一种质子交换膜燃料电池双极板流场结构制造技术

本实用新型专利技术公开一种质子交换膜燃料电池双极板流场结构，其主要的创新设计点为：在双极板的电化学反应活性区域采用交错点阵结构的流畅，进而实现氢气、空气、冷却液流动速度均匀分布，能够提高电堆放电性能和可靠性，同时实现高效散热，保证质子交换膜燃料电池稳定运行。交错点阵的形状包括圆形点阵、矩形点阵和异形点阵。异性点阵采用流线型设计，最大程度降低流动阻力。交错点阵结构设计应经过计算流体力学和静力学仿真计算和试验验证，通过优化设计确定最佳的纵向间距、横向间距、点阵形状。点阵形状。点阵形状。

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜燃料电池双极板流场结构


[0001]本技术属于燃料电池
，具体涉及一种新型质子交换膜燃料电池双极板流场结构。

技术介绍

[0002]燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的装置，与传统的热机相比，具有运行效率高、清洁无污染、噪音低等优点，有望解决能源系统的环境污染问题。目前，燃料电池已经在汽车、无人机、固定式发电等领域开始推广应用，未来有广阔的应用前景。
[0003]电堆是燃料电池的核心部件，由膜电极、双极板、集流板、端板等部件层叠而成。其中，双极板与膜电极直接接触，双极板的主要作用是传导电流和提供稳定均匀的流体供应。质子交换膜燃料电池中的流体包括氢气、空气和冷却液，需要通过双极板流场结构的优化设计使流动速度分布趋于均匀。如果氢气和空气流速分布不均匀，会影响局部的电化学反应活性，导致电池单元的电流和电压不均匀，造成发热量不均匀和额外的能量损失。如果冷却液流速分布不均匀，会导致单电池内部的温度分布不均匀，造成较大的局部热应力，影响电堆输出性能和使用寿命。
[0004]现有技术中，质子交换膜燃料电池的双极板常采用平行直流的结构。如一篇公开号为CN213278134U的中国技术专利公开一种大功率质子交换膜燃料电池双极板，该双极板包括：位于所述双极板上的冷却流场，所述冷却流场的一端设置有空气入口、氢气出口和冷却水入口，另一端设置有氢气入口、空气出口与冷却水出口，所述冷却流场位于双极板中间，冷却流场的两端设置有分配点阵，所述分配点阵与冷却水入口、冷却水出口之间设置有分配区域，所述分配点阵包括边缘点阵和导向点阵，所述导向点阵与冷却流场的平行直流道倾斜设置，导向点阵的两侧设置有边缘点阵。
[0005]上述现有专利提供的双极板结构简单易加工，其虽然设置了分配点阵，但是由于分配点阵只是设置在冷却流场的两端，而中部的主要冷却区域依然是平行直流结构；因而，仍存在流体分配效果不佳、均匀度较低的问题。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的问题，本技术的目的在于提供一种氢气、空气、冷却液流动速度分布更加均匀的新型质子交换膜燃料电池双极板流场结构，进而提高电堆放电性能和可靠性，同时实现高效散热，保证质子交换膜燃料电池稳定运行。
[0007]为达到以上目的，本技术采用如下技术方案。
[0008]一种质子交换膜燃料电池双极板流场结构，包括：板体，设置在所述板体上的空气进口、空气出口、氢气进口、氢气出口、冷却液进口、冷却液出口、以及电化学反应活性区域；所述电化学反应活性区域位于所述板体的中部，所述空气进口、所述氢气进口和所述冷却液进口位于所述电化学反应活性区域的一端，所述空气出口、所述氢气出口和所述冷却液出口位于所述电化学反应活性区域的另一端；对应所述电化学反应活性区域设有流场结
构；其特征在于，所述流场结构为由若干点阵单元构成的交错点阵结构，所述的交错点阵结构用于氢气、空气和冷却液流道。
[0009]更为优选的是，靠近所述冷却液进口所在端和靠近所述冷却液出口所在端的所述点阵单元采用渐变的点阵间距；越靠近所述板体的端部、点阵间距越大，越靠近所述板体的中心、点阵间距越小。
[0010]更为优选的是，所述点阵间距的渐变包括点阵每排所在方向上的间距渐变和/或点阵每列所在方向上的间距渐变。
[0011]更为优选的是，位于所述电化学反应活性区域中部的所述点阵单元为均匀点阵结构，该均匀点阵结构的点阵间距小于渐变点阵间距的最小值。
[0012]更为优选的是，靠近所述冷却液进口所在端和靠近所述冷却液出口所在端的所述点阵单元具有渐变的几何形状大小；越靠近所述板体的端部、点阵单元的几何形状越小，越靠近所述板体的中心、点阵单元的几何形状越大。
[0013]更为优选的是，所述交错点阵结构为圆形点阵、矩形点阵或流线型设计的异形点阵。
