一种高体积比功率双极板流场结构、燃料电池

1.本发明涉及燃料电池电堆技术领域，尤其是涉及一种高体积比功率双极板流场结构、燃料电池。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，pemfc)是一种以氢气为燃料，以氧气或空气为氧化剂的电化学发电装置，目前广泛应用于交通、发电、储能等场景。不同应用场景对电堆的功率和体积要求有所不同，应用于乘用车上时，其要求电堆功率大而且体积小，故此时对于电堆的性能和整体体积比功率有着苛刻的要求。
3.传统的双极板两侧极板各自不同无直接关联，其组成直接通过冷却侧平面接触，单元节(阴极板和阳极板组成的双极板)厚度相对较大。当电堆功率提高时其整体体积不可避免的增大较多，很大程度限制了其应用场景。因此，在电堆整体性能提升的前提要求下进一步优化极板结构和提高电堆性能的需求越来越重要。
4.现有技术中，中国专利cn114039064a设计了一种具有变截面流场通道的质子交换膜燃料电池双极板，中国专利cn115528267a设计了一种流场板，中国专利cn113497242a设计了一种能够将由生成水导致的气体流路的闭塞的产生和由气体扩散层的挫曲导致的燃料电池的压降的增加等降低到最小限度而得到稳定的发电性能的燃料电池用气体流路，其主要设计构思是设计变截面流道，通过改变流道截面积来改变压差来提高电池排水能力并提高性能。但是，上述方案均不适合于阴阳极板嵌套的组成结构，其阴极板是独立设计，对于整体双极板的节厚度没有减小，无法减小单元节厚度以提高体积比功率。


技术实现要素：

5.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高体积比功率双极板流场结构、燃料电池。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.根据本发明的第一方面，提供一种高体积比功率双极板流场结构，包括阳极板和阴极板，所述阳极板的第一侧设有氢气流场结构，所述阴极板的第一侧设有空气流场结构，所述阳极板和阴极板相互嵌套，所述阳极板的第二侧与阴极板的第二侧之间形成冷却液流场结构，所述氢气流场结构包括多个氢气流道，所述空气流场结构包括多个空气流道，所述空气流道上设有正常段、收窄段和加宽段，且一个流道的收窄段与其相邻流道的加宽段对齐。
8.进一步地，所述阳极板的板面向第一侧凸起并形成多个阳极气侧凸脊，相邻阳极气侧凸脊之间形成氢气流道，所述阳极气侧凸脊在阳极板的第二侧形成阳极冷却液侧凹槽；
9.所述阴极板的板面向第二侧凸起形成多个阴极冷却液侧凸脊，所述阴极冷却液侧凸脊在阴极板的第一侧形成阴极气侧凹槽，所述阴极气侧凹槽作为空气流道；
10.所述阳极板和阴极板相互嵌套时，所述阳极板的板面置于相邻阴极冷却液侧凸脊之间，所述阴极冷却液侧凸脊置于阳极冷却液侧凹槽内。
11.进一步地，在所述空气流道的加宽段，所述阴极气侧凹槽的宽度增大，在所述空气流道的收窄段，所述阴极气侧凹槽的宽度减小。
12.进一步地，在所述空气流道的加宽段，所述阴极冷却液侧凸脊与阳极冷却液侧凹槽的侧壁相贴合。
13.进一步地，所述阳极冷却液侧凹槽上设有多个支撑凸台，所述支撑凸台与阴极板的阴极冷却液侧凸脊相接触。
14.进一步地，所述支撑凸台为自阳极板的阳极气侧凸脊向第二侧的凸起结构。
15.进一步地，在所述空气流道的收窄段，空气流道的深度降低，阳极板和阴极板之间的间隙增大。
16.进一步地，所述氢气流道和空气流道的流道形式相同。
17.进一步地，氢气和空气的流向相互平行且逆向，冷却液流向与气体流向相互垂直。
18.根据本发明的第二方面，提供一种燃料电池，使用上述的高体积比功率双极板流场结构。
19.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
20.(1)设计了嵌套式双极板，即阴阳极板在冷却液侧脊与流道相互嵌套，有效地减小了双极板的节厚度，从而减小电堆体积，同时阴极流场在流道区域按一定规律间隔一定的位置设计收窄或加宽，并且两相邻流道收窄处与加宽处相邻，以通过改变流道截面面积改变该处的气体压力，从而增大两相邻流道间的压差，促进气体跨越脊传输，排出脊下反应积累的生成水，提高电堆反应效率和输出功率，从而进一步提高电堆体积比功率。
