一种极板流场结构、双极板及燃料电池电堆的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种极板流场结构、双极板及燃料电池电堆。


背景技术：

2.双极板作为燃料电池电堆的核心零部件之一，不仅为反应气体和冷却剂提供流动通道，还起到隔离各节单电池和支撑电堆的作用。双极板中的极板流场结构主要包括分配区和反应区，流体经分配区进行分配后，进入反应区与膜电极进行电化学反应。极板流场结构设计会直接影响反应气体和冷却液的分配均匀度，这关系着电堆内部的气、液传质、压损、散热能力及电流密度的均匀性等。
3.在相关技术中，极板流场结构中的流体分配不均匀，不同流道内流体的流量差异较大，这使得有效反应活性面积比率小，导致整板的利用率较低，进而导致燃料电池电堆性能低下。


技术实现要素：

4.本实用新型的主要目的是提出一种极板流场结构、双极板及燃料电池电堆，旨在实现提高流体分配的均匀度，使整板得到充分利用，从而提高燃料电池电堆的性能。
5.为实现上述目的，本实用新型提出一种极板流场结构，包括：
6.流体入口和流体出口；
7.反应区，所述反应区包括多条并列设置的流道；
8.两个分配区，两个所述分配区分别设置于所述反应区的两端，每一所述流道的两端分别与所述分配区连通，两个所述分配区分别与所述流体入口或所述流体出口连通；所述分配区包括多条直线设置的导流链，且多条所述导流链以所述流体入口或所述流体出口为基点呈放射状分布，相邻所述导流链之间形成第一导流通道；每一所述导流链包括多个间隔排布的导流块，相邻的所述导流块之间具有导流间隙以形成第二导流通道，所述第一导流通道与所述第二导流通道相互连通。
9.可选地，所述导流块包括依次间隔排布的第一导流块、若干第二导流块以及第三导流块，其中所述第三导流块与所述流体入口或所述流体出口相连接，所述第一导流块与所述流道相连接；所述第一导流块包括第一导向段以及第二导向段，所述第一导向段沿所述流道的延伸方向设置，所述第二导向段沿所述导流链的延伸方向设置，所述第一导向段与所述第二导向段之间通过圆弧段相连接。
10.可选地，以其中一所述导流链的延伸方向为第一辅助线，并在所述第一辅助线上设置与其相互垂直的第二辅助线，且所述第二辅助线相交于其所属的所述导流链上所述第一导向段与所述第二导向段的延伸线的交接点；另一所述导流链上的所述第二导流通道位于所述第二辅助线的延伸方向上。
11.可选地，所述第二导流通道的通道宽度为0.25-0.5mm。
12.可选地，所述第一导流块、若干所述第二导流块以及所述第三导流块的边缘处均设置为圆弧过度。
13.可选地，当所述第二导流块的数量大于或等于第一预设值时，位于奇数列的所述导流链上处于奇数位的第二导流块以及位于偶数列的所述导流链上处于偶数位的所述第二导流块，或者，位于奇数列的所述导流链上处于偶数位的第二导流块以及位于偶数列的所述导流链上处于奇数位的所述第二导流块，其长度方向与所述导流链的延伸方向之间呈第一夹角设置，且所述第二导流块斜向相邻的行程较长的所述第一导流通道；其中所述第一预设值为3-5，所述第一夹角的角度为5-10
°
。
14.可选地，所述第一导流通道与所述流道之间呈钝角设置。
15.可选地，包括有至少n条所述第一导流通道，且每一所述第一导流通道分别连通m条所述流道；其中，15≤n≤25，3≤m≤7。
16.为实现上述目的，本实用新型提出一种双极板，包括上述的极板流场结构。
17.为实现上述目的，本实用新型提出一种燃料电池电堆，包括多个膜电极以及多个上述的双极板，多个所述膜电极与多个所述双极板交替层叠设置。
18.与现有技术相比，本实用新型的有益效果：
19.本实用新型在分配区中设置多条导流链且多条导流链以流体入口或所述流体出口为基点呈放射状分布，这是考虑到流体从流体入口进入分配区并流向反应区时，以及流体从反应区进入分配区并流向流体出口时，其自身流体压力相对较大，有利于从流体入口向分配区扩散，以及从分配区往流体出口收拢，使得流体能依靠自身流体压力充分遍布整个分配区。同时相邻导流链之间形成第一导流通道，且每一导流链包括多个间隔排布的导流块以形成第二导流通道，通过交错连通的第一导流通道以及第二导流通道，使得流体流向至相邻的第一导流通道中，进一步有助于流体充分遍布整个分配区，从而实现提高流体分配的均匀度，使整板得到充分利用，从而提高燃料电池电堆的性能。
附图说明
20.为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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。
