡板结构流场作为一种新型的流场结构，在传质运输方面有很多优异的特性，它一方面增加了反应气体的强制对流和排水能力，能够更均匀地分配反应气体到各分支流道；另一方面更有利于电池的热管理，又提高了电池的电化学反应效率，电化学反应产生的热量由中间向四周扩散，使电流密度更加均匀，从而使得整体燃料电池的电化学性能得以提升；挡板的增加有利于反应气的强制对流并提高了排水性能，单位时间内扩散到膜电极的反应气体的量增加。

[0019] 本发明的迷宫挡板结构流场能弥补蛇形型流场高压降的缺点，减少外功，也能弥补点状流场气体分布不均匀，排水能力弱的缺点，使电流密度更加均匀，从而提升电池的性能。

[0020] 本发明的迷宫挡板结构流场中多个交汇的进气分支流道和多个交汇的出气分支流道的设置构成的迷宫结构，大大增加了单位气体流场面积内的流道面积，充分发挥了迷宫流道导流的优势，提高了反应效率。

[0021] 本发明的双极板设有螺纹密封导流孔用于反应气进口、反应气出口引流，螺纹旋转密封结构保证了反应气进口、反应气出口的密封性；且挡板沿斜对角线设置能有效保证挡板两侧反应气体的顺利反应和生成水的及时排出。

[0022] 本发明的双极板上在气体流场四周开一圈矩形密封槽，能有效防止由于双极板表面加工误差带来的反应气的泄漏。

[0023] 本发明的双极板内迷宫挡板结构的气体流场内各流道竖截面为等宽的矩形截面，且流道底面所在面为同一平面，更容易加工。附图说明

[0024] 附图1为本发明的迷宫挡板结构流场平面结构示意图；

[0025] 附图2为本发明的基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池双极板平面结构示意图；

[0026] 附图3为本发明的基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池双极板局部三维结构示意图；

[0027] 附图4为本发明的实施例中基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池的电压—电流密度曲线图；

[0028] 附图5为本发明的实施例中基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池的功率密度—电流密度曲线图。

[0029] 其中：1—气体流场；11—反应气进口；12—反应气出口；13—脊；14—流道；141—进气主干流道；142—进气次干流道；143—进气分支流道；144—出气主干流道；
145—出气次干流道；146—出气分支流道；15—挡板；2—双极板；3—矩形密封槽；4—螺栓孔；5—定位孔；6—螺纹密封导流孔；7—温度探测孔。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

[0031] 如图1所示：一种基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，包括气体流场1，该气体流场1呈矩形状，该气体流场1的反应气进口11和反应气出口12位于气体流场1的其中一条对角线的两端呈对角分布，在气体流场1内分布有多个高度相同的脊13和多块挡板15，气体流场1内由脊13分隔为多条宽度相同的流道14，挡板15分别嵌置在位于气体流场1的另一条对角线上的相应流道14内且沿该对角线设置的全部挡板15和位于该条对角线上的脊13构成沿该对角线设置的流道坝，位于流道坝两端的两块挡板15的高度与脊13的高度相同且其它挡板15的高度低于脊13的高度；上述脊13和挡板15的设置构成了迷宫挡板结构的气体流场1。在上述气体流场1中，所有的脊13皆由一个或多个矩形块组成且组成脊13的矩形块的长度和宽度皆是流道14的宽度的整数倍；脊13的高度为流道14的宽度的整数倍，低于脊13的高度的部分挡板15的高度不低于脊13的高度的50％；且全部挡板15的厚度一致。

[0032] 具体来说，流道14包括进气主干流道141、进气次干流道142、进气分支流道143以及出气主干流道144、出气次干流道145、出气分支流道146，且进气分支流道143和出气分支流道146构成了迷宫挡板结构的迷宫型流道14，其中的进气主干流道141由脊13和气体流场1的横向腔壁构成且进气主干流道141的进口与反应气进口11横向连通；进气次干流道142由脊13和气体流场1的纵向腔壁构成且进气次干流道142的进口与反应气进口11纵向连通；进气分支流道143由流道坝进气侧的脊13构成且进气分支流道143的进口分别与进气主干流道141、进气次干流道142相连通；出气主干流道144由脊13和气体流场1的另一个横向腔壁构成且出气主干流道144的出口与反应气出口12横向连通；出气次干流道145由脊13和气体流场1的另一侧纵向腔壁构成且出气次干流道145的出口与反应气出口12纵向连通；出气分支流道146由流道坝出气侧的脊13构成且出气分支流道146的出口分别与出气主干流道144、出气次干流道145相连通。当流道14的宽度为a、进气主干流道141和出气主干流道144的长度皆为c1、进气次干流道142和出气次干流道145的长度皆为c2时，位于气体流场(1)内且不与挡板(15)相接触的脊(13)的个数为
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位于气体流场(1)内与挡板(15)不接触的单个脊(13)的平面面积从a到12a
2
服从正态分布且其期望值为m1a；位于气体流场(1)内且与挡板(15)相接触的脊(13)的
2
个数为位于气体流场(1)内与挡板(15)相接触的单个脊(13)的平面面积从a
2 2
到12a服从正态分布且其期望值为m2a；其中k1＝2～3、k2＝0.35～0.45、m1＝4.5～
5.5、m2＝6.5～7.5。