21.(2)为兼顾电堆散热需求保证冷却液的流通通径，在阳极流场脊下设计支撑凸台以保证两极板间的间隙，确保冷却液的顺利流通。
22.(3)阴极流道收窄处抬高流道底面，减小收窄处的深宽比利于加工成型，同时背面作为冷却液的流通路径，确保冷却液的顺利流通。
附图说明
23.图1是本发明双极板流场区域结构图
24.图2是图1中阳极板的侧视图；
25.图3是本发明实施例中阴极板流场示意图；
26.图4是本发明实施例中阴极板两相邻空气流道放大示意图；
27.图5是图3中a-a处截面示意图；
28.图6是图3中b-b处截面示意图；
29.图7是图6中虚线框内局部结构放大图；
30.图8为图3中c-c处截面示意图；
31.图9为本发明实施例中阳极板流场示意图；
32.图10为图9中d-d处截面示意图；
33.附图标记：1、阴极板，2、阳极板，3、正常段，4、加宽段，5、收窄段，6、流道一正常段位置，7、流道一收窄段位置，8、流道二正常段位置，9、流道二收窄段位置，10、冷却液流通路
径，11、支撑凸台，1-1、阴极冷却液侧凸脊，1-2、阴极气侧凹槽，2-1、阳极气侧凸脊，2-2、阳极冷却液侧凹槽，2-3、氢气流道。
具体实施方式
34.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例，本发明的保护范围不限于下述的实施例。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，都应当属于本发明保护的范围。
35.此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
36.本说明书提供了如实施例或流程示意图的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的系统或服务器产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境)或者调整没有时序限制的步骤的执行顺序。
37.实施例1：
38.本发明提供一种高体积比功率双极板流场结构，包括阳极板2和阴极板1，阳极板2的第一侧设有氢气流场结构，阴极板1的第一侧设有空气流场结构，阳极板2和阴极板1相互嵌套，阳极板2的第二侧与阴极板1的第二侧之间形成冷却液流场结构，氢气流场结构包括多个氢气流道2-3，空气流场结构包括多个空气流道，空气流道上设有正常段3、收窄段5和加宽段4，且一个流道的收窄段5与其相邻流道的加宽段4对齐。
39.如图1、图2所示，该双极板流场由阴极板1和阳极板2嵌套而成，形成氢气、空气及冷却液三种流体流通路径，空气在阴极板1上成型的空气流道内流通，氢气在阳极板2上的氢气流道2-3内流通，冷却液在两极板之间流通。氢气和空气的流向相互平行且逆向，冷却液流向与气体流向相互垂直。
40.本发明两极板相互嵌套，故氢空整体流场形式大体相同，同为平行直流道或平行波纹流道。但是，流道内形式有所不同，阴极板1空气流道内不同位置流道宽度和深度按照一定的规律而变化，而阳极板2氢气流道2-3则是平行流道无特殊结构，阴极板1空气流道形式如图1所示，阳极板2氢气流道2-3形式如图2所示。
41.具体来说，阳极板2的板面向第一侧凸起并形成多个阳极气侧凸脊2-1，相邻阳极气侧凸脊2-1之间形成氢气流道2-3，阳极气侧凸脊2-1在阳极板2的第二侧形成阳极冷却液侧凹槽2-2；阴极板1的板面向第二侧凸起形成多个阴极冷却液侧凸脊1-1，阴极冷却液侧凸脊1-1在阴极板1的第一侧形成阴极气侧凹槽1-2，阴极气侧凹槽1-2作为空气流道；阳极板2
和阴极板1相互嵌套时，阳极板2的板面置于相邻阴极冷却液侧凸脊1-1之间，阴极冷却液侧凸脊1-1置于阳极冷却液侧凹槽2-2内。
