一种质子交换膜燃料电池双极板流场结构

摘要

本发明公开一种质子交换膜燃料电池双极板流场结构，其主要的创新设计点为：在双极板的电化学反应活性区域采用交错点阵结构的流畅，进而实现氢气、空气、冷却液流动速度均匀分布，能够提高电堆放电性能和可靠性，同时实现高效散热，保证质子交换膜燃料电池稳定运行。交错点阵的形状包括圆形点阵、矩形点阵和异形点阵。异性点阵采用流线型设计，最大程度降低流动阻力。交错点阵结构设计应经过计算流体力学和静力学仿真计算和试验验证，通过优化设计确定最佳的纵向间距、横向间距、点阵形状。

权利要求

1.一种质子交换膜燃料电池双极板流场结构，包括：板体，设置在所述板体上的空气进口、空气出口、氢气进口、氢气出口、冷却液进口、冷却液出口、以及电化学反应活性区域；所述电化学反应活性区域位于所述板体的中部，所述空气进口、所述氢气进口和所述冷却液进口位于所述电化学反应活性区域的一端，所述空气出口、所述氢气出口和所述冷却液出口位于所述电化学反应活性区域的另一端；对应所述电化学反应活性区域设有流场结构；

其特征在于，所述流场结构为由若干点阵单元构成的交错点阵结构，所述的交错点阵结构用于氢气、空气和冷却液流道；工作时，利用所述交错点阵结构来实现空气、氢气和冷却液流动速度的均匀分配；

所述交错点阵结构的交错形式为：各所述点阵单元沿所述冷却液进口到所述冷却液出口的方向保持一定间距，沿垂直于所述冷却液进口到所述冷却液出口的方向位置错开；

靠近所述冷却液进口所在端和靠近所述冷却液出口所在端的所述点阵单元采用渐变的点阵间距；越靠近所述板体的端部、点阵间距越大，越靠近所述板体的中心、点阵间距越小；

位于所述电化学反应活性区域中部的所述点阵单元为均匀点阵结构，该均匀点阵结构的点阵间距小于渐变点阵间距的最小值。

2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池双极板流场结构，其特征在于，所述点阵间距的渐变包括点阵每排所在方向上的间距渐变和/或点阵每列所在方向上的间距渐变。

3.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池双极板流场结构，其特征在于，靠近所述冷却液进口所在端和靠近所述冷却液出口所在端的所述点阵单元具有渐变的几何形状大小；越靠近所述板体的端部、点阵单元的几何形状越小，越靠近所述板体的中心、点阵单元的几何形状越大。

4.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池双极板流场结构，其特征在于，所述交错点阵结构为圆形点阵、矩形点阵或流线型设计的异形点阵。

5.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池双极板流场结构，其特征在于，所述板体为矩形板体，所述空气进口和所述空气出口沿所述板体的一个对角设置，所述氢气进口和所述氢气出口沿所述板体的另一个对角设置，所述冷却液进口位于所述空气进口和所述氢气进口之间，所述冷却液出口位于所述空气出口和所述氢气出口之间。

6.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池双极板流场结构，其特征在于，所述板体为金属板、石墨板或复合材料板，所述板体通过数控机床加工、模压或冲压浇铸方式制备而成。

7.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池双极板流场结构，其特征在于，所述交错点阵结构中，各所述点阵单元的形状、以及它们之间的间距是经过计算流体力学和静力学仿真计算和试验验证得到的。

说明书

一种质子交换膜燃料电池双极板流场结构

技术领域

[0001] 本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种新型质子交换膜燃料电池双极板流场结构。

背景技术

[0002] 燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的装置，与传统的热机相比，具有运行效率高、清洁无污染、噪音低等优点，有望解决能源系统的环境污染问题。目前，燃料
电池已经在汽车、无人机、固定式发电等领域开始推广应用，未来有广阔的应用前景。

