一种用于质子交换膜燃料电池双极板的新型气体流道结构
阅读说明：本技术 一种用于质子交换膜燃料电池双极板的新型气体流道结构 (Novel gas flow channel structure for bipolar plate of proton exchange membrane fuel cell ) 是由 刘琦 徐豪 林哲 朱祖超 于 2021-09-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于质子交换膜燃料电池双极板的新型气体流道结构,所述质子交换膜燃料电池双极板主要包括阳极板和阴极板,气体流道结构均为截面形状是凹四边形的导流柱呈鱼鳞状交错排列方式构成,靠近流道入口处的导流柱三角翼指向气体流入方向,靠近流道出口处的一列导流柱三角翼指向气体流出方向,气体主体流道是由导流柱交错排列形成波纹状的波纹状流道,波纹状流道之间存在间隙流道。本发明可有效增强质子交换膜燃料电池双极板内反应气体分布均匀性,提高反应气体利用率,并有效预防或缓解水淹,使得质子交换膜燃料电池的性能得到提升。(The invention discloses a novel gas flow channel structure for a bipolar plate of a proton exchange membrane fuel cell, which mainly comprises an anode plate and a cathode plate, wherein the gas flow channel structure is formed by arranging guide columns with concave quadrilateral cross sections in a fish scale shape in a staggered manner, triangular wings of the guide columns close to an inlet of a flow channel point to the gas inflow direction, a row of triangular wings of the guide columns close to an outlet of the flow channel point to the gas outflow direction, a main gas flow channel is a corrugated flow channel formed by staggered arrangement of the guide columns, and gap flow channels are arranged among the corrugated flow channels. The invention can effectively enhance the distribution uniformity of the reaction gas in the bipolar plate of the proton exchange membrane fuel cell, improve the utilization rate of the reaction gas, and effectively prevent or relieve flooding, so that the performance of the proton exchange membrane fuel cell is improved.)
技术领域
本发明属于质子交换膜燃料电池领域，涉及质子交换膜燃料电池双极板的流道结构设计，尤其涉及有利于质子交换膜燃料电池输出性能的气体流道结构。
背景技术
质子交换膜燃料电池以氢气和氧气作为燃料，将化学能直接转换为电能，是最为绿色环保的能量转换装置之一。氢气和氧气作为质子交换膜燃料电池的反应气体，氢气和氧气在通入气体流道后，反应气体向燃料电池中心扩散进入气体扩散层，进而扩散至催化层进行电化学反应。质子交换膜燃料电池的气体流道及多孔介质的气体扩散层和催化层是燃料反应气体传输的必经之地，影响到整个燃料电池的传质过程，最终影响到燃料电池的燃料利用效率及燃料电池的整体输出性能。
平行流道是典型的传统燃料电池流道之一，典型的平行流道包括具有入口的入口流道、具有出口的出口流道，至少具有一个分支流道，每个分支流道的进口与入口流道相连通，每个分支的出口分别与出口流道相连通，反应气体通过入口流道进入流道，经过各个分支流道后，从出口流道排出。由于平行流道的结构特点导致反应气体的利用率较低，且在高湿度反应气体、高电流密度下电池产生的水分难以及时有效地排出，以至于容易在阴极流道中聚集，阻塞流道的传质，从而发生“水淹”现象，从而影响燃料电池性能。
气体扩散层与燃料电池的极板紧密相连，构成了传质通道，是质子交换膜燃料电池的重要组成部分，气体扩散层的主要作用是支撑催化剂层、稳定电极结构、为电极反应提供气体通道、电子通道和排水通道，极板的主要功能是均匀分配反应气体、实现阴阳极电子传导、及时散热等，燃料电池的水在阴极催化层生成并通过气体扩散层到达流场中，流场的结构形式与水在流场中的流动状态密切相关，若是流场中的水不能够及时的排出，将会出现“水淹现象”，使得电池性能降低，因此优化流道结构使燃料电池中生成物水更快的排出来提高电池的输出性能。
