基于四周进气式螺旋辐射状流场的燃料电池双极板制造技术

本发明专利技术申请涉及燃料电池技术领域，提出了一种四周进气、中心出气式螺旋辐射状流场的燃料电池双极板结构，包括圆形基板及覆盖于基板、交替设置的径向螺旋流场凹槽和径向流场凸脊。凹槽与凸脊由基板中心向外呈辐射状逐渐变宽。本发明专利技术通过径向流场缩短气体流动的通道，既能促进反应气体在流场内均匀分布，又可通过流速和重力作用推动燃料电池内部水分的快速排出，有效提高燃料电池的功率性能和稳定性。有效提高燃料电池的功率性能和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
基于四周进气式螺旋辐射状流场的燃料电池双极板


[0001]本专利技术涉及低温质子交换膜燃料电池
，具体的说是一种能够促进流场内气体压强均匀分布、促进阴极侧水分排出、提高电池性能和稳定性的基于四周进气式螺旋辐射状流场的燃料电池双极板。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells，PEMFCs)是一种将氢气和氧气电化学反应中的化学能直接转化为电能的“化学能发电”装置，其能量转换效率不受卡诺循环的限制，电池组的发电效率可达50％以上。PEMFCs具有环境友好、启动特性优良和能量转换效率高等特征，有望在诸多领域得到应用，特别是在汽车动力系统中的使用更具有得天独厚的优势。PEMFCs电堆的核心部件包括膜电极和双极板，其中，双极板具有分配反应气体到达电极表面、收集和传导电子、支撑膜电极等重要作用，同时，双极板流道的设计还严重影响进、出口气体分布的均匀性、压力降以及排水能力，担负起整个电池系统的散热和排水功能，对电池的输出功率和长期稳定运行起到至关重要的作用。
[0003]PEMFCs中的电极反应类同于其他酸性电解质燃料电池。阳极侧氢气通过双极板扩散到电极的催化层，并在催化剂的作用下发生氧化反应，产生的氢质子(H
+
)通过Nafion质子交换膜电解质到达阴极，电子经双极板收集后由外电路到达阴极。阴极侧氧气(或空气)发生还原反应，与H
+
和电子反应生成水。生成的水除了润湿电解质外，过量的水则通过双极板随反应气体排出。由此可见，双极板流场的设计至关重要。
[0004]常见的双极板流场主要有平行流场、蛇形流场、交错流场等。蛇形流场的优点在于具有良好的水管理，电池性能高，缺点是气体分布不均，压降过大。平行流场可改善气体压降大、分布不均的缺点，但水管理能力差，电池内部易发生水淹。交错流场的优点在于有最佳的电池性能，容易排水，反应分布均匀，达到有效的水管理，缺点是压降非常高，泵送功率较大。最近，研究者们通过对流场进行优化和改进，逐渐衍生出了螺旋状的齿形流场、辐射流场、金属泡沫等复杂的结构设计。其中，螺旋状流场有利于水分的管理，从而降低进气所需的相对湿度，然而进、出口气体的压降较大；而辐射状流场可促进气体传输与电流密度均匀分布。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对上述现有双极板流场结构中存在的缺点和不足，提出了一种旨在解决上述
技术介绍
涉及的现有双极板流场结构中气体分布不均、压降不合理、水管理差等问题，从而提高电池整体功率性能和稳定性的基于四周进气式螺旋辐射状流场的燃料电池双极板。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种基于四周进气式螺旋辐射状流场的燃料电池双极板，包括对称设置的阴极板和阳极板，其特征在于，所述阴极板或阳极板均设有圆形基板，圆形基板外侧均匀设有至少
5个气体入口，圆形基板中央设有气体出口，所述圆形基板上设有交替排列的螺旋辐射凸脊和凹槽，凸脊和凹槽分别沿半径方向由圆形基板中央向圆形基板周向辐射，凸脊的中间有凹槽流道，凹槽流道连通相邻的两个凹槽，凹槽流道的深度一致；所述气体入口设置径向螺旋凹槽流道的中心线与圆形基体外侧流道中心线的交点处。
[0008]本专利技术所述圆形基板的半径为10
‑
20mm，圆形基板外侧均匀设有5个、直径为1mm的气体入口，且气体入口均设置在对应的凹槽处；圆形基板中心设有1个、直径为1mm的气体出口。
[0009]本专利技术所述圆形基板内部有10条相邻的凸脊和凹槽分别交替排列，均沿半径方向、以18
°
由内向外宽度呈辐射状逐渐变大；所述的凸脊的外凸脊外沿弧度为20
°
，内侧弧度为19
°
，凸脊中间有扇形凹槽流道，将联通相邻的两个凹槽，凹槽流道的高度保持一致,为1mm深度。
