一种流线型过渡区结构及极板的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种流线型过渡区结构及极板。


背景技术：

2.氢燃料电池可以直接将氢气和氧气中的化学能转化为电能，不受卡诺循环限制，转化率高，是一种高效的能量转化装置；同时，氢燃料电池的产物只有水，清洁无污染，零碳排放，是一种理想的新能源载体。
3.单电池(电池单元)串联叠加组成电堆，每个电池单元由膜电极和双极板两部分组成。目前，氢燃料电池的两种主流极板为石墨板和金属板，一般通过模压/冲压技术在极板的表面加工得到沟槽区域，即流道。电池内部的流动(包括氢气、空气和水的流动)被限制在沟槽内，从而形成电池的内部流场。流量的分配对电池的性能有非常大的影响。目前，在燃料电池的极板设计当中，常常通过设置过渡区起到流量分配的作用，但是，过渡区在起到流量分配作用的同时又会导致极板的压降过大的问题。
4.质子交换膜燃料电池的极板正朝着尺寸精细化、结构三维化的方向发展。现有燃料电池的极板流道设计不合理，容易导致流动分配不均匀、极板的压力损失上升、反应物的扩散传质能力下降、反应物的利用率下降等问题，进而使得燃料电池的性能下降。


技术实现要素：

5.基于此，为解决现有燃料电池的极板流道设计不合理，容易导致流动分配不均匀、极板的压力损失上升、反应物的扩散传质能力下降、反应物的利用率下降等问题，进而使得燃料电池的性能下降等问题，本发明提供一种流线型过渡区结构及极板。本技术的流线型过渡区结构能够有效控制流量的分配，使流量均匀分配的同时还能有效减少压降。
6.为实现上述目的，一方面，本发明实施例提供一种流线型过渡区结构，适用于燃料电池的极板，包括第一流线部、第二流线部和第三流线部，所述第二流线部设置于所述第一流线部和所述第三流线部之间，所述第一流线部和所述第二流线部靠近所述极板的进口/出口处置；
7.所述第一流线部包括多根独立设置的第一脊，多根所述第一脊朝向所述第二流线部弯曲设置；所述第二流线部包括多组独立设置的第二脊，多组所述第二脊呈线型设置；所述第三流线部包括多根独立设置的第三脊，多根所述第三脊朝向所述第二流线部弯曲设置；
8.所述第三流线部的流通面积大于所述第二流线部的流通面积，所述第二流线部的流通面积大于所述第一流线部的流通面积。
9.作为优选的实施方式，所述第一流线部分别与所述极板的流道、所述极板的进口/出口连通；所述第二流线部分别与所述极板的流道、所述极板的进口/出口连通；所述第三流线部分别与所述极板的流道、所述极板的进口/出口连通。
10.作为优选的实施方式，每根所述第一脊靠近所述极板的流道的端部处于同一水平
线上；相邻的两根所述第一脊之间形成第一过渡通道，所述第一过渡通道与所述极板的流道连通。
11.作为优选的实施方式，每组所述第二脊包括独立设置的第二分脊和第二支脊，所述第二分脊靠近所述第一流线部设置，且所述第二分脊的长度比所述第二支脊的长度短。
12.作为优选的实施方式，所述第一脊靠近所述极板的流道的端部和所述第二脊靠近所述极板的流道的端部处于同一水平线上；所述第二分脊、所述第二支脊分别与所述极板的流道呈倾斜设置。
13.作为优选的实施方式，所述第二分脊与所述第二支脊呈倾斜设置，且所述第二分脊靠近所述极板的流道的端部与所述第二支脊靠近所述极板的流道的端部处于同一水平线上。
14.作为优选的实施方式，相邻的所述第二分脊和所述第二支脊之间形成第二过渡通道，所述第二过渡通道与所述极板的流道连通。
15.作为优选的实施方式，以距离所述第二流线部最远的所述第三脊为第三起脊，多根所述第三脊的长度自所述第三起脊开始逐根递增；相邻的两根所述第三脊之间形成第三过渡通道，所述第三过渡通道与所述极板的流道连通。
16.作为优选的实施方式，所述第三过渡通道的宽度大于所述第二过渡通道的宽度，所述第二过渡通道的宽度大于所述第一过渡通道的宽度。
