风冷燃料电池阴极流场板

本发明属于风冷燃料电池，特别是一种风冷燃料电池阴极流场板。

背景技术：

1、氢气为燃料的质子交换膜燃料电池近年来受到长足发展。质子交换膜燃料电池在许多领域都有广泛的应用，如新能源汽车、固定式电站以及无人飞行器等。

2、质子交换膜燃料电池按照冷却方式可分为空气冷却、液体冷却、散热器冷却和相变冷却等。空气冷却方式，也称为风冷，主要应用于小功率燃料电池，功率从100w到2kw均可采用。空气冷却的主要手段是利用大阴极流量带走电池中多余的热量以保证电池工作在理想温度区间。其主要优点是结构简单、无需额外的冷却部件，极大地简化了传统燃料电池的空气供给、冷却等子系统，显著降低了系统总质量，提高了功率密度及质量功率密度，在便携式移动电源领域特别是无人机领域应用潜力巨大。

3、对于风冷式燃料电池，大多数阴极气流用于带走多余热量，小部分空气用于提供氧参与电极反应。此外，与液态水相比，空气导热系数和比热容都较低，因此为保证电池工作在理想温度区间内阴极需要供入过量的空气。若空气流速过低，则电池不能得到有效冷却，电池内部过高温度会引起膜电极组件水分快速流失，从而可能使交换膜失水，质子传输阻力增加，电池性能下降。另一方面，如果空气流速过高，虽可以保证散热性能，但是由于大气湿度一般较低，加上极高的空气流速，同样会带走大量的水分，最终导致膜电极组件脱水，质子传输阻力增加，电池性能下降。冷却效果和保水的矛盾是风冷式质子交换膜燃料电池亟待解决的技术问题之一。

4、无人机作为风冷燃料电池的一个典型应用场景，其对电池的质量更为敏感。与液体冷却燃料电池相比，空气冷却燃料电池通过降低自重和寄生功率从而大幅提升续航能力，是解决传统锂电池无人机续航问题的最优方案。因为风冷燃料电池阴极气流来源一般为大气环境，在无人机运行工况下，空气的物理特性会随着海拔高度的改变而变化，进而影响风冷燃料电池的性能。其中的一个主要因素是氧气含量随海拔升高而显著降低，此时燃料电池若运行在高电流密度区间则可能因为氧气供应不足而产生较大的传质损失。

5、而现有技术无法有效、全面地解决上述风冷燃料电池领域存在的散热保水矛盾以及空气组分随海拔变化的技术问题。专利(申请公布号：cn 114695912 a)提出了一种交错布置渐缩段流场板设计，其主要应用于液冷燃料电池领域，解决的是液冷燃料电池中流场流道的排水效率低的技术问题，这与风冷燃料电池的高保水技术需求相矛盾，无法应用。而专利(申请公布号：cn 211428275 u)提出了一种脊背开槽的燃料电池双极板设计，其同样应用于液冷燃料电池领域，主要设计意图是解决反应气体分布不均匀问题。由于其开槽尺度较小，无法有效满足风冷燃料电池提高质量功率密度的需求。相较于已申请的专利而言，本发明所提出的一种包含交错布置渐缩段和开槽设计的流场板结构可以增加散热面积和提高冷却气流流速以达到提升散热效果的目的，从而提高质子交换膜的保水，同时，交错布置渐缩段和开槽设计相配合可以促进组分向反应部位传输及均匀分布，有效的解决上述风冷燃料电池技术领域存在的散热保水以及空气组分随海拔变化的技术问题。此外，开槽设计缓解了布置渐缩段带来的电池质量增加问题，提升了风冷燃料电池质量功率密度。

6、在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种风冷燃料电池阴极流场板,解决现有的风冷燃料电池阴极流场难以兼顾冷却和保水的技术问题，缓解高海拔等条件下运行可能产生的氧气供应不足的问题，同时增强风冷燃料电池在无人机等对重量较为敏感的应用场景下的适用性。

2、本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种风冷燃料电池阴极流场板包括沿气流方向延伸的多个流道和沿气流方向延伸的多个流场脊背，所述流道和所述流场脊背在垂直于气流方向上交替设置，所述流道包括流道入口、流道出口以及在流道入口与流道出口之间沿气流方向分布的多个渐缩段，所述渐缩段在相邻流道间交错布置，所述流场脊背的侧面沿气流方向分布多个开槽，所述开槽在垂直于气流方向上贯穿风冷燃料电池阴极流场板。