[0010]本专利技术中内凸脊与外凸脊错开，内凸脊沿凸脊中心线顺时针偏移30
°
。
[0011]本专利技术中圆形基板上进气孔的数量优选为10个。
[0012]本专利技术中凹槽沿外部向圆形基板中心以0.06
°
的倾斜角下沉。
[0013]本专利技术所述圆形基板上设有气体入口、气体出口、螺旋辐射状流场凹槽、螺旋辐射状凸脊和外流道，在圆形基板外凸脊的外侧与内壁之间设有气体入口，在圆形基板中心设有气体出口；径向螺旋槽流道覆盖在圆形基板上，径向螺旋槽流道由十条螺旋向外的流道构成，由圆形基板中心呈辐射状向外逐渐变宽；径向螺旋槽流道与圆形基板内壁之间有5个进气孔，圆形基板中心为气体出口，基板上有10条沿半径方向的径向螺旋辐射状凹槽流道，在基板上呈中心对称；进气孔位于螺旋凸脊中心线与外流道中心线的交点处，且在两条螺旋凸脊间隔分布；凸脊侧面圆弧的切线与沿半径方向的夹角为20
°
，外凸脊的外流道侧斜面的弧度为20
°
；凸脊中间部分凹槽的弧度为19
°
；其中记圆形基板的中心点为O点，内凸脊的最外端点为A点，则OA之间距离为4mm，与内凸脊对应的外凸脊中，与A点处于同一弧线上的端点为B点，则OB之间距离为5mm，外凸脊的最外端点记为C点，则OC之间距离为8mm，内凸脊靠近圆形基板中心点的端点为D，则OD之间距离为1mm，外凸脊中B端点的对角点记为E点，则OE弧与OC弧尖角为18度，OC弧的半径为15mm。
[0014]本专利技术提出的四周进气、中心出气式螺旋辐射状双极板流场内部的气体流速在中心出气口附近得到提升，且倾斜的流道有利于将产生的过多的水分及时排出，具有良好的排水能力，不易发生水淹现象；气体从进气口到出气口的压降减小，有利于气体充分反应，从而整体提高了电池的功率性能和稳定性。
附图说明
[0015]图1为本专利技术实施例1中燃料电池双极板结构中压力分布图。
[0016]图2为本专利技术实施例2中燃料电池双极板结构中与压力分布图。
[0017]图3为本专利技术实施例3中燃料电池双极板结构中压力分布图。
[0018]图4为本专利技术实施例4中燃料电池双极板流场中压力分布图。
[0019]图5为本专利技术实施例5对应的燃料电池双极板漏斗状流场结构的侧视图。
[0020]图6为本专利技术实施例5中燃料电池双极板流场中压力分布图。
[0021]图7为本专利技术实施例中分别以出气口圆心上方0.7mm处为圆点，出气口与进气口上
方0.7mm处连线为x轴，速度为y周构成的折线图。图8为本专利技术的一种结构示意图。
[0022]附图标记：圆形基板1、气体入口2、气体出口3、凸脊4、凹槽5、凹槽流道6、内凸脊7、外凸脊8、外侧流道9。
具体实施方式
[0023]本专利技术针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种基于四周进气式螺旋辐射状流场的燃料电池双极板，包括对称设置的阴极板和阳极板，所述阴极板或阳极板均设有圆形基板1，圆形基板1外侧均匀设有至少5个气体入口2，圆形基板本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于四周进气式螺旋辐射状流场的燃料电池双极板，包括对称设置的阴极板和阳极板，其特征在于，所述阴极板或阳极板均设有圆形基板，圆形基板外侧均匀设有至少5个气体入口，圆形基板中央设有气体出口，所述圆形基板上设有交替排列的螺旋辐射凸脊和凹槽，凸脊和凹槽分别沿半径方向由圆形基板中央向圆形基板周向辐射，凸脊的中间有凹槽流道，凹槽流道连通相邻的两个凹槽，凹槽流道的深度一致；所述气体入口设置径向螺旋凹槽流道的中心线与圆形基体外侧流道中心线的交点处。2.根据权利要求1所述的一种基于四周进气式螺旋辐射状流场的燃料电池双极板，其特征在于，所述圆形基板的半径可以为10mm，圆形基板外侧均匀设有5个、直径为1mm的气体入口，且气体入口均设置在对应的凹槽处；圆形基板中心设有1个、直径为1mm的气体出口。3.根据权利要求1所述的一种基于四周进气式螺旋辐射状流场的燃料电池双极板，其特征在于，所述圆形基...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪兆圻，钱政飞，曲家岐，王彦岩，林波，沈照杰，戴永谦，安森友，曾全琳，刘衍初，苏培林，李明扬，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：