一种圆形基板的螺旋槽流场双极板结构

1.本实用新型涉及质子交换膜燃料电池技术领域，尤其涉及一种圆形基板的螺旋槽流场双极板结构。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池的工作原理为：氢气与空气分别从阳极和阴极注入，氢气通过阳极气体扩散层到达催化剂层，在催化剂作用下变成氢离子和电子。氢离子通过质子交换膜到达阴极，电子经过阳极气体扩散层，双极板和集电片，通过外电路进入阴极，再经过阴极集电片和气体扩散层到达催化剂层，与氧气(来自阴极注入的空气)、氢离子反应生成水。通过化学反应，外电路生成电流，化学能转化为电能。
3.在反应过程中，双极板起到分隔反应气体、传导电流、引导气体等作用。必然要求双极板具备导电率高，阻气性好，耐腐蚀性好等特点。双极板的研究重点与难点在于双极板材料的选择与制备、双极板流场结构设计和双极板的加工方法等方面，这些难题与相关技术瓶颈的突破是双极板制造与创新的核心内容。其中，合理的流场结构有利于传质的进行，及时散热，促进水的排出以及在流场内的均匀分布，加快化学反应速率，从而为电堆的设计奠定良好的基础。
4.常见的质子交换膜燃料电池双极板的流场有平行流场，蛇形流场和交指型流场。平行流场制造简单，进出口之间的压降较低，缺点是水的分布不均匀，在流场内部容易造成水的堆积；蛇形流场的优势在于具有良好的排水能力，但是在大面积的流场中，进出口之间的压降很大，增加了损耗的功率；交指型流场能够让反应气体在扩散层中强制对流，加强了流场的排水能力，然而反应物的分布却不均匀，最终影响到电流输出的稳定性。
5.除了常规的流场，新型流场结构也逐渐发展，如仿生流场，三维流场，径向流场等。仿生流场是采用仿生学原理设计的，可以改善电池的性能，目前存在的问题是双极板制造难度大，成本高。在三维流场中，流体并没有固定的流道，具有三维流场的双极板能够显著提升水管理能力和气体输送效率，但是同样存在加工过程复杂，成本高等问题。另外，现有的径向流场大多基于较厚的双极板，较为笨重，不利于电堆的设计与装配。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是提供一种圆形基板的螺旋槽流场双极板结构，以解决上述背景技术中提出的现有双极板流场结构设计行程长，压降低，水分布不均匀，排水能力差，反应物反应面积小且分布不均匀，功率损耗高，电流输出不稳定等问题。
7.为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
8.本实用新型包括覆盖于圆形基板上的径向螺旋槽流道和周向肋条流道。在圆形基板的内径处设有气体入口，在外径处设有气体出口；径向螺旋槽流道覆盖在圆形基板上，由两条具有一定高度的螺旋线围成，沿半径方向由内向外槽宽逐渐变大，且两条螺旋线均为对数螺旋线，每个径向螺旋槽与圆形基板内径圆弧围成的面为气体入口，与之对应的径向
螺旋槽与外径圆弧围成的面为气体出口；径向螺旋槽的沿圆周方向两侧设有圆弧矩形的周向肋条流道，周向肋条流道的高度与径向螺旋槽流道一致，每两个径向螺旋槽沿圆周方向与多个周向肋条流道连接在一起，多个周向肋条流道沿半径方向等距排列，每个周向肋条流道为圆弧矩形结构，每个周向肋条流道连通与其相邻的两个径向螺旋槽流道。
9.本实用新型的有益效果是：
10.该圆形基板的径向螺旋槽双极板流场通过槽宽由内向外逐渐变大的结构设计，缩短了气体流动的通道，减少了气体在流动过程中的能量损失；每条径向螺旋槽通道由入口到出口的横截面积逐渐增大，中心入口处的气体速度最大，有利于及时驱逐反应产生的水，具有良好的排水能力，不易发生水淹现象，且气体在径向螺旋槽流道内输送过程中的压力逐渐提高，从而提高了流道的排水能力，且有利于反应气体的均匀分布；径向螺旋槽流道与周向肋条流道互通设计，增加了有效反应区域面积，且电化学反应产生的热量由中心向四周扩散，电流密度分布均匀，燃料电池的电化学性能得到改善，该双极板采用薄壁材料制造，减小了双极板的体积和质量，有利于燃料电池双极板核心部件的制造和商业化。
附图说明
11.图1是本实用新型的三维结构示意图。
12.图2是本实用新型的双极板径向螺旋槽流道剖面图。
13.图3是本实用新型的双极板周向肋条流道的剖面图。
14.图4是本实用新型的反应气体在该双极板上的流动方向示意图。
15.图5是本实用新型的构成径向螺旋槽的一条对数螺旋线的示意图。
16.图6是本实用新型的构成径向螺旋槽的另一条对数螺旋线的示意图。
17.附图中，各标号所代表的部件为：1、圆形基板，2、气体入口，3、气体出口，4、径向螺旋槽流道，5、周向肋条流道，6、肋骨。
18.附图中，各字母所代表的含义为：4d、径向螺旋槽流道气体流动方向，5d、周向肋条流道气体流动方向，w
s1
、径向肋骨宽度，w1、径向通道宽度，h1、径向通道高度，α1、径向拔模角，r1、径向槽道半径，r1、径向肋骨半径，w
