CN115458763A - 一种双极板流场结构及其燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，具体公开了一种双极板流场结构及其燃料电池，包括基板，所述基板上设有依次连通的流体进口、流场区以及流体出口，所述流场区设置在所述基板的用于与膜电极组件相贴合的一侧；所述流场区内填充有多孔介质，所述多孔介质的自身内部设有孔隙，所述孔隙用于供从所述流体进口经过所述流场区流向至所述流体出口的工作流体穿过；所述多孔介质上设置有槽道，所述槽道与所述流体进口以及所述流体出口之间的连线方向相互交接，所述槽道用于将所述工作流体引导至所述流场区的各区域。通过本发明实现提高燃料电池的净输出功率。

Description

一种双极板流场结构及其燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种双极板流场结构及其燃料电池。

背景技术

近年来，随着新能源汽车产业发展日趋成熟，作为实现途径之一的质子交换膜燃料电池技术越来越被重视，被誉为最有发展前途的发电技术。质子交换膜燃料电池是一种把燃料中的化学能直接转换成电能的发电装置，具备功率密度高、能量转换效率高、工作温度低、启动快和零温室气体排放等优点，其在汽车领域的应用将在中长期大幅推进碳达峰、碳中和的达成。

其中，双极板是质子交换膜燃料电池核心部件之一，在燃料电池中有提供气体流道、排水、阻止两极之间反应物质的渗透、收集电流、传递热量、机械支撑和加固电池等重要作用，其质量约占燃料电池堆的40-80％，成本约占电池堆总成本的30-37％。双极板流场结构对反应物和产物的质量传递起着至关重要的作用，其结构很大程度决定了反应物气体分布的均匀性，以及产物水能否及时排出。为了提高燃料电池性能和稳定性，双极板流场结构的研究开发一直是燃料电池技术研发关注的重点。

目前常用的双极板流场结构是在石墨、石墨复合材料或者金属极板上采用雕刻、冲压等方法加工制造出用于供气体流动的槽道。这种槽道流场结构加工成本较高、质量较重等问题。近年来，多孔介质流场结构越来越受到关注。多孔介质流场结构是直接应用多孔介质材料作为流场来分布气体反应物和排除产物水的一种结构，例如泡沫金属、石墨烯泡沫等。相比起槽道流场结构，多孔介质流场结构具有质量轻、容易加工、成本低等优势。然而，采用多孔介质流场结构的质子交换膜燃料电池，目前仍然存在着燃料电池的净输出功率较低的问题。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种双极板流场结构及其燃料电池，旨在实现提高燃料电池的净输出功率。

为实现上述目的，本发明提出一种双极板流场结构，包括基板，所述基板上设有依次连通的流体进口、流场区以及流体出口，所述流场区设置在所述基板的用于与膜电极组件相贴合的一侧；所述流场区内填充有多孔介质，所述多孔介质的自身内部设有孔隙，所述孔隙用于供从所述流体进口经过所述流场区流向至所述流体出口的工作流体穿过；所述多孔介质上设置有槽道，所述槽道与所述流体进口以及所述流体出口之间的连线方向相互交接，所述槽道用于将所述工作流体引导至所述流场区的各区域。

可选地，所述流场区为方形结构，所述流体进口以及所述流体出口分别位于所述流场区的对角两端。

可选地，所述基板上还设有第一通道以及第二通道，所述第一通道的两端分别连通所述流体进口和所述流场区的第一角位，所述第二通道的两端分别连通所述流体出口以及所述流场区的第二角位，所述第一角位以及所述第二角位分别位于所述流场区的对角端。

可选地，包括若干条所述槽道，若干条所述槽道相互平行设置，且所述槽道的长度方向与所述流体进口以及所述流体出口之间的连线方向相互垂直。

可选地，任意两个相邻设置的所述槽道之间的间距，从所述流体进口往所述流体出口的方向逐渐递增。

可选地，所述槽道的长度方向的两端与所述流场区的内侧壁相连接。

可选地，其中一条所述槽道位于所述流场区的对角线上。

可选地，所述槽道的宽度为1-2mm。

可选地，所述多孔介质的孔隙率为60％～90％。

为实现上述目的，本发明提出一种燃料电池，包括上述的双极板流场结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

针对背景技术中所提及的燃料电池的净输出功率较低的问题，本申请发明人经研究发现，主要是由于工作流体(例如氢气或氧气等)在填充着多孔介质的流场区内的流经区域分布不均匀所引起的，流场区上的部分区域只有少量工作流体流经，甚至不存在有工作流体流经，使得与流场区相互贴合的膜电极组件的膜上利用率较低，即膜电极组件的活性区域无法与工作流体充分接触以发生电化学反应，从而导致产生的电量减小，燃料电池的净输出功率降低。

基于上述研究发现，本发明通过在填充着多孔介质的流场区内设置槽道，通过槽道将从流体进口经过流场区流向至流体出口的工作流体，引导至流场区的各区域，从而提高流场区上流体分布的均匀性，进而增加膜电极组件的膜上利用率，使电化学反应更高效，以提高燃料电池的净输出功率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明双极板流场结构一实施例的结构示意图其一；