关于质子交换膜燃料电池气体流道的设计，常见的设计基本都是传统的平行流道、蛇形流道或者交指型流道，这些流道的共同点在与分支流道中的流道宽度基本保持一致，这种结构的流道通常压力损失大，流动能力差，因此需要通过改进流道结构等行为来促进水的管理、增强反应物更加均匀地向多孔气体扩散层和催化层的输送能力，从而增强反应气体的利用效率，同时优化流道的排水能力，已达到预防或缓解水淹，从这两方面提升质子交换膜燃料电池的整体输出性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于质子交换膜燃料电池双极板的新型气体流道结构，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于质子交换膜燃料电池双极板的新型气体流道结构，包括燃料电池，所述燃料电池由多个单电池层叠组装而成，所述单电池包括阳极板、阴极板、膜电极，所述阳极板与所述阴极板尺寸匹配并组成双极板，所述阳极板与所述阴极板中部均设有方槽状流场，所述阳极板与所述阴极板上均开设有贯通所述方槽状流场一角的流道入口，所述阳极板与所述阴极板上均开设有贯通所述方槽状流场并与所述流道入口对角分布的流道出口，所述方槽状流场内设有气体流道结构；所述气体流道结构由均为截面形状是凹四边形的导流柱呈鱼鳞状交错排列方式构成，所述导流柱纵向设有多列，同列的所述导流柱三角翼指向方向相同，相邻列的所述导流柱三角翼指向方向相反，靠近所述流道入口处的一列所述导流柱三角翼指向气体流入方向，靠近所述流道出口处的一列所述导流柱三角翼指向气体流出方向，所述方槽状流场中的所述导流柱交错排列形成多组横向且平行的波纹状流道，所述方槽状流场中的所述导流柱互不相连且相邻所述波纹状流道之间均形成多个间隙流道，所述阳极板与所述阴极板围绕所述方槽状流场边沿一圈设有边槽，所述膜电极与所述边槽尺寸匹配并安装在所述边槽内，所述膜电极由气体扩散层、催化层和质子交换膜组成，所述阳极板与所述阴极板四角对应设有四个固定孔。
优选的，所述导流柱的凹四边形截面形状高度H满足：1mm≤H≤3mm；底边长度L满足：1mm≤L≤3mm；侧边三角翼与底边夹角的a满足：30°≤a≤45°。
优选的，相邻列的所述导流柱三角翼侧顶点在同一条直线上，相邻列的所述导流柱三角翼侧顶点形成的所述间隙流道纵向距离S2满足：0.2mm≤S2≤1mm；同列相邻的所述导流柱的凹四边形外顶点与内顶点的距离S1满足：3S2≤S1≤H。
优选的，所述波纹状流道的流道宽度交替变化，所述波纹状流道在上下两个所述导流柱中间处宽度最小而向两侧延伸的流道宽度逐渐增大。
优选的，所述阳极板、所述阴极板和所述导流柱的材料为石墨板、金属板或复合板。
优选的，所述导流柱表面涂有疏水材料涂层。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明质子交换膜燃料电池双极板新型气体流道结构采用截面形状为凹四边形的导流柱呈鱼鳞状交错排列组成的新型气体流道，保证导流柱之间互不相连，极大的增大了反应气体与反应层的直接接触面积，有效提高了反应气体向气体扩散层的扩散和阴极催化层生成的水向流道排出的能力。
2、该流道在流道入口处的导流柱三角翼指向反应气体流入方向，这种设计使得反应气体从流道入口更加均匀的流入各个波纹状流道。
3、通过导流柱的引流作用，流道中反应气体流动呈波纹状，波纹状流道的流道宽度沿流向交替变化，导流柱互不相连，形成间隙流道，使反应气体扩散更加均匀，流量较大的波纹状流道也会通过间隙流道将反应气体或水流向较小流量的波纹状流道中，这样反应气体在流场中的分布更加均匀，同时也提高了流道整体的排水能力，能够有效预防或缓解水淹，同时让反应气体更加均匀地扩散至催化层，保证燃料电池的性能更加的均衡并提高燃料电池的传质效率，从而提高质子交换膜燃料电池的输出效率和稳定性。
4、导流柱表面具有疏水材料的涂层也进一步强化流道的排水能力。
附图说明
图1为本发明的单电池结构爆炸图；
图2为本发明的双极板三维图；
图3为本发明的双极板中局部相邻导流柱三维排列图；
图4为本发明的双极板平面图；
图5为本发明的双极板导流柱截面形状尺寸和流道结构尺寸示意图。