[0003] 电堆是燃料电池的核心部件，由膜电极、双极板、集流板、端板等部件层叠而成。其中，双极板与膜电极直接接触，双极板的主要作用是传导电流和提供稳定均匀的流体供应。
质子交换膜燃料电池中的流体包括氢气、空气和冷却液，需要通过双极板流场结构的优化
设计使流动速度分布趋于均匀。如果氢气和空气流速分布不均匀，会影响局部的电化学反
应活性，导致电池单元的电流和电压不均匀，造成发热量不均匀和额外的能量损失。如果冷
却液流速分布不均匀，会导致单电池内部的温度分布不均匀，造成较大的局部热应力，影响
电堆输出性能和使用寿命。

[0004] 现有技术中，质子交换膜燃料电池的双极板常采用平行直流的结构。如一篇公开号为CN213278134U的中国实用新型专利公开一种大功率质子交换膜燃料电池双极板，该双
极板包括：位于所述双极板上的冷却流场，所述冷却流场的一端设置有空气入口、氢气出口
和冷却水入口，另一端设置有氢气入口、空气出口与冷却水出口，所述冷却流场位于双极板
中间，冷却流场的两端设置有分配点阵，所述分配点阵与冷却水入口、冷却水出口之间设置
有分配区域，所述分配点阵包括边缘点阵和导向点阵，所述导向点阵与冷却流场的平行直
流道倾斜设置，导向点阵的两侧设置有边缘点阵。

[0005] 上述现有专利提供的双极板结构简单易加工，其虽然设置了分配点阵，但是由于分配点阵只是设置在冷却流场的两端，而中部的主要冷却区域依然是平行直流结构；因而，
仍存在流体分配效果不佳、均匀度较低的问题。

发明内容

[0006] 针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种氢气、空气、冷却液流动速度分布更加均匀的新型质子交换膜燃料电池双极板流场结构，进而提高电堆放电性能和
可靠性，同时实现高效散热，保证质子交换膜燃料电池稳定运行。

[0007] 为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。

[0008] 一种质子交换膜燃料电池双极板流场结构，包括：板体，设置在所述板体上的空气进口、空气出口、氢气进口、氢气出口、冷却液进口、冷却液出口、以及电化学反应活性区域；
所述电化学反应活性区域位于所述板体的中部，所述空气进口、所述氢气进口和所述冷却
液进口位于所述电化学反应活性区域的一端，所述空气出口、所述氢气出口和所述冷却液
出口位于所述电化学反应活性区域的另一端；对应所述电化学反应活性区域设有流场结
构；其特征在于，所述流场结构为由若干点阵单元构成的交错点阵结构，所述的交错点阵结
构用于氢气、空气和冷却液流道；工作时，利用所述交错点阵结构来实现空气、氢气和冷却
液流动速度的均匀分配。

[0009] 更为优选的是，靠近所述冷却液进口所在端和靠近所述冷却液出口所在端的所述点阵单元采用渐变的点阵间距；越靠近所述板体的端部、点阵间距越大，越靠近所述板体的
中心、点阵间距越小。

[0010] 更为优选的是，所述点阵间距的渐变包括点阵每排所在方向上的间距渐变和/或点阵每列所在方向上的间距渐变。

[0011] 更为优选的是，位于所述电化学反应活性区域中部的所述点阵单元为均匀点阵结构，该均匀点阵结构的点阵间距小于渐变点阵间距的最小值。

[0012] 更为优选的是，靠近所述冷却液进口所在端和靠近所述冷却液出口所在端的所述点阵单元具有渐变的几何形状大小；越靠近所述板体的端部、点阵单元的几何形状越小，越
靠近所述板体的中心、点阵单元的几何形状越大。

[0013] 更为优选的是，所述交错点阵结构为圆形点阵、矩形点阵或流线型设计的异形点阵。

[0014] 更为优选的是，所述交错点阵结构的交错形式为：各所述点阵单元沿所述冷却液进口到所述冷却液出口的方向保持一定间距，沿垂直于所述冷却液进口到所述冷却液出口
的方向位置错开。

[0015] 更为优选的是，所述板体为矩形板体，所述空气进口和所述空气出口沿所述板体的一个对角设置，所述氢气进口和所述氢气出口沿所述板体的另一个对角设置，所述冷却
液进口位于所述空气进口和所述氢气进口之间，所述冷却液出口位于所述空气出口和所述
氢气出口之间。

