一种变截面串连平行流道流场板、双极板及燃料电池电堆

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种变截面串连平行流道流场板、双极板及燃料电池电堆。

背景技术

燃料电池是一种将氧化剂(空气、氧气等)和燃料(氢气、储氢材料等)通过电化学氧化还原反应发电的装置，发电过程同时产生一定的热量。燃料电池双极板组件起到将燃料、氧化剂和和冷却剂在反应活性区域内均匀分配的作用。双极板组件由两到三张流场板叠装组成，在特定的流道脊和槽结构形式下，分别形成燃料、氧化剂和冷却剂的流场结构，实现介质的分配。在传统流通截面积恒定的流场形式下，随着反应介质(燃料和氧化剂)的消耗，沿流道流动方向上气体介质的流速、压力、浓度均有下降，反应介质的不均匀物性分布导致电化学反应的不均匀分布，因此降低了平均电性能。同时，随着反应生成水的不断积累，气体流速的降低容易造成局部水淹，进一步恶化电化学反应环境，造成恒电流模式下发电电压持续下降，降低燃料电池发电的可靠性。

针对以上问题，已有在传统多通道蛇形流场的基础上，在反应活性区域内沿介质流动方向逐渐减少蛇形流场的通道数量，形成流通截面积逐渐缩小的流场结构，可提高靠近流场出口的气体流速。但是蛇形流场通道数减少是通过在流场板内部将两个或多个流道槽合并实现，这一方面导致流场压降增大，增加外部辅助部件功耗，另一方面流道槽的合并加剧了反应生成水的聚集，流道槽合并处容易出现水淹，造成电压和气体压力波动，降低燃料电池发电可靠性。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种变截面串连平行流道流场板，通过将多组平行流道组按照流道数量从多到少依次通过公共通道与外部歧管串连，降低流场板设计难度的同时形成介质流通截面积渐缩的效果，使整个流场区域气体流速或化学计量比不随介质反应消耗而降低，起到增强液态水排出效率、降低表观化学计量比的效果。

本发明提供的技术方案如下：

第一方面，一种变截面串连平行流道流场板，所述流场板的流道区域为相互平行的流道脊和流道槽组成的平行流场，平行流场开口两端分别设有多个相邻的公共通道，公共通道的面积依次递减，公共通道之间由密封结构分隔，平行流场开口两端的公共通道对称分布，平行流场开口两端面积相同的公共通道之间形成一组平行流道组，流场板包含两个及以上的平行流道组，流场板上与平行流场流道脊和流道槽平行的两边缘设有其他介质的进口公共通道和出口公共通道。

第二方面，一种双极板组件，选用第一方面所述的变截面串连平行流道流场板作为阳极单板或阴极单板。

第三方面，一种单电池，选用第一方面所述的变截面串连平行流道流场板作为阳极单板或阴极单板。

第四方面，一种燃料电池电堆，选用第一方面所述的变截面串连平行流道流场板作为双极板组件中的阳极单板或阴极单板。

根据本发明提供的一种变截面串连平行流道流场板、双极板及燃料电池电堆，具有以下有益效果：

(1)排水效率高：平行流场开口两端公共通道通过外部歧管两两连通，可在外部歧管进行气水分离，相比传统流场板结构只能在流场出口排出生成水，本发明的串连平行流场结构从流场进口到流场出口中间可通过外部歧管实现多次气水分离，缩短了排水距离，增加了排水频率，提高流场板排水效率；

(2)流场流阻低：因流场板采用平行流场结构，气体流动阻力较低；平行流道组之间通过外部歧管进行串连，歧管流阻比蛇形流场转弯处的流阻更低，因此实现了多通道变截面串连平行流场的低流阻效果；

(3)介质分布均匀：串连平行流道组的流道数量沿流动方向逐渐减少，避免了因反应介质消耗造成的流动速度和压力的降低；此外，将平行流场进行分组并串连，减小了平行流场入口截面积，不存在宽入口面积气体分配不均的问题，提高燃料电池反应活性区域内反应介质的分布均匀性；