21.图1为本实用新型极板流场结构一实施例的结构示意图；
22.图2为本实用新型极板流场结构一实施例中分配图的结构示意图；
23.图3为本实用新型极板流场结构一实施例中关于第二导流通道设置规律的辅助理解图；
24.图4为本实用新型极板流场结构一实施例中关于第二导流块角度偏差化处理的辅助理解图。
25.图中所标各部件的名称如下：
26.27.具体实施方式
28.下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
29.本实施例公开了一种极板流场结构，参考附图1-2，包括流体入口1和流体出口2；反应区3，反应区3包括多条并列设置的流道301；两个分配区4，两个分配区4分别设置于反应区3的两端，每一流道301的两端分别与分配区4连通，两个分配区4分别与流体入口1或流体出口2连通；分配区4包括多条直线设置的导流链5，且多条导流链5以流体入口1或流体出口2为基点呈放射状分布，相邻导流链5之间形成第一导流通道6；每一导流链5包括多个间隔排布的导流块7，相邻的导流块7之间具有导流间隙以形成第二导流通道8，第一导流通道6与第二导流通道8相互连通。
30.本实施例在分配区4中设置多条导流链5且多条导流链5以流体入口1或流体出口2为基点呈放射状分布，这是考虑到流体从流体入口1进入分配区4并流向反应区3时，以及流体从反应区3进入分配区4并流向流体出口2时，其流体自身压力相对较大，有利于从流体入口1向分配区4扩散，以及从分配区4往流体出口2收拢，使得流体能依靠自身流体压力充分遍布整个分配区4。同时相邻导流链5之间形成第一导流通道6，且每一导流链5包括多个间隔排布的导流块7以形成第二导流通道8，通过交错连通的第一导流通道6以及第二导流通道8，使得流体流向至相邻的第一导流通道6中，进一步有助于流体充分遍布整个分配区4，从而实现提高流体分配的均匀度，使整板得到充分利用，从而提高燃料电池电堆的性能。
31.同时，基于提高流体分配的均匀度的有益效果，本技术人在运行过程中还发现能有效减少水淹现象的发生。这是由于流体与膜电极发生电化学反应的过程中会伴随产生有反应水产生，反应水堆积在流场结构上会阻碍流体的流动，需要及时排出。当流体分配的均匀度提高后，流体自身压力损失减低，从而使得流体自身有足够的压力，并通过其压力能更有效地推动反应水流向流体出口2，避免反应水堆积在流场结构中。
32.作为上述实施例的优选方案，导流块7包括依次间隔排布的第一导流块701、若干第二导流块702以及第三导流块703，其中第三导流块703与流体入口1或流体出口2相连接，第一导流块701与流道301相连接；第一导流块701包括第一导向段7011以及第二导向段7012，第一导向段7011沿流道301的延伸方向设置，第二导向段7012沿导流链5的延伸方向
设置，第一导向段7011与第二导向段7012之间通过圆弧段7013相连接。如此设置，考虑到第一导流通道6与流道301之间呈夹角设置，为了确保流体能顺畅地流向流道301，将第一导流块701设置为相连接的第一导向段7011以及第二导向段7012，由于第一导向段7011沿流道301的延伸方向设置，第二导向段7012沿导流链5的延伸方向设置，且第一导向段7011与第二导向段7012之间通过圆弧段7013相连接，通过第一导向段7011、第二导向段7012以及圆弧段7013相结合的导向作用，以确保流体能顺畅地流向至流道301。
33.要说明的是，当第一导流通道6行程较短时(即流体入口1/流体出口2与反应区3较为靠近时)，由于行程较短无必要专门额外设置第二导流通道8进行引流，因此可将第一导流块701或若干第二导流块702或第三导流块703结合成一个或两个导流块7。
34.进一步的，可结合附图3进行理解，以其中一导流链5的延伸方向为第一辅助线，并在第一辅助线上设置与其相互垂直的第二辅助线，且第二辅助线相交于其所属的导流链5上第一导向段7011与第二导向段7012的延伸线的交接点；另一导流链5上的第二导流通道8位于第二辅助线的延伸方向上。如此设置，通过对第二导流通道8的设置位置进行规范化处理，使得第二导流通道8的设置位置有规范可依，从而实现该系列的极板流场结构能够整洁统一。
35.进一步的，第二导流通道8的通道宽度为0.25-0.5mm。如此设置，通过具体规定第二导流通道8的通道宽度范围，确保流体能通过第二导流通道8流向至下一第一导流通道6。同时由于第二导流通道8的通道宽度足够宽，还能避免反应水阻塞在该第二导流通道8中。
36.进一步的，第一导流块701、若干第二导流块702以及第三导流块703的边缘处均设置为圆弧过度。如此设置，通过圆弧过度能有效降低流体的经过该位置时的压力损失。