图2为本发明双极板流场结构一实施例的结构示意图其二。

图中所标各部件的名称如下：

标号	名称	标号	名称
				1	基板	101	第一通道
102	第二通道	2	流体进口
				3	流场区	4	流体出口
5	多孔介质	6	槽道

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的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的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。

针对背景技术中所提及的燃料电池的净输出功率较低的问题，本申请发明人经研究发现，主要是由于工作流体(例如氢气或氧气等)在填充着多孔介质的流场区内的流经区域分布不均匀所引起的，流场区上的部分区域只有少量工作流体流经，甚至不存在有工作流体流经，使得与流场区相互贴合的膜电极组件的膜上利用率较低，即膜电极组件的活性区域无法与工作流体充分接触以发生电化学反应，从而导致产生的电量减小，燃料电池的净输出功率降低。

基于上述研究发现，本实施例公开了一种双极板流场结构，参考附图1-2，包括基板1，基板1上设有依次连通的流体进口2、流场区3以及流体出口4，流场区3设置在基板1的用于与膜电极组件(附图未示出)相贴合的一侧；流场区3内填充有多孔介质5，多孔介质5的自身内部设有孔隙(附图未示出)，孔隙用于供从流体进口2经过流场区3流向至流体出口4的工作流体穿过；多孔介质5上设置有槽道6，槽道6与流体进口2以及流体出口4之间的连线方向相互交接，槽道6用于将工作流体引导至流场区3的各区域。

本实施例通过在填充着多孔介质5的流场区3内设置槽道6，通过槽道6将从流体进口2经过流场区3流向至流体出口4的工作流体，引导至流场区3的各区域，从而提高流场区3上流体分布的均匀性，进而增加膜电极组件的膜上利用率，使电化学反应更高效，以提高燃料电池的净输出功率。同时，将槽道6与流体进口2以及流体出口4之间的连线方向相互交接，使得工作流体在从流体进口2流向至流体出口4的过程中必然会经过槽道6，从而确保槽道6能确实对工作流体进行导向分流至流场区3的各区域。

需要说明的是，以上研究发现的思考过程属于本发明人的智慧结晶，也是本发明的发明点之一。在评价创造性过程中，也应当将上述研究发现的思考过程列入评价范围。

其中，关于槽道6的加工方法，可通过采用金属棒(附图未示出)放置至多孔介质5的表面，随后对金属棒施加朝向多孔介质5方向的压力，由于多孔介质5的硬度相对较软，因此金属棒会部分或全部压入至多孔介质5中，最后将金属棒取出，金属棒在多孔介质5上留下的压槽即为本申请中的槽道6。其加工方法简单快捷实用性强。要说明的是，上述加工工艺只是众多加工工艺中的其中一种例举说明，本申请并不对其加工工艺作具体限制要求。本领域技术人员在理解本申请的技术方案后，可无需付出创造性劳动地联想到其他关于槽道6的加工工艺，也应当属于本申请的保护范围。

其中，多孔介质5的孔隙率为60％～90％。如此设置，通过规定多孔介质5的孔隙率，即多孔介质5中孔隙体积与多孔介质5在自然状态下总体积的百分比，以确保工作流体在多孔介质5内部流通时不会造成阻塞。

其中，多孔介质5为石墨烯泡沫、泡沫镍、泡沫铜、泡沫不锈钢或者泡沫钛中的任意一种。

作为上述实施例的优选方案，流场区3为方形结构，流体进口2以及流体出口4分别位于流场区3的对角两端。如此设置，将流场区3设置为方形结构，一方面便于在基板1上对流场区3进行成型加工，另一方面便于将多孔介质5填充至流场区3中。将流体进口2以及流体出口4分别设置在方形结构的流场区3的对角两端，基于方形结构中对角线最长的原理，使得工作流体在流场区3中有足够多的流经时间以及足够长的流经路径，以保证工作流体能分布于流场区3的各区域。

进一步的，基板1上还设有第一通道101以及第二通道102，第一通道101的两端分别连通流体进口2和流场区3的第一角位，第二通道102的两端分别连通流体出口4以及流场区3的第二角位，第一角位以及第二角位分别位于流场区3的对角端。如此设置，通过在流体进口2与流场区3之间设置第一通道101，在流体出口4与流场区3之间设置第二通道102，利用第一通道101和第二通道102作为工作流体的导向区，使得工作流体在第一通道101/第二通道102的引导下能流向至流场区3/流体出口4。

作为上述实施例的优选方案，包括若干条槽道6，若干条槽道6相互平行设置，且槽道6的长度方向与流体进口2以及流体出口4之间的连线方向相互垂直。如此设置，通过设置多条槽道6以提高引导工作流体流向至流场区3各区域的导向效率。其中，将若干条槽道6设置为相互平行，且与流体进口2以及流体出口4之间的连线方向相互垂直，使得工作流体在均匀流向至槽道6的两侧，确保流场区3的左右两侧的流体分布均匀。

