一种导流通道的流线型分流结构及方法技术

本发明专利技术涉及一种导流通道的流线型分流结构及方法，其特征在于，所述流线型分流结构包括呈流线型的至少一个分流岛(7)，所述的分流岛(7)为在流体通道(3)中间凸起的凸块，所述分流岛(7)的前端的流线型曲面曲率半径R与后端流线型曲面曲率半径r的关系为R≥r。本发明专利技术的分流岛呈流线型设计，通过改变分流岛流线型的曲率半径，使流体通道内形成涡流，避免生成水粘滞在流体通道侧壁。本发明专利技术还通过改变流体通道内各位置点的流体流速和压力，更有效地传递反应介质并能更有效地排出生成水，具有提高电堆性能，改善反应效率，延长电堆寿命等优点。延长电堆寿命等优点。延长电堆寿命等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种导流通道的流线型分流结构及方法
[0001]本专利技术是申请日期为2018年11月16日，申请名称为一种燃料电池导流板，申请号为201811372401.4，申请类型为专利技术的专利技术专利的分案申请。


[0002]本专利技术涉及燃料电池
，尤其涉及一种导流通道的流线型分流结构及方法。

技术介绍

[0003]燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。燃料电池通常由多个电池单元构成，每个电池单元包括两个电极(阳极和阴极)，该两个电极被电解质元件隔开，并且彼此串联地组装，形成燃料电池堆。通过给每个电极供给适当的反应物，即给一个电极供给燃料而另一个供给氧化剂，实现电化学反应，从而在电极之间形成电位差，并且因此产生电能。
[0004]为了给每个电极供给反应物，使用通常称为“双极板”并且设置在每个单个电池的两侧的特定界面元件。这些双极板通常是邻近阳极或阴极支撑体放置的单个元件的形式。双极板是燃料电池组的重要元件。燃料电池堆在运行过程中，双极板执行如下功能以维持燃料电池堆的最佳工作状态以及使用寿命：(1)电池导电体，极板两侧分别形成阴极阳极，将一个个电池单元串联以组成燃料电池堆；(2)通过流道向电极提供反应气(传质)；(3)协调水与热的管理，防止冷却介质及反应气体外漏；(4)向膜电极组件(MEA)提供结构强度支持。
[0005]“双极板”的结构一般为设置在极板两端的流体进出口，以及连接流体进出口的流道，每种流体从流体进口流进，一般需要沿着多于一条的导流槽弯弯曲曲绕遍整个导流场，各条导流槽合并后从流体出口流出。由于多于一条的导流槽弯曲性很大，而且导流槽长度较长，燃料电池生成的产物水很容易在电极阴极侧出现而将空气导流槽堵塞，而且燃料电池生成的产物水也很容易通过反渗透在电极阳极侧出现，将氢气导流槽堵塞。特别是燃料电池作为车、船动力系统或可移式发电装置应用时，由于动力系统的工况变化很大，燃料电池的输出功率也变化很大，这样燃料电池生成的水更容易将空气、氢气导流槽堵塞。中国专利CN200610027547.6公开了一种不易堵水的燃料电池导流极板，该导流极板为导流双极板，所述的导流双极板由正面导空气流槽板、反面导氢气流槽板、中间导冷却流体夹层组成，所述的进出空气或进出氢气的流体孔为单孔进、双孔或多孔出，该进出空气或氢气流体孔之间的设有导流槽及连接导流槽的连接槽，导流槽和连接槽均设计成直流槽或近直流槽；所述的进出冷却流体的流体孔为单孔或双孔或多孔进、双孔或多孔出，该进出冷却流体的流体孔之间的设有导流槽及连接导流槽的连接槽，导流槽和连接槽均设计成直流槽或近直流槽。
[0006]这种设计是通过多设置几个流体进出口，将导流槽尽可能设计成直流槽或近直流槽，相比于传统的蛇形流道，的确降低了堵水的情况，但是，由于导流极板的大小的限制，这
种直流道的设计使氢气和空气来不及反应就被排出了电堆，大量的空气被浪费或过量的氢气被循环输送，必然造成输送空气或循环氢气的机械功耗增加，从而降低了燃料电池系统效率。
[0007]中国专利CN101267042A公开了一种用于燃料电池的双极板，所述双极板包括：包括活性表面的流场，所述流场具有入口区域和出口区域，所述活性表面与所述入口区域和所述出口区域连通且具有在所述活性表面中形成的至少一条流动通道，所述至少一条流动通道在所述出口区域处具有比在所述入口区域处的剖面面积更小的剖面面积。其中所述至少一条流动通道是分叉的。其说明书明确记载：“分叉使得形成了流的“膨胀(expansion)”且降低了随着反应剂向下游行进反应剂气体的压力变化所处的变化率”。明显地，该专利技术中的流道为非流线型的直线结构，不存在曲率。不存在曲率的直线型的流道只能使流体在该直线段内以一定的流速稳定流动，流速快压力小。以被分叉的流道包围的六边形区域为例，六边形区域的边缘为直线型，直线型的流道不会为流体流速增加变化率，直线型的六边形区域也不会为流体流速增加变化率。因此，流体聚拢后仅仅是合并处比分叉处的压力大，六边形区域两端的合并处的流速不变使得压力梯度微小甚至相同，两端的分叉处的流速不变使得压力梯度相同。即使牵强在六边形区域内设置本专利技术的微流道，由于两端不存在明显的压差，微流道内也不会有流体流入。即流体无法由于两端的压差进入扩散层。不仅如此，由于六边形区域不具有流线型曲线，自然也无法在合并处形成用于避免生成水粘滞在流体通道侧壁的涡流。