s2
、周向肋骨宽度，w2、周向通道宽度，h2、周向通道高度，α2、周向拔模角，r2、周向槽道半径，r2、周向肋骨半径， b、对数螺旋线的初始半径，β、对数螺旋线的定角，θ1、一条对数螺旋线的极角，r
h1
、一条对数螺旋线的向径，θ2、另一条对数螺旋线的极角，r
h2
、另一条对数螺旋线的向径。
具体实施方式
19.下面结合附图和实施例，对本实用新型做进一步的详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
20.如图1所示，本实用新型包括圆形基板1，气体入口2，气体出口3，径向螺旋槽流道 4，周向肋条流道5和肋骨6；在圆形基板1的内径圆弧处设有气体入口2，在外径处设有气体出口3；径向螺旋槽流道4覆盖在圆形基板1上，由两条具有一定高度的螺旋线围成，沿半径方向由内向外槽宽逐渐变大，且两条螺旋线均为对数螺旋线，每个径向螺旋槽流道4与圆形基板1内径圆弧围成的面为气体入口2，与之对应的径向螺旋槽流道4与外径圆弧围成的面为气体出口3，径向螺旋槽流道4沿圆周方向两侧设有圆弧矩形的周向肋条流道5，周向肋条
流道5的高度与径向螺旋槽流道4一致；每两个径向螺旋槽流道4沿圆周方向由多个周向肋条流道5连接在一起，多个周向肋条流道5沿半径方向等距排列，每个周向肋条流道 5呈圆弧矩形结构，每个周向肋条流道5连通与其相邻的径向螺旋槽流道4。
21.如图1所示，径向螺旋槽流道4与圆形基板1的内径圆弧围成的面为气体入口2，与外径圆弧围成的面为气体出口3，圆形基板上有多条径向螺旋槽流道4，数量为6
‑
9个，在双极板上呈中心对称。每条径向螺旋槽流道4均包含一个气体入口2和一个气体出口3。气体出口3的面积是气体入口2面积的10
‑
12倍，采用多个气体入口2，可以使反应气体均匀的分布在流场中，气体入口2与气体出口3的个数相同。
22.如图1所示，圆形基板1直径取值范围为50
‑
60mm，圆形基板1的内径的直径范围为 4
‑
7mm。
23.如图1所示，周向肋条流道5与径向螺旋槽流道4相通；相邻流道之间，无法进行传质的区域为肋骨6，肋骨6的分布与流道的分布趋势相同，沿径向逐渐增加，沿周向面积恒定。
24.如图1所示，周向肋条流道5等距分布且外圆轮廓同心，数量取值范围为4
‑
8条，间距范围为6
‑
8mm。
25.如图2所示，径向螺旋槽流道4，由两条具有一定高度的螺旋线围成，两条螺旋线的高度沿半径方向一致，高度h1的范围为0.2
‑
0.7mm。
26.如图2所示，径向螺旋槽流道4的拔模角α1为10
°‑
30
°
，径向螺旋槽流道4的槽道半径r1取值范围为为0.10
‑
0.15mm，径向螺旋槽流道4的肋骨半径r1取值范围为0.10
‑
0.15mm。
27.如图3所示，周向肋条流道5的形状为圆弧矩形，矩形的两条长边沿半径方向均为圆弧，矩形的两条短边分别对应与其相邻的两个径向螺旋槽流道4的截距，周向肋条流道5的横截面积是气体入口2面积的2
‑
3倍，宽度w2的范围为2
‑
3mm。
28.如图3所示，周向肋条流道5的高度h2与径向螺旋槽流道4的高度h1一致，范围为 0.2
‑
0.7mm。
29.如图3所示，周向肋条流道5的拔模角α2为10
°‑
30
°
，周向肋条流道5的槽道半径 r2取值范围为0.10
‑
0.15mm，周向肋条流道5的肋骨半径r2取值范围0.10
‑
0.15mm。
30.如图4所示，反应气体自气体入口2作为运输的起点，沿着径向螺旋槽流道4的指示方向4d向气体出口3扩散，与此同时，反应气体也沿着周向肋条流道5的指示方向5d向两侧的周向肋条流道5中进行扩散。
31.如图5所示，每条径向螺旋槽流道4由两条螺旋线与圆形基板1内径圆弧和外径圆弧围成；径向螺旋槽流道4的螺旋线均为对数螺旋线，对数螺旋线的计算方法为其中θ1是极角，r
h1
是向径，b是极角取值为零时的初始半径，β是定角。螺旋线的极角θ1取值范围为0.5
°‑3°
；对数螺旋线的初始半径b取值范围为20
‑
40mm，定角β的取值范围为100
°‑
110
°
，保证径向螺旋槽流道4沿半径方向由内向外槽宽逐渐变大。
32.如图6所示，每条径向螺旋槽流道4由两条螺旋线与圆形基板1内径圆弧和外径圆弧围成；径向螺旋槽流道4的螺旋线均为对数螺旋线，对数螺旋线的计算方法为其中θ2是极角，r
h2
是向径，b是极角取值为零时的初始半径，β是定角。螺旋线的极角θ1取值范围为0.5
°‑3°
；对数螺旋线的初始半径b取值范围为20
‑
40mm，定角β的取值范围为100
°‑
110
°
，保证径向螺旋槽流道4沿半径方向由内向外槽宽逐渐变大。
33.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的原则之内所做的任何修改，均应包含在本实用新型的保护范围之内。