叶脉状交指型燃料电池流道场结构、燃料电池双极板及燃料电池制造技术

本发明专利技术公开了一种叶脉状交指型燃料电池流道场结构、燃料电池双极板及燃料电池。所述燃料电池流道场结构包括气体流场结构，气体流场结构包括反应气进口，反应气出口和气体流道；进气主流道沿着该叶脉状流场的中部对称轴线布置，出气主流道具有两条，每一条出气主流道的一端均与反应气出口连接，另一端则沿着叶脉状流场的外侧边缘延伸；出气分支流道具有偶数条，两两对称分布在进气主流道两侧，出气分支流道具有偶数条，两两对称分布在进气主流道两侧。因此，本发明专利技术气体在抵达出气分支流道末端时，在压力的作用下，强制通过多孔气体扩散层，发生反应后进入出气分支流道，并最终汇聚到流场板边缘的排气沟槽内，由出口流出。

【技术实现步骤摘要】
叶脉状交指型燃料电池流道场结构、燃料电池双极板及燃料电池
本专利技术涉及一种电池流道，尤其涉及利于质子交换膜燃料电池输出性能的流道。
技术介绍
燃料电池是在分子量级上通过氧化还原反应将燃料内储存的化学能直接转化为电能输出的装置。与传统热机有所区别的是，燃料电池能量转化的过程不受卡诺循环的限制，能量转化率较高。尤其是质子交换膜燃料电池，在热电联供时，能量转化率可达80％以上。同时由于使用的燃料是氢气和氧气，所以也具备了清洁能源的技术。流道场是双极板上加工出来的具有一定形状的沟槽，负责运输反应物与生成物。流道结构设计的优劣，决定了反应物与生成物在流场内部流动状况的好坏。为使质子交换膜燃料电池正常运行，电极各处必须获得足够的反应物，并及时排出生成的水。故流道场的设计方案对燃料电池的性能有着较大影响。流道场的设计方案会直接影响燃料气体的分布以及反应气体的排出，从而影响到燃料电池的效率。质子交换膜燃料电池属于低温电池，工作温度在室温至80℃之间，反应会产生液态水，如果流道场设计不当，可能会出现液态水聚集、流道“水淹”的状况，从而影响到燃料电池的工作效率。目前常用的质子交换膜燃料电池流场有平行流场、蛇形流场以及交指型流场等。平行流场的显著优点在于气体进出口之间的总压降较低，但流场宽度增加时，每个流道中的流体分布会出现不均匀现象，从而导致液态水堆积、传输损耗增加以及电流密度降低。蛇形流场的优点在于排水能力，单一流动路径能够促进液态水的排出。但在大面积的流场中，蛇形流场的压降很大，且气体浓度分布不均匀。传统交指型流场，如图1所示，促进了反应气体在扩散层中的强制对流，其水管理的效果远优于蛇形流场和平行流场，但气体扩散层中的强制对流导致了很大的压降损耗。另外，现在也有仿叶脉设计的燃料电池流道场结构，如中国专利201510051039.0所公开的叶脉状燃料电池流场结构，其具有的特点是：气体流场结构为叶脉状流场，包括反应气进口，反应气出口和气体流道；其中反应气进口设在叶脉的叶柄处；反应气出口设在叶脉的叶尖处；气体流道包括进气口主干流道，出气口主干流道，多个进气分支流道和多个出气分支流道，反应气进口与进气口主干流道相连，反应气出口和出气口主干流道相连，进气口主干流道和进气口分支流道相连，出气口主干流道和出气口分支流道相连；所述进气分支流道为叶脉分叉形，所述出气分支流道与出气口主干流道相连位置延伸出的前半部分形状和进气分支流道相同、末端向内弯折插进进气分支流道的孔隙内。因此，出气分支流道的两端向内弯折，中部向外突出。再结合附图公开的流场结构，我们可以分析出这样的流场结构具有如下的缺陷：无论是进气分支流道，还是出气分支流道，均是沿着各自的主干流道进行分布的，同时，进气口主干流道、出气口主干流道是通过分割叶脉主干道而形成的，由此可知，这样做成的叶脉状流场，排气速度有限，传质效率存在一定的局限性。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提供另一种仿叶脉状的电池流场结构，有效发挥了自然界叶脉状结构的流体流动阻力小的特点，电流密度分布和摩尔氧浓度分布的均匀性都有了很大的提高。