进一步的，任意两个相邻设置的槽道6之间的间距，从流体进口2往流体出口4的方向逐渐递增。如此设置，考虑到在工作流体与膜电极组件电化学反应的过程中会伴随产生有产物水，产物水堆积在流场区3会阻碍工作流体的流动，需要及时排出。因此在接近流体进口2的一侧分布较多的平行槽道6，一方面使得工作流体进入流场区3后能在槽道6的引导作用下快速流动至流场区3的各区域；另一方面相对于多孔介质5，槽道6区域对工作流体的前进阻力相对较小，能够降低工作流体在前进过程中的总压降，从而降低燃料电池系统的辅耗(这里主要指工作流体的驱动系统)，进一步提高净输出功率；接近流体出口的区域分布较少的槽道，可使工作流体在流体出口区域仍然保持足够压降，使工作流体有足够的前进驱动力推动产物水往流体出口4的方向流动，加快产物水的排出。此外，当采用金属棒压制以形成槽道6时，槽道6底部的多孔介质5由于被压缩使其的孔隙率相对降低，孔径变小，由于毛细管的作用，液态水倾向于流动到槽道6底部的多孔介质中，而后在工作流体带动下往流体出口4方向流动，这也使得产物水不容易堆积在槽道6中，减少积水对工作流体向催化剂层传递的阻碍。

进一步的，槽道6的长度方向的两端与流场区3的内侧壁相连接。如此设置，考虑到方形结构的流场区3中，其边缘区域是工作流体传输能力较弱的区域，因此将槽道6的长度方向的两端与流场区3的内侧壁相连接，以确保工作流体能够沿槽道6传输至流场区3的边缘位置，进一步提高工作流体的分布均匀度。

进一步的，其中一条槽道6位于流场区3的对角线上。如此设置，考虑到方形结构的流场区3中，其对角线的角落区域是工作流体传输能力最弱的区域，因此将其中一槽道6设置在流场区3的对角线上(与流体进口2以及流体出口4之间的连线方向所处的对角线相互垂直)，以确保工作流体能够沿槽道6传输至流场区3的角落区域，进一步提高工作流体的分布均匀度。同时基于方形结构中对角线最长的原理，使得工作流体在流场区3中有足够多的流经时间以及足够长的流经路径，以保证工作流体能分布于流场区3的各区域。

进一步的，槽道6的宽度为1-2mm。如此设置，通过规定槽道6的具体宽度，以确保工作流体能够在沿槽道6进行导向传输。

本实施例还公开了一种燃料电池，包括上述实施例的双极板流场结构。如此设置，通过将上述实施例的双极板流场结构应用至燃料电池中，以利用双极板流场结构中通过在填充着多孔介质5的流场区3内设置槽道6，通过槽道6将从流体进口2经过流场区3流向至流体出口4的工作流体，引导至流场区3的各区域，从而提高流场区3上流体分布的均匀性，进而增加膜电极组件的膜上利用率，使电化学反应更高效，以提高燃料电池的净输出功率。

需要说明的是，本发明公开的双极板流场结构及其燃料电池的其它内容为现有技术，在此不再赘述。

另外，需要说明的是，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

此外，需要说明的是，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

以上仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种双极板流场结构，其特征在于，包括基板，所述基板上设有依次连通的流体进口、流场区以及流体出口，所述流场区设置在所述基板的用于与膜电极组件相贴合的一侧；所述流场区内填充有多孔介质，所述多孔介质的自身内部设有孔隙，所述孔隙用于供从所述流体进口经过所述流场区流向至所述流体出口的工作流体穿过；所述多孔介质上设置有槽道，所述槽道与所述流体进口以及所述流体出口之间的连线方向相互交接，所述槽道用于将所述工作流体引导至所述流场区的各区域。

2.根据权利要求1所述的双极板流场结构，其特征在于：所述流场区为方形结构，所述流体进口以及所述流体出口分别位于所述流场区的对角两端。

3.根据权利要求2所述的双极板流场结构，其特征在于：所述基板上还设有第一通道以及第二通道，所述第一通道的两端分别连通所述流体进口和所述流场区的第一角位，所述第二通道的两端分别连通所述流体出口以及所述流场区的第二角位，所述第一角位以及所述第二角位分别位于所述流场区的对角端。

4.根据权利要求1所述的双极板流场结构，其特征在于：包括若干条所述槽道，若干条所述槽道相互平行设置，且所述槽道的长度方向与所述流体进口以及所述流体出口之间的连线方向相互垂直。

5.根据权利要求4所述的双极板流场结构，其特征在于：任意两个相邻设置的所述槽道之间的间距，从所述流体进口往所述流体出口的方向逐渐递增。

6.根据权利要求4所述的双极板流场结构，其特征在于：所述槽道的长度方向的两端与所述流场区的内侧壁相连接。

7.根据权利要求6所述的双极板流场结构，其特征在于：其中一条所述槽道位于所述流场区的对角线上。

8.根据权利要求1所述的双极板流场结构，其特征在于：所述槽道的宽度为1-2mm。

9.根据权利要求1所述的双极板流场结构，其特征在于：所述多孔介质的孔隙率为60％～90％。

10.一种燃料电池，其特征在于：包括如权利要求1-9任一项所述的双极板流场结构。

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