[0016] 更为优选的是，所述板体为金属板、石墨板或复合材料板，所述板体通过数控机床加工、模压或冲压浇铸方式制备而成。

[0017] 更为优选的是，所述交错点阵结构中，各所述点阵单元的形状、以及它们之间的间距是经过计算流体力学和静力学仿真计算和试验验证得到的。

[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果。

[0019] 一、本发明提出一种质子交换膜燃料电池双极板流场结构，在双极板电化学反应活性区域采用交错点阵。交错点阵易于加工、流动速度分布均匀性好，实现了理想的流体分
配效果。对于氢气和空气，实现了反应气体的均匀分布，使燃料电池单电池内部电化学反应
速率一致。对于冷却液，交错点阵可以打破流体边界层，减小固相和液相之间的温差，显著
提高散热效率。同时，冷却液分配均匀实现了散热效能分布均匀，使燃料电池单电池内部温
度分布更均匀。经过试验验证，双极板内部流体分配均匀度>97%，燃料电池单电池内部最高
温度和最低温度之差<5℃；远远优于现有直流道流体分配均匀度的76%。

[0020] 二、本发明的双极板流场点阵采用不均匀分布，在流体进口和出口处点阵分布较为稀疏，最大程度的降低了流动阻力。经过试验验证，在燃料电池额定工况下，氢气和空气
流道进出口压差<30kPa，冷却液流道进出口压差<50kPa。

[0021] 三、本发明的双极板流场点阵形状经过仿真设计，可以采用圆形、矩形或者流线形的异形点阵，经过计算流体力学和静力学仿真及优化设计，不仅保证流体均匀分散，同时也
能够起到支撑双极板强度的作用，保护双极板不会在组装压力下变形破裂。

[0022] 四、本发明的双极板流场点阵关键参数包括点阵单元几何形状、点阵纵向间距、横向间距以及间距渐变趋势，可以用最少的参数定义一种设计方案，进行优化设计时可以最
小的试验和计算成本获得最优化设计方案。

[0023] 五、本发明的双极板流场采用交错点阵结构，加工较为简单，使用成本低。

附图说明

[0024] 图1所示为本发明提供的双极板流场结构的极板流场分区示意图。

[0025] 图2所示为本发明提供的双极板流场结构的圆形点阵结构图。

[0026] 图3所示为本发明提供的双极板流场结构的矩形点阵结构图。

[0027] 图4所示为本发明提供的双极板流场结构的水滴型点阵结构图。

[0028] 图5所示为现有的活性区域采用直流道的双极板中间截面流速分布图。

[0029] 图6所示为本发明提供的采用水滴形交错点阵的双极板中间截面流速分布图。

[0030] 附图标记说明。

[0031] 1：板体，2：空气进口，3：空气出口，4：氢气进口，5：氢气出口，6：冷却液进口，7：冷却液出口，8：电化学反应活性区域，9‑1/9‑2/9‑3：流场结构。

具体实施方式

[0032] 在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须
具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

[0033] 此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括
一个或者多个该特征，在本发明描述中，“至少”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具
体的限定。

[0034] 在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连
接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领
域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。

[0035] 在发明中，除非另有规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之
间的另外特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“上面”包括第一特征在第
二特征正上方和斜上方，或仅仅是表示第一特征水平高度高于第二特征的高度。第一特征
在第二特征“之上”、“之下”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表
示第一特征水平高度低于第二特征。

[0036] 下面结合说明书的附图，对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解
释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0037] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

[0038] 如图1所示，本发明提供的一种质子交换膜燃料电池双极板流场结构，包括：板体1，设置在所述板体1上的空气进口2、空气出口3、氢气进口4、氢气出口5、冷却液进口6、冷却
液出口7、以及电化学反应活性区域8，所述电化学反应活性区域8位于所述板体1的中部，对
应所述电化学反应活性区域8设有流场；所述空气进口2、所述氢气进口4和所述冷却液进口
6位于所述电化学反应活性区域8的一端，所述空气出口3、所述氢气出口5和所述冷却液出
口7位于所述电化学反应活性区域8的另一端。