为实现上述的技术目的，本专利技术将采取如下的技术方案：一种叶脉状交指型燃料电池流道场结构，包括呈叶脉状流场设置的气体流场结构，气体流场结构包括反应气进口，反应气出口和气体流道；其中：反应气进口设在叶脉的叶柄处，反应气出口设在叶脉的叶尖处；气体流道包括进气主流道、出气主流道、进气分支流道和出气分支流道，反应气进口与进气主流道相连，反应气出口和出气主流道相连，进气主流道和进气口分支流道相连，出气主流道和出气分支流道相连；其特征在于：进气主流道沿着该叶脉状流场的中部对称轴线布置，出气主流道具有两条，每一条出气主流道的一端均与反应气出口连接，另一端则沿着叶脉状流场的外侧边缘延伸，同时两条出气主流道相对于进气主流道对称分布；进气分支流道具有偶数条，两两对称分布在进气主流道两侧，且每一条进气分支流道的一端与进气主流道连接，另一端朝向同侧的出气主流道延伸，且各进气分支流道相对于进气主流道的倾角均小于90度，同时进气分支流道的端部与同侧的出气主流道之间存在间隙；出气分支流道具有偶数条，两两对称分布在进气主流道两侧，且每一条出气分支流道的一端与同侧的出气主流道连接，另一端朝向进气主流道延伸，且出气分支流道的端部与进气主流道之间存在间隙；处于进气主流道同侧的出气分支流道、进气分支流道交错布置。作为本专利技术的进一步改进，进气分支流道为波浪形弯曲状流道。作为本专利技术的进一步改进，出气分支流道为具有若干枝丫的树枝状流道和/或者网状流道。作为本专利技术的进一步改进，出气分支流道与出气主流道垂直连接。作为本专利技术的进一步改进，所述叶脉状流场为仿鹅掌楸叶脉结构形成的流场；进气主流道的两侧均具有4条进气分支流道和3条出气分支流道；进气主流道每侧的4条进气分支流道，从叶脉的叶柄处到叶脉的叶尖处之间，长度依次减小，且紧靠着叶柄处的进气分支流道沿着叶脉流场的边缘位置布置；进气主流道每侧的3条出气分支流道，从叶脉的叶尖处到叶脉的叶柄处之间，分别为第一出气分支流道、第二出气分支流道、第三出气分支流道；第一出气分支流道呈条状流道设置，第二出气分支流道呈具有若干枝丫的树枝状设置，第三出气分支流道呈网状设置。作为本专利技术的进一步改进，所述叶脉状流场为仿法国梧桐叶脉结构形成的流场；进气主流道的两侧均具有4条进气分支流道和4条出气分支流道，各进气分支流道、出气分支流道交错布置；进气主流道每侧的4条进气分支流道，从叶脉的叶柄处到叶脉的叶尖处之间，长度依次减小；进气主流道每侧的4条出气分支流道，从叶脉的叶尖处到叶脉的叶柄处之间，长度依次增加；且与叶脉的叶柄相邻的出气分支流道，沿着叶脉流场的边缘位置布置，并面向进气分支流道的一侧设置有若干气孔，而处于相邻两根进气分支流道之间的各出气分支流道，均呈具有若干枝丫的树枝状设置。作为本专利技术的进一步改进，所述进气主流道、进气分支流道两者的流道表面积之和与出气主流道、出气分支流道两者的流道表面积之和一致。作为本专利技术的进一步改进，各流道截面形状均为矩形，高度相等，宽度服从Murray定律。本专利技术的另一个技术目的是提供一种质子交换膜燃料电池双极板，所述双极板的两个板面均设有上述的流场结构。本专利技术的再一个技术目的是提供一种微型质子交换膜燃料电池，所述燃料电池具有上述的流场结构。根据上述的技术方案，相对于现有技术，本专利技术具有如下的有益效果：本专利技术燃料电池流道场采用仿生叶脉型结构后，有效发挥了自然界叶脉状结构的流体流动阻力小的特点，电流密度分布和摩尔氧浓度分布的均匀性都有了很大的提高。流道场入口和出口的压力差维持在一个相对适当的数值，既不会产生较大的工作能耗，也可以使反应尽可能充分进行。