一种复合型双极板流场结构及燃料电池及控制方法技术

本发明专利技术公开一种复合型双极板流场结构及燃料电池及控制方法，涉及燃料电池技术领域，本发明专利技术为了优化燃料电池双极板的流道结构，提出了一种叉指流道和蛇形流道的复合流道结构，本发明专利技术可以缩短叉指的长度，而且具有可复制性，面对大流道面积的双极板，可对其进行复制扩展；对称分布式的流道，使得气体分布更加均匀，叉指流道可以使反应气体强制对流来提高反应气体的利用率和实现均匀分配，并且与蛇形流道结合起来，兼具蛇形流道排水能力强的优势的同时，可以解决叉指流道由于进出口堵塞导致的瞬态响应慢和蛇形流道过长导致的压降过大的缺点。本发明专利技术将叉指流道和蛇形流道创新性地结合到一起，来实现两者的优缺互补，从而进一步提高电堆的性能。提高电堆的性能。提高电堆的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种复合型双极板流场结构及燃料电池及控制方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，特别是涉及一种复合型双极板流场结构及燃料电池及控制方法。

技术介绍

[0002]燃料电池由于其清洁、高效、能源可再生等优点，因此，PEMFC(质子交换膜燃料电池)有望成为未来汽车的主要动力源。双极板作为PEMFC关键部件之一，需要兼具反应气体分配、排水、导电、导热等功能，其中流场是影响双极板性能的关键因素。目前的研究中，主要是平行流场、蛇形流场及叉指流场三种基本流场。
[0003]蛇形流场其优点是可以快速排除生成的液体水，不易出现堵塞流道的情况，但是在面积较大的流场板，蛇形流场会由于流道过长造成反应气压降过大，在流道后段容易反应供气不足或者水淹。平行流场具有较多的流道数目，流道之间以并联存在，具有流动阻力小，降低压力损失的优点，但是由于流速不大，水不易排除，在脊下和流道边缘聚集，容易导致部分电极水淹的情况。
[0004]专利公开号为CN102097630B，专利技术名称为复合型双极板流场结构，专利技术了一种复合型流场结构，设有直通型流道和蛇形流道，反应气体入口和直通型流道入口连通，直通型出口和蛇形流道入口连通，蛇形流道出口和反应气体出口连通，所述直通型流道有多个并排布置的直通型流道单元，所述蛇形流道有多个并排布置的蛇形流道单元，此专利技术有较高的反应气体利用率同时保证了输出性能的稳定性。但是仅有蛇形流道和平行流道，反应气体只通过扩散作用进入气体扩散层，脊下和流道的反应气体浓度不均。
[0005]叉指流场也叫做不连续流场，能够大大提高电池的比功率，可以缩短扩散路径，使气体充分的流过气体扩散层，提高气体的利用效率，此外还可以带走扩散层中的水，但是由于电流密度分布不均，可能会产生热点，其电堆性能也不稳定，对于负载变化时，由于流道堵塞表现出更差的瞬态响应。
[0006]专利公开号为CN109904484B，专利技术名称为一种燃料电池双极板结构及燃料电池，本专利技术提供了一种燃料电池双极板结构及燃料电池，包括阳极板、阴极板和位于两极板之间的膜电极，阳极板或和阴极板的反应流场区域设置若干隔板，被划分为多个独立流动的小区域，每个独立的小区域有独立的燃料气体和空气的进出口。这种分离式的流场设计，将大面积的流场切割开来成为一个个较小的流场，可以缩短气体在极板内部流动过程，使得燃料气体和空气在流道分配更加均匀，同时充分利用了整个反应流场区域，而且减轻了内部气体流道的设计和加工难度，尤其对于大面积的流场，提高了燃料电池的功率密度。但是此专利技术采用了在阴极选择叉指流道，采用堵塞的流道结构，其在负载变化的情况下，对应瞬态响应较慢；其阳极选择多蛇形流道，相邻的蛇形流道会容易产生气体
‘
短路
’
流向相邻流道，造成气体滞留和排水不畅的情况。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种复合型双极板流场结构及燃料电池及控制方法，以解决上述现有技术存在的问题。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：本专利技术提供一种复合型双极板流场结构，包括双极板本体，所述双极板本体包括阳极板、阴极板，所述阳极板、所述阴极板上均设置有流道和脊背，所述流道与所述脊背组合形成蛇形流道和叉指流道，所述叉指流道分为叉指流道I和叉指流道II，所述叉指流道I的尾端和所述叉指流道II的尾端均为密封端；所述蛇形流道和所述叉指流道II均对称设置于所述叉指流道I的两侧，所述蛇形流道位于所述叉指流道I与所述叉指流道II之间；
[0009]所述阳极板上设置有氢气进口和氢气出口，设置于所述阳极板上的所述叉指流道I首端和所述叉指流道II首端均与所述氢气进口连通，设置于所述阳极板上的所述蛇形流道一端与所述叉指流道I首端的所述氢气进口连通，所述蛇形流道另一端与所述氢气出口连通；