图中：1、阳极板；2、阴极板；3、膜电极；4、流道入口；5、流道出口；6、间隙流道；7、边槽；8、固定孔；9、导流柱；10、波纹状流道。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：如图1～图4所示，本发明提供一种技术方案：一种用于质子交换膜燃料电池双极板的新型气体流道结构，包括燃料电池，所述燃料电池由多个单电池层叠组装而成，所述单电池包括阳极板1、阴极板2、膜电极3，所述阳极板1与所述阴极板2尺寸匹配并组成双极板，所述阳极板1与所述阴极板2中部均设有方槽状流场，所述阳极板1与所述阴极板2上均开设有贯通所述方槽状流场一角的流道入口4，所述阳极板1与所述阴极板2上均开设有贯通所述方槽状流场并与所述流道入口4对角分布的流道出口5，所述方槽状流场内设有气体流道结构；所述气体流道结构由均为截面形状是凹四边形的导流柱9呈鱼鳞状交错排列方式构成，所述导流柱9纵向设有多列，同列的所述导流柱9三角翼指向方向相同，相邻列的所述导流柱9三角翼指向方向相反，靠近所述流道入口4处的一列所述导流柱9三角翼指向气体流入方向，靠近所述流道出口5处的一列所述导流柱9三角翼指向气体流出方向，所述方槽状流场中的所述导流柱9交错排列形成多组横向且平行的波纹状流道10，所述方槽状流场中的所述导流柱9互不相连且相邻所述波纹状流道10之间均形成多个间隙流道6，所述阳极板1与所述阴极板2围绕所述方槽状流场边沿一圈设有边槽7，所述膜电极3与所述边槽7尺寸匹配并安装在所述边槽7内，所述膜电极3由气体扩散层、催化层和质子交换膜组成，所述阳极板1与所述阴极板2四角对应设有四个固定孔8。
本实施方案中，燃料电池开始工作时，反应气体从流道入口4进入流道，在流道入口4受导流柱9三角翼的引流，反应气体能够更均匀的流入各个波纹状流道10，反应后经波纹状流道10引导汇聚至流道出口5排出。气体流道结构均为截面形状是凹四边形的导流柱9，且导流柱9之间互不相连，这种由导流柱9排列组成的流道极大地增大了反应气体与反应层的接触面积，让反应气体更加有效、均匀地向气体扩散层和催化层扩散，同时在阴极侧催化层生成的水也可以更加高效迅速地扩散到流道中，这进一步提高了该燃料电池的排水能力。截面形状是凹四边形的导流柱9呈鱼鳞状交错排列形成近似波浪状的波纹状流道10，相比于一般平行流道具有高效的排水能力，且这一波浪状流道的流道宽度也是规律的交替变化的，流道在上下两个导流柱9中间处流道宽度最小向两侧延伸流道宽度逐渐增大，波浪状交变宽度流道也能促进反应气体向反应层的扩散；相邻波纹状流道10之间形成的多个间隙流道6能够促进反应气体在流场中更加均匀地扩散，提高反应气体的利用效率。
如图5所示，所述导流柱9的凹四边形截面形状高度H满足：1mm≤H≤3mm；底边长度L满足：1mm≤L≤3mm；侧边三角翼与底边夹角的a满足：30°≤a≤45°。
本实施方案中，从而保证足够的气体反应接触面积。
如图5所示，相邻列的所述导流柱9三角翼侧顶点在同一条直线上，相邻列的所述导流柱9三角翼侧顶点形成的所述间隙流道6纵向距离S2满足：0.2mm≤S2≤1mm；同列相邻的所述导流柱9的凹四边形外顶点与内顶点的距离S1满足：3S2≤S1≤H。
本实施方案中，设置合适的间隙流道6以及导流柱9的凹四边形外顶点与内顶点的距离，有利于反应气体在流场中更加均匀地扩散，提高反应气体的利用效率，并提高流量较大的波纹状流道10通过间隙流道将反应气体或水流向较小流量的波纹状流道中的能力。
如图3、图5所示，所述波纹状流道10的流道宽度交替变化，所述波纹状流道10流道在上下两个所述导流柱9中间处宽度最小而向两侧延伸的流道宽度逐渐增大。
本实施方案中，流道在上下两个导流柱9中间处流道宽度最小向两侧延伸流道宽度逐渐增大，波浪状交变宽度流道也能促进反应气体向反应层的扩散。
如图1所示，所述阳极板1、所述阴极板2和所述导流柱9的材料为石墨板、金属板或复合板。
本实施方案中，可根据实际需要，选择不同的材料。
如图1～图5所示，所述导流柱9表面涂有疏水材料涂层。
本实施方案中，导流柱9表面涂有疏水材料涂层也进一步强化流道的排水能力。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下就本发明在实际过程中的工作原理或者操作方式进行详细说明。
工作原理：燃料电池开始工作时，反应气体从流道入口4进入流道，在流道入口4受导流柱9三角翼的引流，反应气体能够更均匀的流入各个波纹状流道10，反应后经波纹状流道10引导汇聚至流道出口5排出。
气体流道结构均为截面形状是凹四边形的导流柱9，且导流柱9之间互不相连，这种由导流柱9排列组成的流道极大地增大了反应气体与反应层的接触面积，让反应气体更加有效、均匀地向气体扩散层和催化层扩散，同时在阴极侧催化层生成的水也可以更加高效迅速地扩散到流道中，这进一步提高了该燃料电池的排水能力。
截面形状是凹四边形的导流柱9呈鱼鳞状交错排列形成近似波浪状的波纹状流道10，相比于一般平行流道具有高效的排水能力，且这一波浪状流道的流道宽度也是规律的交替变化的，流道在上下两个导流柱9中间处流道宽度最小向两侧延伸流道宽度逐渐增大，波浪状交变宽度流道也能促进反应气体向反应层的扩散；相邻波纹状流道10之间形成的多个间隙流道6能够促进反应气体在流场中更加均匀地扩散，提高反应气体的利用效率。
本发明综合了波纹状流道、间隙流道和变径流道的特点，同时增大反应气体与反应层的直接接触面积，增强流道中反应气体的利用率、气体扩散的均匀性和流道的排水能力，以预防或缓解水淹，改善燃料电池的水管理，提高质子交换膜燃料电池的输出性能和稳定性，导流柱9表面涂有疏水材料涂层也进一步强化流道的排水能力。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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