本专利技术应用于质子交换膜燃料电池中，尤其是微型燃料电池中，可以减轻储氢的困难，进一步提高氢气的利用率，有着光明的市场前景。同时，本专利技术还将交指型流场引入流道场结构的设计中来，负责进气的第二级流道(进气分支流道)与负责排气的第三级流道(排气分支流道)之间不连通，并通过特殊的布置方式，使得两者的流道面积基本一致，强制反应气通过流道场下方的由多孔介质组成的气体扩散层发生反应，加大了气体的强制对流，能够将这些流道内的气体尽快排出，提高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种叶脉状交指型燃料电池流道场结构，包括呈叶脉状流场设置的气体流场结构，气体流场结构包括反应气进口，反应气出口和气体流道；其中：反应气进口设在叶脉的叶柄处，反应气出口设在叶脉的叶尖处；气体流道包括进气主流道、出气主流道、进气分支流道和出气分支流道，反应气进口与进气主流道相连，反应气出口和出气主流道相连，进气主流道和进气口分支流道相连，出气主流道和出气分支流道相连；其特征在于：进气主流道沿着该叶脉状流场的中部对称轴线布置，出气主流道具有两条，每一条出气主流道的一端均与反应气出口连接，另一端则沿着叶脉状流场的外侧边缘延伸，同时两条出气主流道相对于进气主流道对称分布；进气分支流道具有偶数条，两两对称分布在进气主流道两侧，且每一条进气分支流道的一端与进气主流道连接，另一端朝向同侧的出气主流道延伸，且各进气分支流道相对于进气主流道的倾角均小于90度，同时进气分支流道的端部与同侧的出气主流道之间存在间隙；出气分支流道具有偶数条，两两对称分布在进气主流道两侧，且每一条出气分支流道的一端与同侧的出气主流道连接，另一端朝向进气主流道延伸，且出气分支流道的端部与进气主流道之间存在间隙；处于进气主流道同侧的出气分支流道、进气分支流道交错布置。...

【技术特征摘要】
1.一种叶脉状交指型燃料电池流道场结构，包括呈叶脉状流场设置的气体流场结构，气体流场结构包括反应气进口，反应气出口和气体流道；其中：反应气进口设在叶脉的叶柄处，反应气出口设在叶脉的叶尖处；气体流道包括进气主流道、出气主流道、进气分支流道和出气分支流道，反应气进口与进气主流道相连，反应气出口和出气主流道相连，进气主流道和进气口分支流道相连，出气主流道和出气分支流道相连；其特征在于：进气主流道沿着该叶脉状流场的中部对称轴线布置，出气主流道具有两条，每一条出气主流道的一端均与反应气出口连接，另一端则沿着叶脉状流场的外侧边缘延伸，同时两条出气主流道相对于进气主流道对称分布；进气分支流道具有偶数条，两两对称分布在进气主流道两侧，且每一条进气分支流道的一端与进气主流道连接，另一端朝向同侧的出气主流道延伸，且各进气分支流道相对于进气主流道的倾角均小于90度，同时进气分支流道的端部与同侧的出气主流道之间存在间隙；出气分支流道具有偶数条，两两对称分布在进气主流道两侧，且每一条出气分支流道的一端与同侧的出气主流道连接，另一端朝向进气主流道延伸，且出气分支流道的端部与进气主流道之间存在间隙；处于进气主流道同侧的出气分支流道、进气分支流道交错布置。2.根据权利要求1所述的叶脉状交指型燃料电池流道场结构，其特征在于：进气分支流道为波浪形弯曲状流道。3.根据权利要求1所述的叶脉状交指型燃料电池流道场结构，其特征在于：出气分支流道为具有若干枝丫的树枝状流道和/或者网状流道。4.根据权利要求1所述的叶脉状交指型燃料电池流道场结构，其特征在于：出气分支流道与出气主流道垂直连接。5.根据权利要求1所述的叶脉状交指型燃料电池流道场结构，其特征在于：所述叶脉状流场为仿鹅掌楸叶脉结构形成的...

【专利技术属性】
技术研发人员：林开杰，戴蔚杰，常怡婷，崔迎雪，何妍，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32