[0039] 其中，所述板体1为矩形板体，所述空气进口2和所述空气出口3沿所述板体1的一个对角设置，所述氢气进口4和所述氢气出口5沿所述板体1的另一个对角设置，所述冷却液
进口6位于所述空气进口2和所述氢气进口4之间，所述冷却液出口7位于所述空气出口3和
所述氢气出口5之间。这样设置可以起到更好的散热效果。

[0040] 本发明的一个重要创新设计在于，位于所述电化学反应活性区域8上的流场采用交错点阵结构来代替传统的平行直流结构，点阵的形状可以采用圆形点阵、矩形点阵或者
流线型的异形点阵。

[0041] 交错点阵结构的具体设计形式为：各点阵单元沿所述冷却液进口6到所述冷却液出口7的方向保持一定间距，沿垂直于所述冷却液进口6到所述冷却液出口7的方向位置错
开。

[0042] 工作时，利用交错点阵来实现整个电化学反应活性区域8上的流体分配，对于氢气和空气，实现了反应气体的均匀分布，使燃料电池单电池内部电化学反应速率一致。对于冷
却液，交错点阵可以打破流体边界层，减小固相和液相之间的温差，显著提高散热效率。同
时，冷却液分配均匀实现了散热效能分布均匀，使燃料电池单电池内部温度分布更均匀。经
过试验验证，利用本发明提供的交错点阵来实现电化学反应活性区域8上的流体分布，可使
板体1内部流体分配均匀度>97%，燃料电池单电池内部最高温度和最低温度之差<5℃，在燃
料电池额定工况下，氢气和空气流道进出口压差<30kPa，冷却液流道进出口压差<50kPa。

[0043] 下面结合三种实施例说明本发明的使用方法。

[0044] 实施例1。

[0045] 如图2所示，一种质子交换膜燃料电池双极板流场结构，包括：板体1，设置在所述板体1上的空气进口2、空气出口、氢气进口4、氢气出口、冷却液进口6、冷却液出口、以及电
化学反应活性区域8，对应所述电化学反应活性区域8设有流场结构9‑1；所述流场结构9‑1
采用圆形交错点阵结构。

[0046] 其中，位于所述电化学反应活性区域8两端的所述圆形交错点阵结构采用渐变的点阵间距，越靠近进口或出口的一侧、点阵间距越大，越靠近所述板体1中心的一侧、点阵间
距越小。

[0047] 本实施例中，点阵间距的渐变，既包括横向间距H0的渐变，也包括纵向间距V0的渐变。显然，本领域技术人员根据实际需要的不同，可以将向间距H0、纵向间距V0中的一个设
置成渐变结构；不限于本实施例。

[0048] 作为渐变结构的一种变换实施方式，还可以将圆形点阵单元的半径设置成渐变形式，能起到类似的技术效果。

[0049] 本实施例中，位于所述电化学反应活性区域8中间的所述圆形交错点阵结构为均匀点阵结构。即，横向间距H1、纵向间距V1保持不变。并且，横向间距H1小于最小的横向间距
H0，纵向间距V1小于最小的纵向间距V0。

[0050] 需要说明的是，圆形交错点阵结构的各种参数设计，如H0、V0、H1、V1的取值和圆形点阵单元半径的取值等，均是本领域技术人员以流动阻力最小、温度分布最均匀为优化设
计目标，通过优化设计获得的。优化设计方法包括仿真计算优化或者实验优化，仿真计算优
化成本更低。至于具体的仿真计算优化或者实验优化方法为本领域技术人员所掌握的普通
技术知识，这里不再详细赘述。

[0051] 实施例2。

[0052] 如图3所示，一种质子交换膜燃料电池双极板流场结构，包括：板体1，设置在所述板体1上的空气进口2、空气出口、氢气进口4、氢气出口、冷却液进口6、冷却液出口、以及电
化学反应活性区域8，对应所述电化学反应活性区域8设有流场结构9‑2；所述流场结构9‑2
采用矩形交错点阵结构。

[0053] 其中，位于所述电化学反应活性区域8两端的所述矩形交错点阵结构采用渐变的点阵间距，越靠近进口或出口的一侧、点阵间距越大，越靠近所述板体1中心的一侧、点阵间
距越小。

