一种双极板流场、双极板与燃料电池

技术领域

本发明属于燃料电池领域，涉及一种双极板流场、双极板与燃料电池。

背景技术

燃料电池具有清洁环保和可再生的优良特性，其在新能源领域的发展中逐渐占据重要地位，使其成为最具研究和发展价值的新能源技术。

现如今，燃料电池行业追求更高功率及更大能量密度的发展目标，其中的关键技术问题是，如何构建并实现更大的有效面积。由于流体在较大的有效面积上的分布和扩散效果不均一，而容易造成有效区域内的实际反应放电效果在各部位不均衡，故单纯增加极板模块面积并不能有效改善燃料电池的性能，还需要对流体的分布和扩散效果进行优化，以使得反应区域内各部位的温度、压力、湿度条件等更加平衡，从而有效提升燃料电池的性能。

CN111446464A公开了一种燃料电池双极板，包括双极板本体，双极板本体用于与膜电极正对的一面设置有流场结构，流场结构包括若干相互平行排布的蜿蜒流道，每个蜿蜒流道的流道沟槽的每个蜿蜒周期内设置有至少一个梯形凸起，梯形凸起包括迎坡面、背坡面和坡顶面，坡顶面与流道沟槽的底面平行。应用上述燃料电池双极板，能够提高双极板的传质能力，降低浓差极化，提升燃料电池大电流密度低化学计量比下的传质性能，同时，垂直于双极板本体的反应气速度分量有利于提高双极板的脊下氧浓度，继而改善燃料电池内部的水热分布，提升燃料电池性能。

CN109509896A公开了一种提高燃料电池双极板波浪形流道流场有效面积的流场结构，通过在分布于波浪形流道流场两侧的电化学反应弱化区设置与波浪形流道仿形的类半月形凸台及其周围的流道，使电化学反应弱化区具有与燃料电池主体流场相同程度的电化学反应。通过该发明可以提高双极板波浪形流道流场的有效面积，通过每个燃料电池电化学反应弱化区的减少来提高有效电化学反应面积。

以上方案均能实现在增加有效面积的同时，保证传质、分布及扩散效果的均一性，但所提供的方案中的流场需要增设额外的微小结构，如梯形凸起或半月形凸台，这些小结构的设置增加了极板制造的复杂度及成本，不能更好地实现低成本大规模应用，因此，尚需要开发一种新的技术方案，以利用流场自身的结构改进实现流体的分布和扩散效果的优化，从而提升燃料电池性能。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种双极板流场、双极板及燃料电池，所述双极板流场从进气端到出气端至少分为三个子流场区；相邻两个所述子流场区之间设置有过渡区，且靠近进气端的子流场区的流道宽度大于靠近出气端的子流场区的流道宽度；从所述进气端到所述出气端，所述双极板流场的流道深度逐渐减小。本发明通过将流场分为多个子区域并使流道从宽到窄，由深到浅多级变化，来对流体多次重新分流，使得气体在消耗的过程中仍能保持较高的压力，同时不同区域的反应消耗量、温度及产水量等的不同所造成的差异问题，因重新分配得以恢复均匀，保证了流场在提高有效面积的同时能具有优异的气体分布和扩散一致性，从而使燃料电池的性能得到进一步优化。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种双极板流场，所述双极板流场从进气端到出气端至少分为三个子流场区；相邻两个所述子流场区之间设置有过渡区，且靠近进气端的子流场区的流道宽度大于靠近出气端的子流场区的流道宽度；从所述进气端到所述出气端，所述双极板流场的流道深度逐渐减小。

本发明所提供的流场从进气端到出气端分为多个子流场区，以使流场区域能够进行多次重新分流，使得原本从进气端均匀分布进入流场的气体因不同区域的反应消耗量、温度分布、产水量不同所造成的差异在经过多次重新分配后得以恢复均匀。具体地，从流场的进气端到出气端，流道设计成在子流场区之间从宽到窄多级变化，来自上一个子流场区的气体在过渡区打散以重新分配，再进入具有更窄流道的下一个子流场区，保证气体消耗一部分之后仍能保持较高的压力；流场从进气端到出气端，流道设计成由深逐渐变浅，流道截面积逐渐变小，也能进一步保证气体逐渐被消耗的同时仍能保持较高的压力；通过以上的配合，保证了流场在提高有效面积的同时能具有优异的气体分布和扩散一致性，从而使燃料电池的性能得到进一步优化。

