一种大功率质子交换膜燃料电池双极板的阳极流场的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种大功率质子交换膜燃料电池双极板的阳极流场。


背景技术：

2.氢燃料电池作为一种新的可再生清洁能源，是一种不经过燃烧，通过电化学反应直接输出电能的发电装置，具有高效无噪声和清洁无污染等优点。目前大功率液冷燃料电池在重量和体积上没有太大优势，如何做到结构紧凑，减少极板重量和体积，同时有效提升发电效率，降低功耗，保证燃料电池运行更加安全稳定对于大功率液冷燃料电池显得十分重要。


技术实现要素：

3.本实用新型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质量及体积小、发电效率高的大功率质子交换膜燃料电池双极板的阳极流场。
4.为了实现本实用新型之目的，本技术提供以下技术方案。
5.在第一方面中，本技术提供一种大功率质子交换膜燃料电池双极板的阳极流场，所述双极板包括阴极板和阳极板，每块所述阳极板的一端设有氢气入口、冷却水出口、空气出口，另一端设有氢气出口、冷却水入口和空气入口，所述阳极板的一个侧面设有阳极流场，另一个侧面设有冷却水流场，所述阳极流场依次包括入口端分配区域、平行直流道以及出口端分配区域，所述入口端分配区域与氢气入口连通，所述出口端分配区域与氢气出口连通，所述入口端分配区域包括第一扇形分配区和第二扇形分配区，所述第一扇形分配区与氢气入口连通，所述第二扇形分配区与平行直流道的一端连通，所述出口端分配区域包括第三扇形分配区和第四扇形分配区，所述第三扇形分配区与平行直流道的另一端连通，所述第四扇形分配区与氢气出口连通，所述第一扇形分配区和第四扇形分配区的结构对称，且所述第三扇形分配区与平行直流道接触的一端设有扇形点阵。本技术采用扇形分配+扇形点阵结构的阳极流场，防止氢气直接经中间部分平行直流道直接流出，造成整个反应区域反应不均匀。在氢气出口扇形分配区内分布扇形点阵，不仅可以继续保证氢气从平行直流道经扇形分配区均匀分散流出，经仿真测算及实验测试表明采用该种流场设计，可有效保证双极板中的电化学反应均匀高效，有效提升发电效率，降低功耗。
6.在第一方面的一种实施方式中，所述第一扇形分配区、第二扇形分配区、第三扇形分配区和第四扇形分配区包括交替排布的分配槽和分配脊，所述分配槽的深度与所述平行直流道的深度相同，所述分配脊的高度与平行直流道的高度齐平。该设置可在保证电堆密封和强度的情况下减少双极板厚度，同时可减小因脊高不一致形成不同降面而造成的极板加工成本，且能起到支撑双极板强度作用，保护双极板不受挤压变形破裂。
7.在第一方面的一种实施方式中，所述第一扇形分配区包括若干长条形分配脊，且第一扇形分配区的分配脊的一端和氢气入口的衔接处均等分布，另一端呈弧形分布；
8.所述第四扇形分配区包括若干长条形分配脊，且第四扇形分配区的分配脊的一端和氢气出口的衔接处均等分布，另一端呈弧形分布。
9.在第一方面的一种实施方式中，所述第一扇形分配区和第二扇形分配区之间设有等间距的弧形分配槽；所述第三扇形分配区和第四扇形分配区之间设有等距的弧形分配槽。
10.在第一方面的一种实施方式中，所述第二扇形分配区包括若干按均等角度呈扇形分布设置的长条形分配脊，相邻两个分配脊之间形成的分配槽呈扇形分布，且所有分配槽的出口宽度均大于分配槽的入口宽度，每个分配槽的长度相等，且每个分配槽的入口宽度相同，每个分配槽的出口宽度相同。所述第二扇形分配区包括按均等角度呈扇形分布设置长条形分配脊和分配槽，第二扇形分配区中设置若干个角度圴等的小扇形分配区，每个小扇形分配区中设置有相同数量且角度均等的分配槽，每根分配槽呈扇形设置，每根分配槽出口宽度大于分配槽入口宽度，每根分配槽长度相等，每根分配槽入口垂直槽宽相等，每根分配槽出口垂直槽宽相等。
11.在第一方面的一种实施方式中，所述第三扇形分配区包括若干按均等角度呈扇形分布设置的长条形分配脊，相邻两个分配脊之间形成的分配槽呈扇形分布，所有分配槽的出口宽度均大于分配槽的入口宽度，每个分配槽的长度相等，且每个分配槽的入口宽度相同，每个分配槽的出口宽度相同。
12.在第一方面的一种实施方式中，所述第三扇形分配区的分配槽的一端设有扇形点阵，且所有扇形点阵在第三扇形分配区的一端均匀分布，且每个分配槽内的扇形点阵的数量相同，且扇形点阵的间距相等。
