本發明專利技術公開了一種基于迷宮擋板結構流場的質子交換膜燃料電池雙極板，包括呈矩形狀的氣體流場(1)，該氣體流場(1)的反應氣進口(11)和反應氣出口(12)位于氣體流場(1)的其中一條對角線的兩端呈對角分布，在氣體流場(1)內分布有多個高度相同的脊(13)和多塊擋板(15)，氣體流場(1)內由脊(13)分隔為多條寬度相同的流道(14)，沿氣體流場(1)的另一條對角線設置的全部擋板(15)和位于該條對角線上的脊(13)構成沿該對角線設置的流道壩。本發明專利技術的迷宮擋板結構流場增加了反應氣體的強制對流和排水能力，使氣體分布均勻，提高了電池的電化學反應效率，使電流密度更加均勻，提升了整體燃料電池的電化學性能。
【技術實現步驟摘要】
一種基于迷宮擋板結構流場的質子交換膜燃料電池雙極板
本專利技術涉及質子交換膜燃料電池雙極板結構領域，具體地說是一種基于迷宮擋板結構流場的質子交換膜燃料電池雙極板。
技術介紹
能源危機和環境污染問題不斷的當今時代，燃料電池作為一種能效高、零污染的潔凈能源備受青睞并得到了廣泛研究。其中，質子交換膜燃料電池是在一定條件下氫氣和空氣中的氧氣發生化學反應，從而將化學能直接轉變為電能的裝置。質子交換膜燃料電池由于無污染、能量轉化率高、啟動快等優點，具有非常好的應用前景。質子交換膜燃料電池中最重要的構件之一是雙極板，起著均勻分配反應氣體、傳導電子、導熱并將反應所產生的水及時排出的作用。雙極板又稱集流板，是燃料電池的重要部件之一，需滿足如下有求：(1)分隔氫氣和空氣中的氧氣并均勻分配這些反應氣體；(2)導電；(3)排除電池內化學反應產生的熱和水。流場是在雙極板上加工的各種形狀的流道，為反應物和生成物提供進出通道，反應物與生成物在流場內的流動狀態由雙極板的流道結構所決定。只有保證電極各處均能獲得充足的反應物，并及時將生成的水排出電池外，才能保證質子交換膜燃料電池的正常工作，因此雙極板流場結構對質子交換膜燃料電池性能有重要影響。常見的質子交換膜燃料電池雙極板的流場有點狀流場、平行流場、蛇型流場和交指型流場等。點狀流場一定程度上是放棄了流場，流體包括反應物和生成物傾向于朝流動阻力最小的方向流動，無法保證流體流動的均勻性，因此點狀流場角落位置很可能會滯流堵塞從而影響電池的反應效率。平行流場的反應氣體由于進出口間的總壓降低，各流道中的流體分布會不均勻，引起部分區域的水淹，導致傳輸耗損的增加，從而降低了電流密度。盡管蛇形流場的流動路徑能推動液態水的排出，排水性能好，但蛇形流場的缺點在于大面積的流場中，壓降很大，且氣體濃度分布不均勻。交指流場能夠大大增強反應氣體的強制對流和排水能力，但對進氣的壓力要求較高，局部壓力突降。
技術實現思路
本專利技術的目的是針對現有技術中常規流場存在的不足，結合點狀結構，蛇形結構和交指結構的特點提供一種基于迷宮擋板結構流場的質子交換膜燃料電池雙極板，該雙極板中迷宮擋板結構流場的在結合點狀流場與蛇形流場的優點的基礎上，又繼承了交指結構的優點，迷宮擋板結構流場作為一種新型的流場結構，在傳質運輸方面有很多優異的特性，它一方面增加了反應氣體的強制對流和排水能力，能夠更均勻地分配反應氣體到各分支流道；另一方面更有利于電池的熱管理，又提高了電池的電化學反應效率，電化學反應產生的熱量由中間向四周擴散，使電流密度更加均勻，從而使得整體燃料電池的電化學性能得以提升；擋板的增加有利于反應氣的強制對流并提高了排水性能，單位時間內擴散到膜電極的反應氣體的量增加。本專利技術的目的是通過以下技術方案解決的：一種基于迷宮擋板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：所述的氣體流場呈矩形狀，該氣體流場的反應氣進口和反應氣出口位于氣體流場的其中一條對角線的兩端呈對角分布，在氣體流場內分布有多個高度相同的脊和多塊擋板，氣體流場內由脊分隔為多條寬度相同的流道，擋板分別嵌置在位于氣體流場的另一條對角線上的相應流道內且沿該對角線設置的全部擋板和位于該條對角線上的脊構成沿該對角線設置的流道壩，位于流道壩兩端的兩塊擋板的高度與脊的高度相同且其它擋板的高度低于脊的高度；上述脊和擋板的設置構成了迷宮擋板結構的氣體流場。