[發明專利]一種基于對稱蛇形結構流場的質子交換膜燃料電池雙極板

有效

• 申請號: 202010930640.8
• 申請日: 2020-09-07
• 公開（公告）號: CN112103531B
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發明（設計）人: 談金祝;李洋
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: H01M8/0263
• 分類號: H01M8/0263;H01M8/0265;H01M8/0247;H01M8/0258;H01M8/0276;H01M8/04291
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司 32218
• 代理人: 李德濺;徐冬濤

本發明公開了一種基于對稱蛇形結構流場的質子交換膜燃料電池雙極板，包括氣體流場（1），其特征在于：所述的氣體流場（1）呈對稱蛇形分布設置，該氣體流場（1）的反應氣體進口（2）和生成產物出口（10）分別位于氣體流場（1）的其中一條對角線的兩端且呈對角分布，位于反應氣體進口（2）和生成產物出口（10）的連線上的脊（3）將自反應氣體進口（2）開始的流道分為兩部分對稱設置的蛇形流道。本發明的對稱蛇形結構流場和傳統蛇形流場相比，克服了蛇形流場壓降大的缺點，增強了氣體的傳輸性能，使氣體分布更加均勻，并且改善了燃料電池的生成水排出性能，使整體電流密度分布更加均勻，從而提高了燃料電池的整體性能。

技術領域

本發明屬于質子交換膜燃料電池雙極板技術領域，具體地說是一種基于對稱蛇形結構流場的質子交換膜燃料電池雙極板。

背景技術

質子交換膜燃料電池具有環保，能量轉換效率高和工作溫度低等優點，有著非常好的應用前景，被認為是最理想的能量轉換裝置，作為燃料電池不可或缺的一部分，雙極板在燃料電池性能中的作用至關重要。

雙極板上有著各種形狀的流場，反應氣體通過流場，擴散到氣體催化層，進而在催化層產生化學反應，同時反應生成物液態水通過流場排出燃料電池，氣體的不均勻分布會造成局部反應物的堆積，形成局部的熱點和冷點，不能及時的排出液態水，會影響反應氣體到催化劑表面的反應速率，降低燃料電池的性能。

常見的質子交換膜燃料電池雙極板流場有平行流場，蛇形流場，交指形流場等。平行流場有多條流道在進口與出口之間，優點是流道與流道之間壓差小，但是缺點是：當一個流道阻塞后，氣體會分散到其他流道，導致氣體分布不均；蛇形流場的優點在于其大的壓降易于排水，但是氣體在流道中后部分布不均，進而影響著燃料電池的性能；交指形流場促進了氣體對流，但是壓差過大，不適用于大功率電堆中。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術存在的問題，提供一種基于對稱蛇形結構流場的質子交換膜燃料電池雙極板，采用該對稱蛇形結構流場的質子交換膜燃料電池雙極板能夠改善燃料電池反應氣體的分布不均勻性、降低氣體分布不均勻帶來的燃料電池電流密度分布不均勻、增強燃料電池的排水性能、及時的清除反應生成水、避免反應物的堆積和堵塞、增強燃料電池的電化學性能和使用壽命。

本發明的目的是通過以下技術方案解決的：

一種基于對稱蛇形結構流場的質子交換膜燃料電池雙極板，包括氣體流場，其特征在于：所述的氣體流場呈對稱蛇形分布設置，該氣體流場的反應氣體進口和生成產物出口分別位于氣體流場的其中一條對角線的兩端且呈對角分布，位于反應氣體進口和生成產物出口的連線上的脊將自反應氣體進口開始的流道分為兩部分對稱設置的蛇形流道。

所述的蛇形流道包括直線型流道、調頭過渡段和排出段流道，所述的直線型流道全部平行于脊設置，初始的直線型流道的起始端為反應氣體進口、尾部的直線型流道的末端連通排出段流道的起始端，初始的直線型流道的末端、尾部的直線型流道的起始端以及初始的直線型流道和尾部的直線型流道之間的直線型流道皆通過調頭過渡段連通。

所述的直線型流道之間皆采用脊隔開。

所述的調頭過渡段包括依序連通的擴放過渡段、線型過渡段、縮放過渡段，所述線型過渡段的寬度小于直線型流道的寬度，擴放過渡段的進口端寬度等于直線型流道的寬度、出口端寬度等于線型過渡段的寬度且擴放過渡段的寬度最大處大于直線型流道的寬度，縮放過渡段的進口端寬度等于線型過渡段的寬度、縮放過渡段的出口端寬度等于直線型流道的寬度且縮放過渡段的寬度最大處小于直線型流道的寬度。

所述調頭過渡段的外圓角的半徑大于調頭過渡段的內圓角的半徑。

所述蛇形流道的深度與脊的高度相同。

所述直線型流道的寬度與脊的寬度相同且直線型流道的寬度a和排出段流道的寬度b之間的關系為：b≤0.8a。