[0033] 如图2所示，当图1所示的气体流场1设置在双极板2的板面上时，双极板2的板面上还设有位于气体流场1四周的矩形密封槽3，在矩形密封槽3四周的双极板2的板面上设有均匀分布的螺栓孔4，同时在双极板2的板面上设有定位孔5以使得两块双极板2相对定位后采用螺栓穿过螺栓孔4固定相连；另外在双极板2的侧部设有分别与反应气进口11和反应气出口12对应连通的螺纹密封导流孔6，双极板2的侧部设有与气体流场1相连通的温度探测孔7以便于监测气体流场1内的温度。

[0034] 图3为本发明的基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池双极板局部三维结构示意图，从图3能够看出，气体流场1的结构为矩形迷宫流场，气体流场1的进气主干流道141、进气次干流道142、进气分支流道143以及出气主干流道144、出气次干流道145、出气分支流道146的宽度方向皆为等矩形截面；进气分支流道143和出气分支流道146构成了迷宫挡板结构的迷宫型流道14，

[0035] 实施例一

[0036] 在本实施例中，采用本发明提供的基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池双极板的燃料电池模型结构尺寸描述如下：⑴气体流场1中，各流道14的宽度a和深度均为1.2mm；⑵斜对角线上的一排挡板15中，两端两块挡板15的高度均为1.2mm，中间其余挡板的高度均为0.8mm且全部挡板的厚度均为0.85mm；⑶气体扩散层厚度为0.2mm，双极板的厚度为2mm，催化层的厚度为0.025mm，质子交换膜的厚度为0.05mm；⑷ 阴极和阳极皆采用本发明提供的迷宫挡板结构流场，本实施例中阴极的反应气体为氧气/空气，阳极的反应气体为氢气；⑸取k1＝2.592、c1＝50、c2＝50、m1＝5.138，得出位于气体流场1内且不与挡板15相接触的脊13的个数为108个，期望值为7.399。⑹取k2＝0.4、c1＝50、c2＝50、m2＝6.938，得出位于气体流场1内且与挡板15相接触的脊13的个数为16个，期望值为9.991。另外该质子交换膜燃料电池的双极板2的材料为导电体材料、金属材料或石墨材料，该质子交换膜燃料电池的两个双极板2相对设置。

[0037] 使用时，反应气体由反应气进口11进入双极板2上的流道14中，通过进气主干流道141和进气次干流道142将反应气体均匀地分布到进气分支流道143中，在气体流场1的挡板14部位，截面积变小，但流量不变，流速增加，单位时间扩散到电极的反应气体的量增加，即通过挡板14的强制对流分布到扩散层，并进一步流到对面出气分支流道146，再汇集到出气主干流道144和出气次干流道145，最终由反应气出口12排出。本实施例的质子交换膜燃料电池的电压—电流密度曲线图如图4所示，操作参数如下表一所示，从图4可以2
看出，当电压为0.5V时，电流密度可以达到1245mA/cm，电化学性能良好。

[0038] 表一：操作参数

[0039]开路电压(V) 1.05
操作压力(atm) 1
操作温度(K) 343
反应气进口氢气流量(kg/s) 3.94×10-7
反应气进口空气流量(kg/s) 1.79×10-5
氢气加湿度 100％
氧气加湿度 100％

[0040]

[0041] 本实施例的质子交换膜燃料电池的功率密度—电流密度曲线图如图5所示，从图2 2
5能够看出，当电流密度为1073mA/cm时，最大功率密度可以达到608.15mW/cm ,电化学性能良好。

[0042] 本发明的双极板中迷宫挡板结构流场的在结合点状流场与蛇形流场的优点的基础上，又继承了交指结构的优点，迷宫挡板结构流场作为一种新型的流场结构，在传质运输方面有很多优异的特性，它一方面增加了反应气体的强制对流和排水能力，能够更均匀地分配反应气体到各分支流道；另一方面更有利于电池的热管理，又提高了电池的电化学反应效率，电化学反应产生的热量由中间向四周扩散，使电流密度更加均匀，从而使得整体燃料电池的电化学性能得以提升；挡板15的增加有利于反应气的强制对流并提高了排水性能，单位时间内扩散到膜电极的反应气体的量增加。该迷宫挡板结构流场能弥补蛇形型流场高压降的缺点，减少外功，也能弥补点状流场气体分布不均匀，排水能力弱的缺点，使电流密度更加均匀，从而提升电池的性能。本发明的迷宫挡板结构流场中多个交汇的进气分支流道143和多个交汇的出气分支流道146的设置构成的迷宫结构，大大增加了单位气体流场1面积内的流道面积，充分发挥了迷宫流道导流的优势，提高了反应效率。双极板2内迷宫挡板结构的气体流场1内各流道14的竖截面为等宽的矩形截面，且流道14的底面所在面为同一平面，更容易加工。

[0043] 本发明的双极板2设有螺纹密封导流孔6用于反应气进口11、反应气出口12引流，螺纹旋转密封结构保证了反应气进口11、反应气出口12的密封性；且挡板15沿斜对角线设置能有效保证挡板15两侧反应气体的顺利反应和生成水的及时排出。双极板2上在气体流场1四周开一圈矩形密封槽3，能有效防止由于双极板2表面加工误差带来的反应气的泄漏。

[0044] 以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

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