技术实现思路

[0008]本专利技术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通过改变流体通道内各位置点的流体流速和压力，迫使流体沿流体通道的同时，进入扩散层，形成三维流动，及时带走生成水，避免堵水，提高反应效率的燃料电池导流板。
[0009]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0010]一种燃料电池导流板，该导流板上设有多条流体通道，其特征在于，单个流体通道通过多次交替分叉汇合，形成波浪状的扩散和收敛的流道结构，使同一流体通道各截面的宽度和深度变化，调节流体流速、流向和压力，迫使流体在沿流体通道流动的同时，进入扩散层形成流动。形成包括扩散层多孔空间在内的多层次的三维流动。
[0011]各流体通道中间设有多个分流岛，各个分流岛之间的间隔根据设计的不同，可以选择相同或不同，使流体通道在经过每个分流岛时至少分成两个流道，并在经过分流岛后合为一路，形成波浪状的扩张和收敛的流体通道。
[0012]同一条流体通道由多个连续的扩张收敛单元组成，每个扩张收敛单元包括扩张段(A)和收敛段(B)，在各扩张收敛单元前后的流体通道为合并段通道，在扩张收敛单元处的流体通道为合并段分流成的至少两个流道的分流通道，流体在合并段通道截面(L、P)的流速S
L
和流速S
P
与在分流通道截面(N)的流速S
N
的关系为S
L
和S
P
小于或等于S
N
。
[0013]通过控制流体通道在合并段通道和分流通道的宽度和/或深度，来调整流体在流体通道各位置处的流速和流向。
[0014]例如，方案一：使流体通道合并段通道的直径或宽度D大于或等于多条分流通道的直径或宽度之和，各条分流通道的直径或宽度根据需要设计成相同或不同，如图3所示。
[0015]方案二：使流体通道在合并段通道的深度与在多条分流通道的深度不同，如图11所示。
[0016]所述的分流岛为在流体通道中间凸起的凸块，分流岛侧面为流线型曲面，其前端的流线型曲面曲率半径R与后端流线型曲面曲率半径r根据具体流体流量不同可以设计得相同或不同。优选R≥r，如图4所示。
[0017]所述的分流岛内还设有多条辅助微流道，多条辅助微流道组成的流体通道包括弧形、工字型、Y型、T型等，如图2
‑
图5所示
[0018]所述的辅助微流道的直径或宽度d小于流体通道合并段通道的直径或宽度D，也小于各分流通道的直径或宽度，优选d＝(1/5～1/10)D。
[0019]所述的辅助微流道的深本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种导流通道的流线型分流结构，其特征在于，所述流线型分流结构包括呈流线型的至少一个分流岛(7)，所述的分流岛(7)为在流体通道(3)中间凸起的凸块，所述分流岛(7)的前端的流线型曲面曲率半径R与后端流线型曲面曲率半径r的关系为R≥r。2.根据权利要求1所述的导流通道的流线型分流结构，其特征在于，所述流体通道(3)由多个连续的扩张收敛单元组成，所述分流岛(7)将所述流体通道(3)至少分成包括扩张段和收敛段的两个分流通道，在至少两个所述分流通道在所述分流岛(7)后端合并为合并段通道的情况下，所述分流岛(7)后端形成用于避免生成水粘滞在流体通道侧壁的涡流。3.根据权利要求1或2所述的导流通道的流线型分流结构，其特征在于，所述流体通道(3)以深度呈波浪状变化的方式来调整流体流速，其中，在分流岛前端的合并段截面(L)处的深度H到分流通道截面(N)处的深度h逐渐减小，从分流通道截面(N)处的深度到分流岛后端的合并段截面(P)处的深度逐渐增加。4.根据权利要求1～3任一项所述的导流通道的流线型分流结构，其特征在于，相邻流体通道(3)内的分流岛(7)交错设置，各流体通道的分流通道所在的区域为扩散区(A)，合并段通道所在的区域为收敛区(B)，一条流体通道(3)的扩散区(A)与相邻流通通道的收敛区(B)相邻，在相邻的扩散区和收敛区的侧壁(12)两侧形成压差的情况下，压力差促使流体以在侧壁(12)下端的扩散层(9)中扩散和流动并进入相邻流体通道的方式将反应介质传递和扩散到所述侧壁底部区域和排除所述侧壁底部的扩散层(9)中的生成水。5.根据权利要求1～4任一项所述的导流通道的流线型分流结构，其特征在于，在流体沿流体通道(3)流经合并段通道和分流通道时流速的变化带来流体压力的变化形成压差，所述压差迫使流体进入与导流板(1)贴合的扩散层(9)中并带走在催化剂层(10)上生成的水，从而实现流体在xyz三个方向上的三维流通。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：高勇，
申请(专利权)人：上海恒劲动力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：