以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。

作为本发明优选的技术方案，所述子流场区的数量为3～6个，例如3个、4个、5个或6个。

优选地，沿气体流动方向，每个所述子流场区的长度相同。

作为本发明优选的技术方案，每个所述子流场区的流道类型相同。

优选地，所述流道类型包括直线型流道、蜿蜒型流道或蛇形流道中的任意一种或至少两种的组合，优选为蜿蜒型流道。

优选地，在一个所述子流场区的内部，各个流道互相平行且流道宽度相同。

作为本发明优选的技术方案，从所述进气端到所述出气端，所述双极板流场的脊高度逐渐降低，使得所述流道深度逐渐减小。

优选地，所述双极板流场同时设置于双极板的阳极面及阴极面。

优选地，所述阳极面及所述阴极面上各自的双极板流场的脊高度的变化趋势相同，且流道深度的变化趋势相同，使所述双极板流场的整体厚度均匀一致。

从双极板的一端到另一端，阳极面上的流场的进气端对应阴极面上的流场的出气端、阳极面上的流场的出气端对应阴极面上的流场的进气端，因此保持阴极面和阳极面的脊高度及流道深度的变化趋势相同时，可以使双极板的厚度从一端到另一端完全相同，保证整个双极板流畅区域厚度的均匀。

优选地，所述阳极面上的流道宽度的极差大于所述阴极面上的流道宽度的极差。

所述极差指同一侧面上，流道宽度的最大值与流道宽度的最小值之差，因流道宽度在子流场区之间由进气端到出气端逐渐变小，因此，所述极差即为最靠近进气端的子流场区的流道宽度减去最靠近出气端的子流场区的流道宽度。本发明发现，在阳极面的流场(氢气流场)的流场宽窄差异更大，阴极面的流场(空气流场)的流场宽窄差异较小时，燃料电池具有更好的性能。

作为本发明优选的技术方案，所述双极板流场中，最靠近进气端的子流场区的流道宽度为1～1.4mm，例如1mm、1.02mm、1.04mm、1.06mm、1.08mm、1.1mm、1.12mm、1.14mm、1.16mm、1.18mm、1.2mm、1.22mm、1.24mm、1.26mm、1.28mm、1.3mm、1.32mm、1.34mm、1.36mm、1.38mm或1.4mm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述双极板流场中，最靠近出气端的子流场区的流道宽度为0.7～0.9mm，例如0.7mm、0.72mm、0.74mm、0.76mm、0.78mm、0.8mm、0.82mm、0.84mm、0.86mm、0.88mm或0.9mm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述双极板流场中，最靠近出气端的子流场区的流道宽度为最靠近进气端的子流场区的流道宽度的50％～70％，例如50％、52％、54％、56％、58％、60％、62％、64％、66％、68％或70％等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本发明优选的技术方案，所述双极板流场中，所述流道深度的最大值为0.6～1mm，例如0.6mm、0.62mm、0.64mm、0.66mm、0.68mm、0.7mm、0.72mm、0.74mm、0.76mm、0.78mm、0.8mm、0.82mm、0.84mm、0.86mm、0.88mm、0.9mm、0.86mm、0.88mm、0.9mm、0.92mm、0.94mm、0.96mm、0.98mm或1mm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述双极板流场中，所述流道深度的最小值为0.1～0.3mm，例如0.1mm、0.12mm、0.14mm、0.16mm、0.18mm、0.2mm、0.22mm、0.24mm、0.26mm、0.28mm或0.3mm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述双极板流场中，所述流道深度的最小值为所述流道深度的最大值的20％～30％，例如20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％或30％等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本发明优选的技术方案，所述双极板流场中，脊宽度为0.8～1.2mm，例如0.8mm、0.82mm、0.84mm、0.86mm、0.88mm、0.9mm、0.92mm、0.94mm、0.96mm、0.98mm、1mm、1.02mm、1.04mm、1.06mm、1.08mm、1.1mm、1.12mm、1.14mm、1.16mm、1.18mm或1.2mm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述子流场区内的脊宽度与所在子流场区的流道宽度相同。

作为本发明优选的技术方案，所述过渡区的结构包括凸点点阵。

优选地，沿气体流动方向，所述凸点点阵至少包括互相交错设置的两列凸点。

优选地，所述凸点点阵中每个凸点的直径相同。

优选地，所述凸点点阵中，凸点的直径小于等于相邻的两个子流场区的流道宽度的最大值，大于等于相邻的两个子流场区的最小值。

优选地，所述凸点点阵中，凸点的直径为0.8～1.2mm，例如0.8mm、0.82mm、0.84mm、0.86mm、0.88mm、0.9mm、0.92mm、0.94mm、0.96mm、0.98mm、1mm、1.02mm、1.04mm、1.06mm、1.08mm、1.1mm、1.12mm、1.14mm、1.16mm、1.18mm或1.2mm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，在每一列凸点中，相邻的两个凸点之间的间隔相同。