[0054] 本实施例中，点阵间距的渐变，既包括横向间距H0的渐变，也包括纵向间距V0的渐变。显然，本领域技术人员根据实际需要的不同，可以将向间距H0、纵向间距V0中的一个设
置成渐变结构；不限于本实施例。

[0055] 作为渐变结构的一种变换实施方式，还可以将矩形点阵单元的长度、宽度值设置成渐变形式，能起到类似的技术效果。

[0056] 本实施例中，位于所述电化学反应活性区域8中间的所述矩形交错点阵结构为均匀点阵结构。即，横向间距H1、纵向间距V1保持不变。并且，横向间距H1小于最小的横向间距
H0，纵向间距V1小于最小的纵向间距V0。

[0057] 需要说明的是，矩形交错点阵结构的各种参数设计，如H0、V0、H1、V1的取值和矩形点阵单元的长度、宽度的取值等，均是本领域技术人员以流动阻力最小、温度分布最均匀为
优化设计目标，通过优化设计获得的。优化设计方法包括仿真计算优化或者实验优化，仿真
计算优化成本更低。至于具体的仿真计算优化或者实验优化方法为本领域技术人员所掌握
的普通技术知识，这里不再详细赘述。

[0058] 实施例3。

[0059] 如图4所示，一种质子交换膜燃料电池双极板流场结构，包括：板体1，设置在所述板体1上的空气进口2、空气出口、氢气进口4、氢气出口、冷却液进口6、冷却液出口、以及电
化学反应活性区域8，对应所述电化学反应活性区域8设有流场结构9‑3；所述流场结构9‑3
采用水滴形交错点阵结构。

[0060] 其中，位于所述电化学反应活性区域8两端的所述水滴形交错点阵结构采用渐变的点阵间距，越靠近进口或出口的一侧、点阵间距越大，越靠近所述板体1中心的一侧、点阵
间距越小。

[0061] 本实施例中，点阵间距的渐变，既包括横向间距H0的渐变，也包括纵向间距V0的渐变。显然，本领域技术人员根据实际需要的不同，可以将向间距H0、纵向间距V0中的一个设
置成渐变结构；不限于本实施例。

[0062] 作为渐变结构的一种变换实施方式，还可以将水滴形点阵单元的几何形状设置成渐变形式，能起到类似的技术效果。

[0063] 本实施例中，位于所述电化学反应活性区域8中间的所述水滴形交错点阵结构为均匀点阵结构。即，横向间距H1、纵向间距V1保持不变。并且，横向间距H1小于最小的横向间
距H0，纵向间距V1小于最小的纵向间距V0。

[0064] 需要说明的是，水滴形交错点阵结构的各种参数设计，如H0、V0、H1、V1的取值和水滴形点阵单元的几何形状设计（对水滴形点阵单元的外轮廓进行样条曲线拟合）等，均是本
领域技术人员以流动阻力最小、温度分布最均匀为优化设计目标，通过优化设计获得的。优
化设计方法包括仿真计算优化或者实验优化，仿真计算优化成本更低。至于具体的仿真计
算优化或者实验优化方法为本领域技术人员所掌握的普通技术知识，这里不再详细赘述。

[0065] 另外需要说明的是，本领域技术人员还可以采用流线型设计的其他异形交错点阵结构来代替水滴形交错点阵结构，只要能最大程度降低流动阻力即可，不限于本实施例。

[0066] 对比实验。

[0067] 为更好体现本发明的进步性，下面分别对本发明提供的交错点阵流场结构和现有技术中的直流道流场结构进行中间截面流速分布实验。

[0068] 图5所示为一种活性区域采用直流道的双极板中间截面流速分布图，流速分布呈W形，流动分配均匀度达到76%。图6所示为本发明提供的一种采用水滴形交错点阵的双极板
中间截面流速分布图，流动分配均匀度获得显著改善，达到97%。

[0069] 通过上述的结构和原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发
明的保护范围，本发明的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。具体实施方式中
未阐述的部分均为现有技术或公知常识。