13.所述第三扇形分配区包括按角度均等呈扇形分布设置分配脊和分配槽，第三扇形分配区中设置若干个角度圴等的小扇形分配区，每个小扇形分配区中设置有相同数量且角度均等的分配槽，每根分配槽呈扇形设置，第三扇形分配区中设置有扇形点阵，扇形点阵在扇形分配区内分布均匀，每个小扇形分配区内扇形点阵数相等，扇形点阵间距相等，每个分配槽入口宽度大于分配槽出口宽度，每根分配槽长度相等，每根分配槽入口垂直槽宽相等，每根分配槽出口垂直槽宽相等。
14.在第一方面的一种实施方式中，所述氢气入口包括氢气公共入口以及背面氢气入口，所述氢气公共入口与背面氢气入口连通。相比于现有的正面进气，该设置可以解决正面进气时为保证密封需要所形成的降面问题，降面会使加工成本高，同时厚度和重量增加，通过背面进气可以减少降面，降低加工成本的同时使极板结构更加紧凑，重量更轻。
15.在第一方面的一种实施方式中，所述氢气入口包括氢气公共出口以及背面氢气出口，所述氢气公共出口与背面氢气出口连通。相比于现有的正面出气，该设置可以解决正面出气时为保证密封需要所形成的降面问题，降面会使加工成本高，同时厚度和重量增加，通过背面出气可以减少降面，降低加工成本的同时使极板结构更加紧凑，重量更轻。
16.在第一方面的一种实施方式中，所述氢气公共入口的大小大于所述氢气公共出口的大小；所述冷却水出口的大小大于所述冷却水入口的大小；所述空气出口的大小大于所述空气入口的大小。该设置能有效避免进出口压差过大而产生氢气外泄现象，提升了电堆运行的安全稳定性。
17.与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
18.(1)通过采用扇形分配+扇形点阵结构的阳极流场，防止氢气直接经中间部分平行直流道直接流出，造成整个反应区域反应不均匀。在氢气出口扇形分配区内分布扇形点阵，不仅可以继续保证氢气从平行直流道经扇形分配区均匀分散流出，同时也起到支撑双极板强度作用，保护双极板不受挤压变形破裂，经仿真测算及实验测试表明采用该种流场设计，可有效保证双极板中的电化学反应均匀高效，有效提升发电效率，降低功耗。
19.(2)通过对进出口大小进行调整和改进，氢气入口大于氢气出口，有效避免进出口压差过大而产生氢气外泄现象，提升了电堆运行的安全稳定性。
20.(3)本技术提供的阳极流场结构既可用于金属基材的双极板，也可适用于石墨及复合材料的双极板，通过数控机加工(cnc)、模压亦或冲压浇铸方式均可实现制备加工，通过这种结构方式的阳极流场结构紧凑，可有效减少极板重量和体积，降低成本。
附图说明
21.图1为现有的双极板阳极流场流道的结构示意图。
22.图2是本技术双极板阳极流场流道的结构示意图。
23.图3是本技术双极板阳极流场流道一端的局部放大立体图。
24.图4为本技术双极板阳极流场流道另一端的局部放大立体图。
25.在附图中，1为氢气入口，11为氢气公共入口，12为背面氢气入口，2为空气出口，3为冷却水出口，4为氢气出口，41为氢气公共出口，42为背面氢气出口， 5为空气入口，6为冷却水入口，7为平行直流道，81为第一扇形分配区，82为弧形分配槽，83为第四扇形分配区，9为第二扇形分配区，10为第三扇形分配区，101为扇形点阵，13为阳极流场。
具体实施方式
26.除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中列举的所有的从最低值到最高值之间的数值，是指当最低值和最高值之间相差两个单位以上时，最低值与最高值之间以一个单位为增量得到的所有数值。
27.以下将描述本实用新型的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本实用新型的实施方式进行修改和替换，所得实施方式也在本实用新型的保护范围之内。
28.传统的阳极流场如图1所示，其氢气入口连接一个长条形的分配区之后直接进入平行直流道，氢气出口也采用类似的布置。该设置无法做到合理控制阳极气体流速和均匀气体流量分布、充分利用氢气，因此燃料电池运行不稳定，发电效率低，不适用于大功率质子交换膜燃料电池。大功率质子交换膜燃料电池双极板的阳极流场结构，通过合理设置流场结构分布，能够合理控制阳极气体流速和均匀气体流量分布、充分利用氢气，有效提升燃料电池电堆发电效率，降低电堆所需功耗，保证燃料电池运行安全稳定，消除了接触电阻，在保证强度的基础上减小双极板重量和尺寸，减轻了重量降低了成本，经实际运行测试，性能更好。