42.在阳极板2上，阳极气侧凸脊2-1的宽度和高度均相同，保持不变，形成的氢气流道2-3则是平行流道，无特殊结构。在空气流道的加宽段4，阴极气侧凹槽1-2的宽度增大，在空气流道的收窄段5，阴极气侧凹槽1-2的宽度减小。考虑到阳极板2和阴极板1的嵌套关系，需要保证，在空气流道的加宽段4，阴极冷却液侧凸脊1-1也能容纳在阳极冷却液侧凹槽2-2内。本技术实施例中，在空气流道的加宽段4，令其加宽至阴极冷却液侧凸脊1-1与阳极冷却液侧凹槽2-2的侧壁相贴合。
43.本技术实施例中，阴极板1流场俯视图如图3所示，空气由空气流道一端流入，另一端流出，各空气流道内不同位置进行收窄或加宽。其中，正常段3、加宽段4和收窄段5如图3所示。为便于加工制作，可以令正常段3、加宽段4和收窄段5的长度均相同，一个空气流道内正常段3、加宽段4和收窄段5依次设置，相邻空气流道相互错开，使得两个相邻空气流道在同一位置处一根进行收窄、一根进行加宽，或者同一位置处均为正常段3。需要注意的是，本发明中图示的收窄加宽结构只是展示原理简化的方式，形式不限于该结构，但需要起到减小或增大截面积的作用，同时实际设计中需避开直角过渡减小扰动，事实上，同一个空气流道不同位置处的加宽段4的加宽宽度也可以是不同的(但需要宽于正常段3)，不同位置处的收窄段5的收窄宽度也可以是不同的(但需要窄于正常段3)。
44.相邻空气流道是并行的，如图4所示，流体在流道流动时，当流道截面发生变化时其动能发生变化进而引起静压的变化。其中流道收窄，其流道截面缩小，流速增加，从而动能增加，总压不变故其静压减小。而流道加宽，其流道截面增加，动能减小，其静压增大，即流道内流体满足伯努利原理，其方程式如下：
[0045][0046]
其中p为流体静压，v为速度，c为常数，h为高度，g为重力加速度。
[0047]
图4所示，根据上述原理，对于相邻的流道一和流道二，位置6、位置7是流道一上正常段3与收窄段5的点位，位置8、位置9是流道二上正常段3与加宽段4的点位，且位置6和位置8基本对齐，位置7和位置9基本对齐，当位置6和8压力相同或接近时，位置7压力相对6减小，而位置9相对位置8气体静压增加，如下式：
[0048][0049][0050]
当p6＝p8，v6＝v8时，v7＞v6＝v8＞v9，h7＞h6＝h8＝h9，故p9＞p8＝p6＞p7，所以在压力梯度的影响下气体会在位置7和9处由位置9由脊下扩散到位置7，从而促进脊下排水，提高电池性能。随流体流动方向，其他位置的规律相同。
[0051]
阴极空气流道间隔一定的距离进行收窄或加宽，从而改变流道截面积进而改变流体动能，当总压保持不变的情况下，其静压发生变化。收窄处截面缩小，气体动能增加，静压减小。加宽处截面增大，气体动能减小，静压增大，即脊两侧流道形成压差。两相邻空气流道在相同位置处分别进行收窄或加宽，从而扩大两流道该位置处的压力梯度差，促进气体在
两流道间的传递，从而提高脊下排水效率增加电池性能。
[0052]
图5为图3中a-a位置截面图，在空气流道的正常段3，其流道槽宽为l1，槽深为d1，其中阴极板1上面流道提供空气流通，阳极板2下面流道提供氢气流通，两极板之间构成的空隙提供冷却液流通。气体流向垂直于截面向里或向外，冷却液流向平行于截面。该冷却液流动处充分接触极板各处，流体在极板间隙内上下翻越，从而提高换热效率。
[0053]
图6为图3中b-b位置截面图，在空气流道的加宽段4和收窄段5，本实施例中，阴极板1的加宽段4空气流道宽度增加，使得阳极板2的阴极冷却液侧凸脊1-1与阳极冷却液侧凹槽2-2的侧壁相贴合，两板相互接触从而约束阴极板1和阳极板2之间的定位，提高两极板的定位精度。同时，在阴极板1的收窄段5，阴极冷却液侧凸脊1-1的凸起程度较小，空气流道的深度降低，减小空气流体截面面积，阳极板2和阴极板1之间的间隙增大，冷却液流通路径10增加。
[0054]
图7为图6相邻两流道变径处截面放大示意图，收窄段5流道宽度l2，深度d2，加宽段4流道宽度l3，深度与正常段3(未变径处)相同为d1。其中l2＜l1＜l3，d2＜d1。
[0055]
图8为图3中c-c位置截面图，可以看到，空气流道在流体流动方向上的深度存在变化，收窄段5相对于其他位置底面有所抬高，故冷却液流通路径10在该处增加，保证了冷却液的顺利流通，从而提高散热能力。
[0056]
