一种多区域变截面的流场板、双极板组件以及燃料电池电堆的制作方法

本发明涉及燃料电池，特别涉及一种多区域变截面的平行流道流场板、双极板组件以及燃料电池电堆。

背景技术：

1、燃料电池是通过电化学反应将氢气和氧气的化学能转化为电能和热能，其能量转换过程中没有传统的燃烧过程，能量转换效率高，而且反应物为水，是一种清洁能源的高效转换。

2、燃料电池双极板是燃料电池的核心组件，主要用于支撑膜电极、分配气体、导电导热以及排除反应物。在传统的流场板设计中，流通界面恒定，随着反应介质的消耗，沿流道方向上的气体浓度和压力逐渐降低，导致燃料电池的电化学性能下降。此外，传统流场板通常流道较长，流阻较大，大多数流场板的流阻大于20kpa，容易形成局部水淹，影响燃料电池的极化性能和使用寿命。

3、为解决上述问题，现有技术中提出了多种改进方案，例如变截面流道设计、多通道蛇形流场等。然而，这些方案要么导致流阻增大，不利于排水；要么需要复杂的歧管结构串联，增加了电堆的设计难度和成本。因此，亟需一种既能降低流阻、又能保持反应介质浓度和压力均匀的流场板结构。

技术实现思路

1、本发明主要解决的技术问题是提供一种多区域变截面的平行流道流场板、双极板组件以及燃料电池电堆，通过将平行流场分区并利用低阻公共流道串联，逐步减少流通面积，使整个流场区域的反应介质的浓度和压力不随介质的消耗而降低；同时显著降低整个流场内的流阻，改善燃料电池的排水能力，提高性能和可靠性。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种多区域变截面的流场板，包括：

3、流道区域，为相互平行的流道和流道脊构成的平行流场；

4、分区的脊，设置在所述平行流场区域内，将所述平行流场区域分隔为至少两个分区；

5、多个公共通道，设置在所述平行流场区域的两端，且呈非对称分布，所述公共通道串联所述分区，形成完整的流场回路；

6、其中，各分区的流体流通截面积沿流动方向依次减小或保持相等；

7、所述公共通道的流阻比所述流道的流阻小1～2个数量级。

8、在本发明一个较佳实施例中，所述流道为直流道或s形状的弯曲流道或其他形状的流道；所述公共通道在所述平行流场的两端呈交错分布，使得流体在相邻分区之间交替换向，形成往复折返的流动路径。

9、在本发明一个较佳实施例中，所述公共通道包括起始通道和中间公共通道；所述起始通道为单独的流体进入或流出通道；所述中间公共通道同时连接相邻的两个分区，使该两个分区的流体串联流通；位于所述平行流场两端的公共通道共同连接同一个分区，使三个分区的流体串联流通。

10、在本发明一个较佳实施例中，还包括过桥区结构，所述过桥区结构位于所述流道区域的相反侧，包括过桥区流道槽以及与所述公共通道和所述平行流场区域连通的流体进出口，用于将流体从所述公共通道引导至所述平行流场区域，以实现分区间的串联。

11、在本发明一个较佳实施例中，所述分区的脊上设有脊截断口，用于导通相邻分区，流体能够从一个分区流入相邻分区。

12、在本发明一个较佳实施例中，所有公共通道和流道槽均设置于所述流场板的同一侧面，流体在各分区之间通过公共通道直接转向。

13、在本发明一个较佳实施例中，相邻分区的流体流通截面积之比为0.85～0.98；所述流场板的整体流阻小于10kpa。

14、在本发明一个较佳实施例中，所述公共通道和所述分区的边缘设有密封脊，所述流场板上设有流场密封槽，用于在组成燃料电池电堆时实现密封。

15、本发明采用的另一个技术方案是：提供一种包括至少一块上述任一项所述的流场板，作为阳极单板和/或阴极单板。

16、本发明采用的另一个技术方案是：提供一种包括多个上述的双极板组件，及膜电极组件。

17、本发明的有益效果是：本发明通过分区域设计，被公共流道划分出的各个区域的流体截面积依次减少或保持相等，避免了因反应介质消耗造成的浓度降低和压力下降。连接不同分区的公共流道，在电堆中会再次平衡不同位置极板的气体浓度，使电堆的性能更加均衡。

18、本发明的流场板流阻极低，易于将流场内生成的液态水排出。多区域的设计通过公共流道串联，大部分液态水在公共流道中汇集，可在进入下一区段前对反应介质进行加湿；过多的液态水可通过在电堆公共流道端口增设导水管控制排出。

19、本发明的多区域变截面平行流场板可降低化学计量比的要求，进而降低循环泵或压缩机的功率消耗，提高燃料电池系统的利用率。

20、本发明通过公共流道将流场划分为多个区域并串联，无需额外的管道及附件，形成单一完整的流场，结构简洁，电堆及系统的设计简单。

1.一种多区域变截面的流场板，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的多区域变截面的流场板，其特征在于，所述流道为直流道或弯曲流道；所述公共通道在所述平行流场的两端呈交错分布，使得流体在相邻分区之间交替换向，形成往复折返的流动路径。

3.根据权利要求1所述的多区域变截面的流场板，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的多区域变截面的流场板，其特征在于，还包括过桥区结构，所述过桥区结构位于所述流道区域的相反侧，包括过桥区流道槽以及与所述公共通道和所述平行流场区域连通的流体进出口，用于将流体从所述公共通道引导至所述平行流场区域，以实现分区间的串联。

5.根据权利要求1所述的多区域变截面的流场板，其特征在于，所述分区的脊上设有脊截断口，用于导通相邻分区，流体能够从一个分区流入相邻分区。

6.根据权利要求1所述的多区域变截面的流场板，其特征在于，所有公共通道和流道槽均设置于所述流场板的同一侧面，流体在各分区之间通过公共通道直接转向。

7.根据权利要求1所述的多区域变截面的流场板，其特征在于，相邻分区的流体流通截面积之比为0.85～0.98；所述流场板的整体流阻小于10kpa。

8.根据权利要求1所述的多区域变截面的流场板，其特征在于，所述公共通道和所述分区的边缘设有密封脊，所述流场板上设有流场密封槽，用于在组成燃料电池电堆时实现密封。

9.一种双极板组件，其特征在于，包括至少一块权利要求1至8中任一项所述的流场板，作为阳极单板和/或阴极单板。

10.一种燃料电池电堆，其特征在于，包括多个权利要求9所述的双极板组件，以及膜电极组件。