优选地，在每一列凸点中，相邻的两个凸点之间的间隔等于凸点的直径。

优选地，在每一列凸点中，相邻的两个凸点之间的间隔为0.8～1.2mm，例如0.8mm、0.82mm、0.84mm、0.86mm、0.88mm、0.9mm、0.92mm、0.94mm、0.96mm、0.98mm、1mm、1.02mm、1.04mm、1.06mm、1.08mm、1.1mm、1.12mm、1.14mm、1.16mm、1.18mm或1.2mm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

第二方面，本发明提供了一种双极板，所述双极板含有第一方面所述的双极板流场。

第三方面，本发明提供了一种燃料电池，所述燃料电池含有第三方面所述的双极板。

与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：

(1)本发明通过将流场分为多个子区域并使流道从宽到窄，由深到浅多级变化，来对流体多次重新分流，使得气体在消耗的过程中仍能保持较高的压力，同时不同区域的反应消耗量、温度及产水量等的不同所造成的差异问题，因重新分配得以恢复均匀，保证了流场在提高有效面积的同时能具有优异的气体分布和扩散一致性，从而使燃料电池的性能得到进一步优化；

(2)本发明所述流场可以同时设置于双极板的阳极面与阴极面，且保持阴极面和阳极面的脊高度及流道深度的变化趋势相同时，可以使双极板的厚度从一端到另一端完全相同，保证整个双极板流畅区域厚度的均匀；

(3)本发明通过将阳极面的氢气流场的流场宽窄差异设置得较大，将阴极面的空气流场的流场宽窄差异设置得较小，可以进一步提升燃料电池的性能。

附图说明

图1是实施例1所述双极板流场的主视示意图；

图2是实施例1所述双极板流场沿气体流动方向的剖面示意图；

图3是实施例2所述双极板流场沿气体流动方向的剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例1

本实施例提供了一种双极板流场及含有其的双极板，所述双极板流场设置于双极板的一侧的表面；

所述双极板流场的示意图如图1所示，所述双极板流场从进气端到出气端分为三个长度相同的子流场区，分别为第一子流场区、第二子流场区及第三子流场区；相邻两个所述子流场区之间设置有过渡区，其中，第一子流场区与第二子流场区之间的过渡区为第一过渡区，第二子流场区及第三子流场区之间的过渡区为第二过渡区；

所述第一子流场区、第二子流场区及第三子流场区的流道均为蜿蜒型流道；所述第一子流场区的内部，各个流道互相平行且流道的宽度均为1.2mm，脊宽度均为1.2mm；所述第二子流场区的内部，各个流道互相平行且流道的宽度均为1mm，脊宽度均为1mm；所述第三子流场区的内部，各个流道互相平行且流道的宽度均为0.8mm，脊宽度均为0.8mm；图2为所述双极板流场沿气体流动方向的剖面示意图，该剖面将各个子流场区内的脊沿其中轴线切开，因流道为蜿蜒流道，故脊此时被分割为不连续的结构，从图中可以看出，从进气端到出气端，所述双极板流场的脊高度逐渐降低，使得所述流道的深度由0.8mm逐渐减小到0.2mm；

所述第一过渡区为凸点点阵，沿气体流动方向，所述凸点点阵包括互相交错设置的两列凸点，每个凸点的直径相同均为1.2mm，在每一列凸点中，相邻的两个凸点之间的间隔相同均为1.2mm；所述第二过渡区为凸点点阵，沿气体流动方向，所述凸点点阵包括互相交错设置的两列凸点，每个凸点的直径相同均为0.8mm，在每一列凸点中，相邻的两个凸点之间的间隔相同均为0.8mm。

实施例2

本实施例提供了一种双极板流场及含有其的双极板，所述双极板流场同时设置于双极板的阳极面及阴极面；

所述双极板每一个面上的所述双极板流场从进气端到出气端均分为四个长度相同的子流场区，分别为第一子流场区、第二子流场区、第三子流场区及第四子流场区；相邻两个所述子流场区之间设置有过渡区，其中，第一子流场区与第二子流场区之间的过渡区为第一过渡区，第二子流场区及第三子流场区之间的过渡区为第二过渡区，第三子流场区及第四子流场区之间的过渡区为第三过渡区；