图9为阳极板2流场示意图，本发明阳极板2流道相对简单，采用平行流道无特殊结构。但在阳极冷却液侧凹槽2-2上设有多个支撑凸台11，支撑凸台11与阴极板1的阴极冷却液侧凸脊1-1相接触，以支撑两极板之间的间隙，进一步保证了冷却液流通路径10的畅通。支撑凸台11的高度设计决定了两极板之间的距离，而该高度的选择需要基于电堆整体散热需求满足冷却液的流通通量和流量的最低要求，同时兼顾双极板节厚度的缩小提高电堆整体体积比功率密度。如图8、图9、图10所示，支撑凸台11为自阳极板2的阳极气侧凸脊2-1向第二侧的凸起结构，流场脊平面向冷却液侧凹陷形成背面的支撑凸台11进行支撑两极板之间空隙。
[0057]
本发明还提供一种燃料电池，该燃料电池使用上述的高体积比功率双极板流场结构。
[0058]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种高体积比功率双极板流场结构，其特征在于，包括阳极板和阴极板，所述阳极板的第一侧设有氢气流场结构，所述阴极板的第一侧设有空气流场结构，所述阳极板和阴极板相互嵌套，所述阳极板的第二侧与阴极板的第二侧之间形成冷却液流场结构，所述氢气流场结构包括多个氢气流道，所述空气流场结构包括多个空气流道，所述空气流道上设有正常段、收窄段和加宽段，且一个流道的收窄段与其相邻流道的加宽段对齐。2.根据权利要求1所述的一种高体积比功率双极板流场结构，其特征在于，所述阳极板的板面向第一侧凸起并形成多个阳极气侧凸脊，相邻阳极气侧凸脊之间形成氢气流道，所述阳极气侧凸脊在阳极板的第二侧形成阳极冷却液侧凹槽；所述阴极板的板面向第二侧凸起形成多个阴极冷却液侧凸脊，所述阴极冷却液侧凸脊在阴极板的第一侧形成阴极气侧凹槽，所述阴极气侧凹槽作为空气流道；所述阳极板和阴极板相互嵌套时，所述阳极板的板面置于相邻阴极冷却液侧凸脊之间，所述阴极冷却液侧凸脊置于阳极冷却液侧凹槽内。3.根据权利要求2所述的一种高体积比功率双极板流场结构，其特征在于，在所述空气流道的加宽段，所述阴极气侧凹槽的宽度增大，在所述空气流道的收窄段，所述阴极气侧凹槽的宽度减小。4.根据权利要求3所述的一种高体积比功率双极板流场结构，其特征在于，在所述空气流道的加宽段，所述阴极冷却液侧凸脊与阳极冷却液侧凹槽的侧壁相贴合。5.根据权利要求2所述的一种高体积比功率双极板流场结构，其特征在于，所述阳极冷却液侧凹槽上设有多个支撑凸台，所述支撑凸台与阴极板的阴极冷却液侧凸脊相接触。6.根据权利要求5所述的一种高体积比功率双极板流场结构，其特征在于，所述支撑凸台为自阳极板的阳极气侧凸脊向第二侧的凸起结构。7.根据权利要求1所述的一种高体积比功率双极板流场结构，其特征在于，在所述空气流道的收窄段，空气流道的深度降低，阳极板和阴极板之间的间隙增大。8.根据权利要求1所述的一种高体积比功率双极板流场结构，其特征在于，所述氢气流道和空气流道的流道形式相同。9.根据权利要求1所述的一种高体积比功率双极板流场结构，其特征在于，氢气和空气的流向相互平行且逆向，冷却液流向与气体流向相互垂直。10.一种燃料电池，其特征在于，使用如权利要求1-9中任一所述的高体积比功率双极板流场结构。

技术总结
本发明涉及一种高体积比功率双极板流场结构、燃料电池，双极板包括阳极板和阴极板，阳极板的第一侧设有氢气流场结构，阴极板的第一侧设有空气流场结构，阳极板和阴极板相互嵌套，阳极板的第二侧与阴极板的第二侧之间形成冷却液流场结构，氢气流场结构包括多个氢气流道，空气流场结构包括多个空气流道，空气流道上设有正常段、收窄段和加宽段，且一个流道的收窄段与其相邻流道的加宽段对齐。与现有技术相比，本发明设计了嵌套式双极板，减小了双极板的节厚度，从而减小电堆体积，通过改变阴极流场流道截面面积改变该处的气体压力，从而增大两相邻流道间的压差，促进气体跨越脊传输，提高电堆反应效率和输出功率，进一步提高电堆体积比功率。体积比功率。体积比功率。


技术研发人员：明平文 胡科峰 杨代军 李冰 郑伟波 张存满
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/9/25