所述的脊由一個或多個矩形塊組成，且組成脊的矩形塊的長度和寬度皆是流道的寬度的整數倍。低于脊的高度的部分擋板的高度不低于脊的高度的50％；且全部擋板的厚度一致。所述的流道包括進氣主干流道、進氣次干流道、進氣分支流道以及出氣主干流道、出氣次干流道、出氣分支流道，且進氣分支流道和出氣分支流道構成了迷宮擋板結構的迷宮型流道，其中的進氣主干流道由脊和氣體流場的橫向腔壁構成且進氣主干流道的進口與反應氣進口橫向連通；進氣次干流道由脊和氣體流場的縱向腔壁構成且進氣次干流道的進口與反應氣進口縱向連通；進氣分支流道由流道壩進氣側的脊構成且進氣分支流道的進口分別與進氣主干流道、進氣次干流道相連通；出氣主干流道由脊和氣體流場的另一個橫向腔壁構成且出氣主干流道的出口與反應氣出口橫向連通；出氣次干流道由脊和氣體流場的另一側縱向腔壁構成且出氣次干流道的出口與反應氣出口縱向連通；出氣分支流道由流道壩出氣側的脊構成且出氣分支流道的出口分別與出氣主干流道、出氣次干流道相連通。所述流道的寬度為a、進氣主干流道和出氣主干流道的長度皆為c1、進氣次干流道和出氣次干流道的長度皆為c2時，位于氣體流場(1)內且不與擋板(15)相接觸的脊(13)的個數為位于氣體流場(1)內與擋板(15)不接觸的單個脊(13)的平面面積從a2到12a2服從正態分布且其期望值為m1a2；位于氣體流場(1)內且與擋板(15)相接觸的脊(13)的個數為位于氣體流場(1)內與擋板(15)相接觸的單個脊(13)的平面面積從a2到12a2服從正態分布且其期望值為m2a2；其中k1＝2～3、k2＝0.35～0.45、m1＝4.5～5.5、m2＝6.5～7.5。所述的氣體流場設置在雙極板的板面內，且雙極板的板面內還設有位于氣體流場四周的矩形密封槽。所述矩形密封槽四周的雙極板的板面上設有均勻分布的螺栓孔，同時在雙極板的板面上設有定位孔以使得兩塊雙極板相對定位后采用螺栓穿過螺栓孔固定相連。所述雙極板的側部設有分別與反應氣進口和反應氣出口對應連通的螺紋密封導流孔。所述雙極板的側部設有與氣體流場相連通的溫度探測孔以便于監測氣體流場內的溫度。本專利技術相比現有技術有如下優點：本專利技術的雙極板中迷宮擋板結構流場的在結合點狀流場與蛇形流場的優點的基礎上，又繼承了交指結構的優點，迷宮擋板結構流場作為一種新型的流場結構，在傳質運輸方面有很多優異的特性，它一方面增加了反應氣體的強制對流和排水能力，能夠更均勻地分配反應氣體到各分支流道；另一方面更有利于電池的熱管理，又提高了電池的電化學反應效率，電化學反應產生的熱量由中間向四周擴散，使電流密度更加均勻，從而使得整體燃料電池的電化學性能得以提升；擋板的增加有利于反應氣的強制對流并提高了排水性能，單位時間內擴散到膜電極的反應氣體的量增加。本專利技術的迷宮擋板結構流場能彌補蛇形型流場高壓降的缺點，減少外功，也能彌補點狀流場氣體分布不均勻，排水能力弱的缺點，使電流密度更加均勻，從而提升電池的性能。本專利技術的迷宮擋板結構流場中多個交匯的進氣分支流道和多個交匯的出氣分支流道的設置構成的迷宮結構，大大增加了單位氣體流場面積內的流道面積，充分發揮了迷宮流道導流的優勢，提高了反應效率。本專利技術的雙極板設有螺紋密封導流孔用于反應氣進口、反應氣出口引流，螺紋旋轉密封結構保證了反應氣進口、反應氣出口的密封性；且擋板沿斜對角線設置能有效保證擋板兩側反應氣體的順利反應和生成水的及時排出。本專利技術的雙極板上在氣體流場四周開一圈矩形密封槽，能有效防止由于雙極板表面加工誤差帶來的反應氣的泄漏。