所述第一子流场区、第二子流场区、第三子流场区及第四子流场区的流道均为蜿蜒型流道；所述第一子流场区的内部，各个流道互相平行且流道的宽度均为1.2mm，脊宽度均为1.2mm；所述第二子流场区的内部，各个流道互相平行且流道的宽度均为1mm，脊宽度均为1mm；所述第三子流场区的内部，各个流道互相平行且流道的宽度均为0.8mm，脊宽度均为0.8mm；所述第四子流场区的内部，各个流道互相平行且流道的宽度均为0.7mm，脊宽度均为0.7mm；图3为所述双极板流场沿气体流动方向的剖面示意图，该剖面将各个子流场区内的脊沿其中轴线切开，因流道为蜿蜒流道，故脊此时被分割为不连续的结构，从图中可以看出，在双极板的阴极面及阳极面上，所述双极板流场的脊高度均从进气端到出气端逐渐降低，使得所述流道的深度由1mm逐渐减小到0.3mm；且阳极面及阴极面上各自的脊高度及流道深度的变化趋势均相同，使得所述双极板流场的整体厚度均匀一致；

所述第一过渡区为凸点点阵，沿气体流动方向，所述凸点点阵包括互相交错设置的三列凸点，每个凸点的直径相同均为1.2mm，在每一列凸点中，相邻的两个凸点之间的间隔相同均为1.2mm；所述第二过渡区为凸点点阵，沿气体流动方向，所述凸点点阵包括互相交错设置的两列凸点，每个凸点的直径相同均为1mm，在每一列凸点中，相邻的两个凸点之间的间隔相同均为1mm；所述第三过渡区为凸点点阵，沿气体流动方向，所述凸点点阵包括互相交错设置的两列凸点，每个凸点的直径相同均为0.8mm，在每一列凸点中，相邻的两个凸点之间的间隔相同均为0.8mm。

实施例3

本实施例提供了一种双极板流场及含有其的双极板，所述双极板流场同时设置于双极板的阳极面及阴极面；

在双极板的阴极面上，所述双极板流场从进气端到出气端均分为三个长度相同的子流场区，分别为第一子流场区、第二子流场区及第三子流场区；相邻两个所述子流场区之间设置有过渡区，其中，第一子流场区与第二子流场区之间的过渡区为第一过渡区，第二子流场区及第三子流场区之间的过渡区为第二过渡区；

所述第一子流场区、第二子流场区及第三子流场区的流道均为直线型流道；所述第一子流场区的内部，各个流道互相平行且流道的宽度均为1.4mm，脊宽度均为1.4mm；所述第二子流场区的内部，各个流道互相平行且流道的宽度均为1.2mm，脊宽度均为1.2mm；所述第三子流场区的内部，各个流道互相平行且流道的宽度均为0.9mm，脊宽度均为0.9mm；在双极板的阴极面及阳极面上，所述双极板流场的脊高度均从进气端到出气端逐渐降低，使得所述流道的深度由0.6mm逐渐减小到0.12mm；

所述第一过渡区为凸点点阵，沿气体流动方向，所述凸点点阵包括互相交错设置的两列凸点，每个凸点的直径相同均为1.2mm，在每一列凸点中，相邻的两个凸点之间的间隔相同均为1.2mm；所述第二过渡区为凸点点阵，沿气体流动方向，所述凸点点阵包括互相交错设置的两列凸点，每个凸点的直径相同均为0.9mm，在每一列凸点中，相邻的两个凸点之间的间隔相同均为0.9mm；

在双极板的阳极面上，所述双极板流场从进气端到出气端均分为三个长度相同的子流场区，分别为第一子流场区、第二子流场区及第三子流场区；相邻两个所述子流场区之间设置有过渡区，其中，第一子流场区与第二子流场区之间的过渡区为第一过渡区，第二子流场区及第三子流场区之间的过渡区为第二过渡区；

所述第一子流场区、第二子流场区及第三子流场区的流道均为直线型流道；所述第一子流场区的内部，各个流道互相平行且流道的宽度均为1.4mm，脊宽度均为1.4mm；所述第二子流场区的内部，各个流道互相平行且流道的宽度均为1mm，脊宽度均为1mm；所述第三子流场区的内部，各个流道互相平行且流道的宽度均为0.7mm，脊宽度均为0.7mm；在双极板的阴极面及阳极面上，所述双极板流场的脊高度均从进气端到出气端逐渐降低，使得所述流道的深度由0.6mm逐渐减小到0.12mm；且阳极面及阴极面上各自的脊高度及流道深度的变化趋势均相同，使得所述双极板流场的整体厚度均匀一致；