37.作为上述实施例的优选方案，可结合附图4进行理解，当第二导流块702的数量大于或等于第一预设值时，位于奇数列的导流链5上处于奇数位的第二导流块702以及位于偶数列的导流链5上处于偶数位的第二导流块702，或者，位于奇数列的导流链5上处于偶数位的第二导流块702以及位于偶数列的导流链5上处于奇数位的第二导流块702，其长度方向与导流链5的延伸方向之间呈第一夹角设置，且第二导流块702斜向相邻的行程较长的第一导流通道6；其中第一预设值为3～5，第一夹角的角度为5-10
°
。如此设置，通过对部分第二导流块702进行角度偏差化处理(即将第二导流块702的长度方向与其所在的导流链5的延伸方向之间呈第一夹角设置，且第二导流块702斜向相邻的行程较长的第一导流通道6)，使得流体在角度偏差化处理的第二导流块702的导流作用下，更好地流向相邻的行程较长的第一导流通道6，从而进一步提高流体分配的均匀度。同时，考虑到如果第一导流通道6行程较短时，导流效果不太明显，因此规定当第二导流块702的数量大于或等于第一预设值时，才对符合规定的第二导流块702进行角度偏差化处理。在具体制造过程中，可对其第二导流块702中多余部分进行削除处理，从而达到角度偏差的效果。
38.作为上述实施例的优选方案，第一导流通道6与流道301之间呈钝角设置。如此设置，通过钝角设置使得流体从第一导流通道6流向流道301的过程中在拐弯时更加顺畅，避免在经过拐角处时压损过大。
39.进一步的，包括有至少n条第一导流通道6，且每一第一导流通道6分别连通m条流道301；其中，15≤n≤25，3≤m≤7。如此设置，根据双极板的形状尺寸大小对第一导流通道6的设置数量进行具体规定，过度密集或者过度稀疏都达不到想要的流体分配均匀的效果，
从而容易造成水淹现象的产生。同时为了避免第一导流通道6设置得过度密集，也可通过将每一第一导流通道6连通多条流道301，从而达到其目的。
40.本实施例还公开了一种双极板，包括上述实施例的极板流场结构。如此设置，通过将上述实施例的极板流场结构应用于双极板中，以利用极板流场结构中的分配区4中设置多条导流链5且多条导流链5以流体入口1或流体出口2为基点呈放射状分布，这是考虑到流体从流体入口1进入分配区4并流向反应区3时，以及流体从反应区3进入分配区4并流向流体出口2时，其自身流体压力相对较大，有利于从流体入口1向分配区4扩散，以及从分配区4往流体出口2收拢，使得流体充分遍布整个分配区4。同时相邻导流链5之间形成第一导流通道6，且每一导流链5包括多个间隔排布的导流块7以形成第二导流通道8，通过交错连通的第一导流通道6以及第二导流通道8，使得流体流向至相邻的第一导流通道6中，进一步有助于流体充分遍布整个分配区4，从而实现提高流体分配的均匀度，使整板得到充分利用，从而提高燃料电池电堆的性能。
41.本实施例还公开了一种燃料电池电堆，包括多个膜电极以及多个上述实施例的双极板，多个膜电极与多个双极板交替层叠设置。如此设置，通过将多个上述实施例的双极板应用于燃料电池电堆中，以利用极板流场结构中的分配区4中设置多条导流链5且多条导流链5以流体入口1或流体出口2为基点呈放射状分布，这是考虑到流体从流体入口1进入分配区4并流向反应区3时，以及流体从反应区3进入分配区4并流向流体出口2时，其自身流体压力相对较大，有利于从流体入口1向分配区4扩散，以及从分配区4往流体出口2收拢，使得流体充分遍布整个分配区4。同时相邻导流链5之间形成第一导流通道6，且每一导流链5包括多个间隔排布的导流块7以形成第二导流通道8，通过交错连通的第一导流通道6以及第二导流通道8，使得流体流向至相邻的第一导流通道6中，进一步有助于流体充分遍布整个分配区4，从而实现提高流体分配的均匀度，使整板得到充分利用，从而提高燃料电池电堆的性能。
42.需要说明的是，本实用新型公开的极板流场结构、双极板及燃料电池电堆的其它内容为现有技术，在此不再赘述。
43.另外，需要说明的是，若本实用新型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。
44.此外，需要说明的是，在本实用新型中涉及“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，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
45.以上仅为本实用新型的可选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。