29.为解决上述技术问题，本技术采用以下技术方案：一种大功率质子交换膜燃料电
池双极板的阳极流场结构，包括位于所述双极板上的阳极流场，在所述阳极流场的另一端设置有氢气入口、冷却水出口和空气出口，在所述阳极流场的另一端设置有氢气出口、冷却水入口和空气入口，阳极流场的入口端设置有均等的第一扇形分配区、第二扇形分配区，阳极流场的出口端设置有均等第四扇形分配区、第三扇形分配区，第三扇形分配区内设置扇形点阵。扇形点阵在第三扇形分配区内分布均匀，每个小扇形分配区内扇形点阵数相等，扇形点阵间距相等，每个分配槽入口宽度大于分配槽出口宽度，每根分配槽长度相等，每根分配槽入口垂直槽宽相等，每根分配槽出口垂直槽宽相等。
30.所述氢气入口位于空气出口和冷却水出口上面，所述氢气出口位于空气入口和冷却水入口下面。所述氢气入口大于氢气出口，空气出口大于空气入口，冷却水出口大于冷却水入口。
31.所述双极板包括阴极板和阳极板，阳极板包括正面的阳极流场和背面的冷却水流场，阴极板和阳极板的背面通过点胶或焊接方式组合而成所述双极板。
32.所述阳极流场的流道脊与整个阳极面平齐，流道深度一致且深度浅，与背面的阳极流场结构相匹配，双极板整体厚度减小。
33.所述双极板为金属、石墨或复合材料的双极板，通过数控机加工、模压或冲压浇铸方式制备而成。
34.实施例
35.下面将对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
36.实施例1
37.一种大功率质子交换膜燃料电池双极板的阳极流场，其结构如图2～图4所示，在阳极流场13的一端设置有氢气入口1、空气出口2与冷却水出口3，在阳极流场 13的另一端设置有氢气出口4、空气入口5与冷却水入口6，阳极流场13位于双极板中间，阳极流场13的入口端设置有均等第一扇形分配区81、第二扇形分配区 9，第一扇形分配区81与第二扇形分配区9之间通过一条较宽等间距的弧形分配槽 83进行再次分配连接。阳极流场13的出口端设置有均等第四扇形分配区82、第三扇形分配区10，第三扇形分配区10内设置扇形点阵101。第二扇形分配区9与背面氢气入口12之间设置有第一扇形分配区81，第三扇形分配区10与背面氢气出口42之间设置有第四扇形分配区82。
38.第三扇形分配区10设置有扇形点阵101，处于第四扇形分配区82与平行直流道7之间的中间部位，防止氢气直接经平行直流道7直接流出，造成整个反应区域不均匀，扇形点阵101行列间距采用喇叭口形状均匀分布。
39.双极板为金属、石墨及复合材料的双极板，通过数控机加工、模压或冲压浇铸方式制备而成。
40.双极板包括阴极板和阳极板，阳极板均包括正面的阳极流场13和背面的冷却水流场,进气采用背面进气方式，氢气从氢气公共入口11流入背面氢气入口12，再经过分配区继续流入平行直流道7，有别于传统的正面进气，在氢气公共入口11、氢气公共出口41周边的凸起脊与平行直流道7的流道脊高度一致,可在保证电堆密封和强度的情况下减少双极板厚度，同时可减小因脊高不一致形成不同降面而造成的极板加工成本。
41.阳极流场13包括第一扇形分配区81、第二扇形分配区9、第三扇形分配区10 和第四扇形分配区82，四个分配区设置的分配槽的深度与平行直流道7的流道深度一致，凸起脊的最高处与双极板阳极平行流场平齐，凸起脊既可起到分配氢气的作用，又可以起到支撑双极板氢气口、增加双极板强度的作用，以防止出现因电堆挤压而造成双极板氢气入口、氢气出口塌陷堵塞现象。
42.阳极流场13包括第一扇形分配区81、第二扇形分配区9、第三扇形分配区10 和第四扇形分配区82，其分配槽的流道宽度以喇叭口形状渐变铺开，氢气经第一扇形分配区81、第二扇形分配区9分配后流入中间直流道内，再由第三扇形分配区10及其分配区内设置的扇形点阵101均匀分配后经第四扇形分配区82流出至背面氢气出口42与氢气出口41，有效减少氢气进出口的压力降，有效提升了燃料电池电堆的使用性能。
43.上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本技术。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本技术不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本技术披露的内容，在不脱离本技术范围和精神的情况下做出的改进和修改都本技术的范围之内。