所述第一过渡区为凸点点阵，沿气体流动方向，所述凸点点阵包括互相交错设置的两列凸点，每个凸点的直径相同均为1.2mm，在每一列凸点中，相邻的两个凸点之间的间隔相同均为1.2mm；所述第二过渡区为凸点点阵，沿气体流动方向，所述凸点点阵包括互相交错设置的两列凸点，每个凸点的直径相同均为0.9mm，在每一列凸点中，相邻的两个凸点之间的间隔相同均为0.9mm。

对比例1

本对比例提供了一种双极板流场及含有其的双极板，所述双极板流场设置于双极板的一侧的表面；

所述双极板流场从进气端到出气端分为三个长度相同的子流场区，分别为第一子流场区、第二子流场区及第三子流场区；相邻两个所述子流场区之间设置有过渡区，其中，第一子流场区与第二子流场区之间的过渡区为第一过渡区，第二子流场区及第三子流场区之间的过渡区为第二过渡区；

所述第一子流场区、第二子流场区及第三子流场区的流道均为蜿蜒型流道；所述第一子流场区、第二子流场区及第三子流场区的内部的各个流道互相平行且流道的宽度均为1.2mm，脊宽度均为1.2mm；从进气端到出气端，所述双极板流场的脊高度逐渐降低，使得所述流道的深度由0.8mm逐渐减小到0.2mm；

所述第一过渡区及所述第二过渡区均为凸点点阵，沿气体流动方向，所述凸点点阵包括互相交错设置的两列凸点，每个凸点的直径相同均为1.2mm，在每一列凸点中，相邻的两个凸点之间的间隔相同均为1.2mm。

对比例2

本对比例提供了一种双极板流场及含有其的双极板，所述双极板流场设置于双极板的一侧的表面；

所述双极板流场从进气端到出气端分为三个长度相同的子流场区，分别为第一子流场区、第二子流场区及第三子流场区；相邻两个所述子流场区之间设置有过渡区，其中，第一子流场区与第二子流场区之间的过渡区为第一过渡区，第二子流场区及第三子流场区之间的过渡区为第二过渡区；

所述第一子流场区、第二子流场区及第三子流场区的流道均为蜿蜒型流道；所述第一子流场区、第二子流场区及第三子流场区的内部的各个流道互相平行且流道的宽度均为0.8mm，脊宽度均为0.8mm；从进气端到出气端，所述双极板流场的脊高度逐渐降低，使得所述流道的深度由0.8mm逐渐减小到0.2mm；

所述第一过渡区及所述第二过渡区均为凸点点阵，沿气体流动方向，所述凸点点阵包括互相交错设置的两列凸点，每个凸点的直径相同均为0.8mm，在每一列凸点中，相邻的两个凸点之间的间隔相同均为0.8mm。

对比例3

本对比例提供了一种双极板流场及含有其的双极板，所述双极板流场设置于双极板的一侧的表面，所述双极板流场中从进气端到出气端，所述双极板流场的脊高度不发生改变均为0.8mm，且流道深度不发生变化，除此之外，其他条件与实施例1完全相同。

对比例4

本对比例提供了一种双极板流场及含有其的双极板，所述双极板流场设置于双极板的一侧的表面，所述双极板流场中从进气端到出气端，所述双极板流场的脊高度不发生改变均为0.2mm，且流道深度不发生变化，除此之外，其他条件与实施例1完全相同。

对比例5

本对比例提供了一种双极板流场及含有其的双极板，所述双极板流场设置于双极板的一侧的表面，所述双极板流场不设置过渡区，除此之外，其他条件与实施例1完全相同。

将实施例及对比例所得双极板组装为燃料电池，并在下列条件下测试对比，所得结果记录于表1。

实验条件：

电流密度2A/cm

表1

由表1可以看出：

本发明通过设置多个宽度逐级递减的子流场比仅使用单个流场的电池放电性能有显著提升，且流道深度从进气端到出气端逐渐递减会使电池放电性能有显著提升；与对比例5相比，实施例1通过多个气体重新分配的过渡区使电池放电性能有提升；实施例2通过设置四级子流场比实施例1的三级子流场有更显著的改善气体分布和气压分布并提升性能的效果；实施例3因使用直型流道，其比蜿蜒流道有更小的气体流阻，且通过将阴极面(空气侧)的流道宽度变化量设置得比阳极面更小，有利于排出反应产生的水。

本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。