(4)系统效益高：燃料电池系统包含气体循环泵或压缩机等功耗部件提供反应介质的过量供给，以保证电化学反应的充分进行。平行流道组串连后，上游流道组过量介质可作为下游流道组的反应消耗，因末组流道组反应活性面积远小于流场板完整反应活性面积，因此可降低表观计量比需求，同时本发明的流场板结构流阻较低，综合结果即降低了对循环泵或压缩机的流量和压升的需求，从能量转换率和经济效益方面均具有较高的系统效益；

(5)流场板设计开发成本低：本发明通过公共通道与燃料电池电堆外部歧管连通实现分组平行流道的串连和流场流通截面积的逐渐缩小，相比于渐变多通道蛇形流场板，平行流场板结构更加简单，平且可根据燃料电池设计工作点灵活改变公共通道分组方式，而无需改变流场结构，因此流场板设计开发难度更低，结构简单的平行流场板加工成本也更低。

附图说明

图1是实施例1的流场板结构示意图。

附图标号说明：

1-流场板；21-第一平行流道组第一公共通道；22-第一平行流道组第二公共通道；23-第二平行流道组第一公共通道；24-第二平行流道组第二公共通道；25-第三平行流道组第一公共通道；26-第三平行流道组第二公共通道；31-介质B进口公共通道；32-介质B出口公共通道；41-介质C进口公共通道；42-介质C出口公共通道；5-流道槽；6-流道脊；7-分组密封脊；8-流场密封脊；9-流场密封槽。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本发明的第一方面，提供了一种变截面串连平行流道流场板，所述流场板的流道区域为相互平行的流道脊和流道槽组成的平行流场，平行流场开口两端分别设有多个相邻的公共通道，公共通道的面积依次递减，公共通道之间由密封结构分隔，平行流场开口两端的公共通道对称分布，平行流场开口两端面积相同的公共通道之间形成一组平行流道组，平行流场开口一端的公共通道数量与平行流道组的数量相同，流场板可包含两个及以上的平行流道组，流场板上与平行流场流道脊和流道槽平行的两边缘设有其他介质的进口公共通道和出口公共通道。

在组成燃料电池电堆时，平行流场两端面积依次递减的公共通道通过电堆外部歧管进行连通，从大面积公共通道依据面积逐渐减小的方式交替连通，每上下游两个公共通道通过外部歧管连通后，都需通过下游公共通道对应的平行流道组与流道另一端的公共通道连通，从而形成不同平行流道组之间的串连。进一步地，所述连接上下游两个公共通道的外部歧管连接气水分离装置，实施气水分离。

进一步地，公共通道连通的方式包括以下两种：

(i)上游公共通道与异侧下游公共通道相连，该下游另一公共通道与其下游异侧公共通道相连，按此连接方式实施上下游公共通道的连通；该方式为优选连通方式；

(ii)上游公共通道与同侧下游公共通道相连，该下游另一公共通道与其下游同侧公共通道相连，按此连接方式实施上下游公共通道的连通。

本发明中，所述流场板的流道区域边缘设有流场密封脊，在组成燃料电池电堆时与膜电极边框形成接触密封。

本发明中，所述流场密封脊、其他介质进口公共通道和出口公共通道外围设有流场密封槽，与密封圈配合对流场板密封。

根据本发明的第二方面，提供了一种双极板组件，选用第一方面所述的变截面串连平行流道流场板作为阳极单板或阴极单板。

根据本发明的第三方面，提供了一种单电池，选用第一方面所述的变截面串连平行流道流场板作为阳极单板或阴极单板。

根据本发明的第四方面，提供了一种燃料电池电堆，选用第一方面所述的变截面串连平行流道流场板作为双极板组件中的阳极单板或阴极单板。

本发明所述一种燃料电池双极板组件包含燃料电池燃料、氧化剂和冷却剂三种介质的进出口通道，定义介质A、介质B、介质C可分别排列组合对应燃料电池燃料、氧化剂和冷却剂三种介质，本实施例中以介质A代表氧化剂、介质B代表燃料、介质C代表冷却剂为例进行说明。本实施例中将平行流场分为三组，也可分为两组及以上的任意多组。