3、所述的风冷燃料电池阴极流场板中，所述开槽在垂直于气流方向上对齐所述渐缩段。

4、所述的风冷燃料电池阴极流场板中，所述渐缩段长度为3mm-8mm，垂直于气流方向的宽度占所述流道宽度的30％-70％。

5、所述的风冷燃料电池阴极流场板中，所述渐缩段沿气流方向上的收缩角度为15°-75°。

6、所述的风冷燃料电池阴极流场板中，每个流道的渐缩段数目为3-10个。

7、所述的风冷燃料电池阴极流场板中，所述流道上的相邻的渐缩段之间的距离为相邻流道的渐缩段长度。

8、所述的风冷燃料电池阴极流场板中，所述开槽位于流场脊背的侧面的高度为流道高度的30％-70％，所述开槽的长度与所述渐缩段长度相同。

9、所述的风冷燃料电池阴极流场板中，所述开槽数目与所述渐缩段数目相同，所述开槽沿气流方向上的间隔距离为渐缩段长度。

10、所述的风冷燃料电池阴极流场板中，所述开槽为矩形或梯形。

11、所述的风冷燃料电池阴极流场板中，所述流道是平行直流道，流道截面为矩形或梯形。

12、和现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明通过增加冷却气流流速和流场板与冷却气流之间的接触面积而提升热量交换速率，可以在不增加进气流量的前提下提升冷却性能，从而达到提高膜含水量的目的。同时，交错布置渐缩段和开槽设计有助于促进氧气向反应部位的运输，同时提高氧气在反应部位的分布均匀性，可以显著减小风冷燃料电池在如高海拔等氧气缺乏条件下的传质损失。最后，通过开槽设计可以减小流场板质量，缓解布置渐缩段带来的流场板质量增加的问题，提升风冷燃料电池质量功率密度，提高移动设备续航能力。

技术特征：

1.一种风冷燃料电池阴极流场板，其特征在于，其包括沿气流方向延伸的多个流道和沿气流方向延伸的多个流场脊背，所述流道和所述流场脊背在垂直于气流方向上交替设置，所述流道包括流道入口、流道出口以及在流道入口与流道出口之间沿气流方向分布的多个渐缩段，所述渐缩段在相邻流道间交错布置，所述流场脊背的侧面沿气流方向分布多个开槽，所述开槽在垂直于气流方向上贯穿风冷燃料电池阴极流场板。

2.根据权利要求1所述的风冷燃料电池阴极流场板，其特征在于，优选的，所述开槽在垂直于气流方向上对齐所述渐缩段。

3.根据权利要求1所述的风冷燃料电池阴极流场板，其特征在于，所述渐缩段长度为3mm-8mm，垂直于气流方向的宽度占所述流道宽度的30％-70％。

4.根据权利要求1所述的风冷燃料电池阴极流场板，其特征在于，所述渐缩段沿气流方向上的收缩角度为15°-75°。

5.根据权利要求1所述的风冷燃料电池阴极流场板，其特征在于，每个流道的渐缩段数目为3-10个。

6.根据权利要求1所述的风冷燃料电池阴极流场板，其特征在于，所述流道上的相邻的渐缩段之间的距离为相邻流道的渐缩段长度。

7.根据权利要求1所述的风冷燃料电池阴极流场板，其特征在于，所述开槽位于流场脊背的侧面的高度为流道高度的30％-70％，所述开槽的长度与所述渐缩段长度相同。

8.根据权利要求1所述的风冷燃料电池阴极流场板，其特征在于，所述开槽数目与所述渐缩段数目相同，所述开槽沿气流方向上的间隔距离为渐缩段长度。

9.根据权利要求1所述的风冷燃料电池阴极流场板，其特征在于，所述开槽为矩形或梯形。

10.根据权利要求1所述的风冷燃料电池阴极流场板，其特征在于，所述流道是平行直流道，流道截面为矩形或梯形。

技术总结
公开了一种风冷燃料电池阴极流场板，风冷燃料电池阴极流场板中沿气流方向延伸的多个流道和沿气流方向延伸的多个流场脊背，所述流道和所述流场脊背在垂直于气流方向上交替设置，所述流道包括流道入口、流道出口以及在流道入口与流道出口之间沿气流方向分布的多个渐缩段，所述渐缩段在相邻流道间交错布置，所述流场脊背的侧面沿气流方向分布多个开槽，所述开槽在垂直于气流方向上贯穿风冷燃料电池阴极流场板。

技术研发人员：张剑飞,李炜,屈治国,张国宾,田地
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13