本專利技術的雙極板內迷宮擋板結構的氣體流場內各流道豎截面為等寬的矩形截面，且流道底面所在面為同一平面，更容易加工。附圖說明附圖1為本專利技術的迷宮擋板結構流場平面結構示意圖；附圖2為本專利技術的基于迷宮擋板結構流場的質子本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種基于迷宮擋板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)呈矩形狀，該氣體流場(1)的反應氣進口(11)和反應氣出口(12)位于氣體流場(1)的其中一條對角線的兩端呈對角分布，在氣體流場(1)內分布有多個高度相同的脊(13)和多塊擋板(15)，氣體流場(1)內由脊(13)分隔為多條寬度相同的流道(14)，擋板(15)分別嵌置在位于氣體流場(1)的另一條對角線上的相應流道(14)內且沿該對角線設置的全部擋板(15)和位于該條對角線上的脊(13)構成沿該對角線設置的流道壩，位于流道壩兩端的兩塊擋板(15)的高度與脊(13)的高度相同且其它擋板(15)的高度低于脊(13)的高度；上述脊(13)和擋板(15)的設置構成了迷宮擋板結構的氣體流場(1)。
【技術特征摘要】
1.一種基于迷宮擋板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)呈矩形狀，該氣體流場(1)的反應氣進口(11)和反應氣出口(12)位于氣體流場(1)的其中一條對角線的兩端呈對角分布，在氣體流場(1)內分布有多個高度相同的脊(13)和多塊擋板(15)，氣體流場(1)內由脊(13)分隔為多條寬度相同的流道(14)，擋板(15)分別嵌置在位于氣體流場(1)的另一條對角線上的相應流道(14)內且沿該對角線設置的全部擋板(15)和位于該條對角線上的脊(13)構成沿該對角線設置的流道壩，位于流道壩兩端的兩塊擋板(15)的高度與脊(13)的高度相同且其它擋板(15)的高度低于脊(13)的高度；上述脊(13)和擋板(15)的設置構成了迷宮擋板結構的氣體流場(1)。2.根據權利要求1所述的基于迷宮擋板結構流場的質子交換膜燃料電池雙極板，其特征在于：所述的脊(13)由一個或多個矩形塊組成，且組成脊(13)的矩形塊的長度和寬度皆是流道(14)的寬度的整數倍。3.根據權利要求1所述的基于迷宮擋板結構流場的質子交換膜燃料電池雙極板，其特征在于：低于脊(13)的高度的部分擋板(15)的高度不低于脊(13)的高度的50％；且全部擋板(15)的厚度一致。4.根據權利要求1所述的基于迷宮擋板結構流場的質子交換膜燃料電池雙極板，其特征在于：所述的流道(14)包括進氣主干流道(141)、進氣次干流道(142)、進氣分支流道(143)以及出氣主干流道(144)、出氣次干流道(145)、出氣分支流道(146)，且進氣分支流道(143)和出氣分支流道(146)構成了迷宮擋板結構的迷宮型流道(14)，其中的進氣主干流道(141)由脊(13)和氣體流場(1)的橫向腔壁構成且進氣主干流道(141)的進口與反應氣進口(11)橫向連通；進氣次干流道(142)由脊(13)和氣體流場(1)的縱向腔壁構成且進氣次干流道(142)的進口與反應氣進口(11)縱向連通；進氣分支流道(143)由流道壩進氣側的脊(13)構成且進氣分支流道(143)的進口分別與進氣主干流道(141)、進氣次干流道(142)相連通；出氣主干流道(144)由脊(13)和氣體流場(1)的另一...
【專利技術屬性】
技術研發人員：談金祝，沈翔，
申請(專利權)人：南京工業大學，
類型：發明
國別省市：江蘇,32
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。