[0010]所述阴极板上设置有空气进口和空气出口，设置于所述阴极板上的所述叉指流道I首端和所述叉指流道II首端均与所述空气进口连通，设置于所述阴极板上的所述蛇形流道一端与所述叉指流道I首端的所述空气进口连通，所述蛇形流道另一端与所述空气出口连通。
[0011]优选的，所述氢气进口的截面积大于所述氢气出口的截面积，所述空气进口的截面积大于所述空气出口的截面积。
[0012]优选的，所述叉指流道I为连续的“丰”字型叉指流道。
[0013]优选的，所述蛇形流道中的气体流向与所述叉指流道II中的气体流向相反。
[0014]优选的，所述蛇形流道和所述叉指流道的拐角处采用倒圆角结构。
[0015]优选的，所述蛇形流道和所述叉指流道的流道深度为0.6～1.5mm，流道宽度为0.6～1.8mm，脊背宽度为0.6～1.8mm。
[0016]一种燃料电池，包括共享通道以及若干个叠加的复合型双极板流场结构，所述共享通道用于为所述复合型双极板流场结构分配气体。
[0017]优选的，所述共享通道分为燃料气体共享通道和空气共享通道，所述燃料气体共享通道与每个所述复合型双极板流场结构中的所述氢气进口、所述氢气出口连通，所述空气共享通道与每个所述复合型双极板流场结构中的所述空气进口、所述空气出口连通。
[0018]一种复合型双极板流场结构的控制方法，该控制方法为双极板本体中阴极侧气体流动的控制方法，具体包括以下步骤：
[0019]S1、正常工作时，阴极板的空气进口全部供应空气，此时流场中既有蛇形流道也有叉指流道；
[0020]S2、当得到水淹信号后，需要进行调整以排除气体扩散层中的水时，断开蛇形流道的气体供应，此时两个蛇形流道分别与叉指流道I、叉指流道II组成了叉指流道，由于出口封闭堵塞，空气剪切力迫使液态水从多孔的扩散层进入到蛇形流道中；
[0021]S3、调整一段时间后，恢复蛇形流道的气体供应，此时恢复为S1的状态，利用蛇形流道的较好的排水效果，将过多的水排出电堆；
[0022]S4、当得到负载连续变化信号后，断开叉指流道II的空气供应，此时流场中主要是
两个蛇形流道提升电堆的瞬态响应，以适应负载的迅速变化；
[0023]S5、调整一段时间后，恢复叉指流道II的气体供应，此时恢复为S1的状态。
[0024]本专利技术公开了以下技术效果：
[0025]本专利技术为了优化燃料电池双极板的流道结构，提出了一种叉指流道和蛇形流道的复合流道结构，本专利技术可以缩短叉指的长度，而且具有可复制性，面对大流道面积的双极板，可对其进行复制扩展；对称分布式的流道，使得气体分布更加均匀，叉指流道可以使反应气体强制对流来提高反应气体的利用率和实现均匀分配，并且与蛇形流道结合起来，兼具蛇形流道排水能力强的优势的同时，可以解决叉指流道由于进出口堵塞导致的瞬态响应慢和蛇形流道过长导致的压降过大的缺点。本专利技术将叉指流道和蛇形流道创新性地结合到一起，来实现两者的优缺互补，进一步提高电堆的性能，并提出了一种复合型双极板流场结构的控制方法来解决水淹和瞬态响应慢的问题。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合型双极板流场结构，包括双极板本体，其特征在于，所述双极板本体包括阳极板、阴极板，所述阳极板、所述阴极板上均设置有流道和脊背，所述流道与所述脊背组合形成蛇形流道和叉指流道，所述叉指流道分为叉指流道I和叉指流道II，所述叉指流道I的尾端和所述叉指流道II的尾端均为密封端；所述蛇形流道和所述叉指流道II均对称设置于所述叉指流道I的两侧，所述蛇形流道位于所述叉指流道I与所述叉指流道II之间；所述阳极板上设置有氢气进口和氢气出口，设置于所述阳极板上的所述叉指流道I首端和所述叉指流道II首端均与所述氢气进口连通，设置于所述阳极板上的所述蛇形流道一端与所述叉指流道I首端的所述氢气进口连通，所述蛇形流道另一端与所述氢气出口连通；所述阴极板上设置有空气进口和空气出口，设置于所述阴极板上的所述叉指流道I首端和所述叉指流道II首端均与所述空气进口连通，设置于所述阴极板上的所述蛇形流道一端与所述叉指流道I首端的所述空气进口连通，所述蛇形流道另一端与所述空气出口连通。2.根据权利要求1所述的复合型双极板流场结构，其特征在于，所述氢气进口的截面积大于所述氢气出口的截面积，所述空气进口的截面积大于所述空气出口的截面积。3.根据权利要求1所述的复合型双极板流场结构，其特征在于，所述叉指流道I为连续的“丰”字型叉指流道。4.根据权利要求1所述的复合型双极板流场结构，其特征在于，所述蛇形流道中的气体流向与所述叉指流道II中的气体流向相反。5.根据权利要求1所述的复合型双极板流场结构，其特征在于，所述蛇形流道和所述叉指流道的拐角处采用倒圆角结构。6.根据权利要求1所述的复合型双极板流场结构，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙平，程西庆，董伟，杨松，史卫博，朱华美，廖伟添，许文垌，杨可易，杨旭泽，姜贺朋，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：