[0014]更为优选的是，所述交错点阵结构的交错形式为：各所述点阵单元沿所述冷却液进口到所述冷却液出口的方向保持一定间距，沿垂直于所述冷却液进口到所述冷却液出口的方向位置错开。
[0015]更为优选的是，所述板体为矩形板体，所述空气进口和所述空气出口沿所述板体的一个对角设置，所述氢气进口和所述氢气出沿所述板体的另一个对角设置，所述冷却液进口位于所述空气进口和所述氢气进口之间，所述冷却液出口位于所述空气出口和所述氢气出口之间。
[0016]更为优选的是，所述板体为金属板、石墨板或复合材料板，所述板体通过数控机床加工、模压或冲压浇铸方式制备而成。
[0017]更为优选的是，所述交错点阵结构中，各所述点阵单元的形状、以及它们之间的间距是经过计算流体力学和静力学仿真计算和试验验证得到的。
[0018]与现有技术相比，本技术的有益效果。
[0019]一、本技术提出一种质子交换膜燃料电池双极板流场结构，在双极板电化学反应活性区域采用交错点阵。交错点阵易于加工、流动速度分布均匀性好，实现了理想的流体分配效果。对于氢气和空气，实现了反应气体的均匀分布，使燃料电池单电池内部电化学反应速率一致。对于冷却液，交错点阵可以打破流体边界层，减小固相和液相之间的温差，显著提高散热效率。同时，冷却液分配均匀实现了散热效能分布均匀，使燃料电池单电池内部温度分布更均匀。经过试验验证，双极板内部流体分配均匀度>97%，燃料电池单电池内部最高温度和最低温度之差<5℃；远远优于现有直流道流体分配均匀度的76%。
[0020]二、本技术的双极板流场点阵采用不均匀分布，在流体进口和出口处点阵分布较为稀疏，最大程度的降低了流动阻力。经过试验验证，在燃料电池额定工况下，氢气和空气流道进出口压差<30kPa，冷却液流道进出口压差<50kPa。
[0021]三、本技术的双极板流场点阵形状经过仿真设计，可以采用圆形、矩形或者流线形的异形点阵，经过计算流体力学和静力学仿真及优化设计，不仅保证流体均匀分散，同时也能够起到支撑双极板强度的作用，保护双极板不会在组装压力下变形破裂。
[0022]四、本技术的双极板流场点阵关键参数包括点阵单元几何形状、点阵纵向间距、横向间距以及间距渐变趋势，可以用最少的参数定义一种设计方案，进行优化设计时可以最小的试验和计算成本获得最优化设计方案。
[0023]五、本技术的双极板流场采用交错点阵结构，加工较为简单，使用成本低。
附图说明
[0024]图1所示为本技术提供的双极板流场结构的极板流场分区示意图。
[0025]图2所示为本技术提供的双极板流场结构的圆形点阵结构图。
[0026]图3所示为本技术提供的双极板流场结构的矩形点阵结构图。
[0027]图4所示为本技术提供的双极板流场结构的水滴型点阵结构图。
[0028]图5所示为现有的活性区域采用直流道的双极板中间截面流速分布图。
[0029]图6所示为本技术提供的采用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池双极板流场结构，包括：板体，设置在所述板体上的空气进口、空气出口、氢气进口、氢气出口、冷却液进口、冷却液出口、以及电化学反应活性区域；所述电化学反应活性区域位于所述板体的中部，所述空气进口、所述氢气进口和所述冷却液进口位于所述电化学反应活性区域的一端，所述空气出口、所述氢气出口和所述冷却液出口位于所述电化学反应活性区域的另一端；对应所述电化学反应活性区域设有流场结构；其特征在于，所述流场结构为由若干点阵单元构成的交错点阵结构，所述的交错点阵结构用于氢气、空气和冷却液流道。2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池双极板流场结构，其特征在于，靠近所述冷却液进口所在端和靠近所述冷却液出口所在端的所述点阵单元采用渐变的点阵间距；越靠近所述板体的端部、点阵间距越大，越靠近所述板体的中心、点阵间距越小。3.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池双极板流场结构，其特征在于，所述点阵间距的渐变包括点阵每排所在方向上的间距渐变和/或点阵每列所在方向上的间距渐变。4.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池双极板流场结构，其特征在于，位于所述电化学反应活性区域中部的所述点阵单元为均匀点阵结构，该均匀点阵结构的点阵间距小于渐...

【专利技术属性】
技术研发人员：张锐明，唐浩林，隋邦杰，黄亮，龚聪文，
申请(专利权)人：广东省武理工氢能产业技术研究院，
类型：新型
国别省市：