流场板的结构可参阅图1。流场板1的流道区域为相互平行的流道脊6和流道槽5组成的平行流场，平行流场开口两端分别设有多个相邻的公共通道，公共通道的面积依次递减，公共通道之间由分组密封脊7分隔，平行流场开口两端的公共通道对称分布。平行流场开口两端面积相同的公共通道之间形成一组平行流道组，即平行流场开口一端的公共通道数量与平行流道组的数量相同，流场板可包含两个及以上的平行流道组。流场板上与平行流场流道脊6和流道槽5平行的两边缘设有其他介质的公共通道，包括介质B进口公共通道31、介质B出口公共通道32、介质C进口公共通道41和介质C出口公共通道42。在组成燃料电池电堆后，平行流场两端面积依次递减的公共通道通过电堆外部歧管进行连通，从大面积公共通道依据面积逐渐减小的方式交替连通，每上下游两个公共通道通过外部歧管连通后，都需通过下游公共通道对应的平行流道组与流道另一端的公共通道连通，从而形成不同平行流道组之间的串连。第一平行流道组第一公共通道21作为介质A的进口，第三平行流道组第二公共通道26作为介质A的出口，公共通道连通的方式有以下两种：

①第一平行流道组第二公共通道22与第二平行流道组第一公共通道23相连；第二平行流道组第二公共通道24与第三平行流道组第一公共通道25相连；

②第一平行流道组第二公共通道22与第二平行流道组第二公共通道24相连；第二平行流道组第一公共通道23与第三平行流道组第一公共通道25相连。

以上两种公共通道的连接方式的区别在于燃料电池电堆外部歧管结构形式不同。当平行流道方向与重力方向垂直时，第①种连接方式还可利用重力排水，是更推荐的连接方式。

本实施例中平行流道组共有三组，介质A从第一平行流道组第一公共通道21通过串连的三组平行流道组到达第三平行流道组第二公共通道26，每组平行流道组的流道数量逐渐减少，通过流道数量的调控可实现每组平行流道本征化学计量比的调控，达到每组平行流道组内的本征化学计量比基本相同，同时，统计从介质A入口到介质A出口的表观化学计量比，可以实现更低的表观化学计量比，提高电堆系统效益。因平行流道的流道数量与反应活性面积成正比，反应活性面积与介质消耗量成正比，因此假设1根流道代表介质A的消耗量为1SLPM。以连接方式①为例，如图1所示，连接第一平行流道组第一公共通道21的第一组平行流道组I的介质消耗量为12SLPM，若从第一平行流道组第一公共通道21向流道供给24SLPM的介质A，则通过第一组平行流道组Ⅰ后排出到第一平行流道组第二公共通道22的介质A的量为12SLPM，第二平行流道组第一公共通道23与第一平行流道组第二公共通道22连通，则进入第二组平行流道组Ⅱ的介质A的量为12SLPM，因第二组平行流道组Ⅱ反应活性区域更小，消耗6SLPM的介质A，则通过第二组平行流道组Ⅱ后排出到第二平行流道组第二公共通道24的介质A的量为6SLPM；以此类推，得到三组平行流道组的介质A消耗量和排出量如表1所示。三组平行流道组的反应活性面积之和为流场板总的反应活性面积，因此合计介质A通过流场板的消耗量为12+6+3＝21SLPM，另外，通入流场板1的介质A的流量为24SLPM，最后流出流场板1的介质A的流量为3SLPM。燃料电池电化学反应的化学剂量比的定义为(介质A消耗量+介质A排出量)/介质A消耗量，因此可以得到每组平行流道组的本征化学计量比和流场板1的表观化学计量比，如表1最后一列所示。可见通过流道数量逐渐减少的平行流道组的串连，达到了平衡反应活性面积内化学计量比的效果，使整个反应活性面积内都具有较高的化学计量比，有利于提高电化学反应性能，提高水管理效率；同时，实现了非常低的流场板表观计量比，降低了对循环泵、压缩机等的流量需求，提高了燃料电池的系统效益。

表1低计量比实现原理分析表

本发明所述流场板与同类型流场板或蛇形流场板、传统平行流场板及其他流场形式的流场板组合后，可形成双极板组件，实现介质A、介质B和介质C的流动分配，并与膜电极叠装可组成燃料电池电堆结构。流场密封脊8与膜电极边框形成接触密封，流场密封槽9可通过焊接密封实现双极板中间冷却流场的密封。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。