17.作为优选的实施方式，所述第一过渡通道的流量、所述第二过渡通道的流量以及所述第三过渡通道的流量相同。
18.作为优选的实施方式，所述极板的进口和所述极板的出口均设置有所述流线型过渡区结构。
19.另一方面，本发明实施例还提供一种极板，适用于燃料电池，所述极板上设置有所述流线型过渡区结构。
20.本发明实施例提出的一种流线型过渡区结构，通过第一脊朝向第二流线部弯曲设置、第二脊呈线型设置、第三脊朝向第二流线部弯曲设置，使得流体在过渡区结构中的流动与真实情况下流体的流动大致相同，保证过渡区中所有区域的流量被分割成基本相等，进而保证流体分配的均匀的同时，有效降低极板中的压降。通过本技术的流线型过渡区结构，流体流量分配均匀，极板的压降在16kpa，相对现有结构的40kpa压降，本技术的极板压降被大大减小，同时反应物的扩散传质能力和利用率得到有效提高，使得燃料电池具有较好的使用性能。本技术的结构成本较低，经济实用，安装方便，可以适用于规模化生产。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
22.图1为本发明一实施例的流线型过渡区结构的结构示意图；
23.图2为本发明应用图1的流线型过渡区结构的极板的结构示意图。
24.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
27.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
29.另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
30.目前，现有的燃料电池极板结构中，其进口在上方、出口在下方，过渡区的流道在水平方向平行排布，流体自进口进入后经过过渡区的分配，进入下流流道。流体在流道中有一个往两侧的流动速度，由于过渡区的流道在水平方向平行排布，会对流体的流动起到阻碍的作用，使得流体的分配不均匀、极板的压力损失上升、反应物的扩散传质能力下降、反应物的利用率下降等问题，进而使得燃料电池的性能下降。基于此，本技术实施例提供一种流线型过渡区结构及极板以解决上述技术问题。
31.一方面，如图1至图2所示，本发明实施例提供一种流线型过渡区结构，适用于燃料电池的极板100，包括第一流线部10、第二流线部20和第三流线部30，所述第二流线部20设置于所述第一流线部10和所述第三流线部30之间，所述第一流线部10和所述第二流线部20靠近所述极板100的进口/出口处置；
32.所述第一流线部10包括多根独立设置的第一脊11，多根所述第一脊11朝向所述第二流线部20弯曲设置；所述第二流线部20包括多组独立设置的第二脊21，多组所述第二脊21呈线型设置；所述第三流线部30包括多根独立设置的第三脊31，多根所述第三脊31朝向所述第二流线部20弯曲设置；
33.所述第三流线部30的流通面积大于所述第二流线部20的流通面积，所述第二流线部20的流通面积大于所述第一流线部10的流通面积。这样设置，能够效保证流量分配的均匀、减小压降。
34.在本技术实施例中，第一脊11的弯曲方向和弯曲程度与极板中流体的流动角度和方向相一致，这样能够有效保证流量分配的均匀、减小压降；第三脊31的弯曲方向和弯曲程度与极板中流体的流动角度和方向相一致，这样能够进一步有效保证流量分配的均匀、减小压降。在本技术实施例中，第一脊、第二脊和第三脊均和所述极板一体成型设置。
35.作为优选的实施方式，所述第一流线部10分别与所述极板100的流道101、所述极板100的进口102/出口103连通；所述第二流线部20分别与所述极板100的流道101、所述极板100的进口102/出口103连通；所述第三流线部30分别与所述极板100的流道101、所述极板100的进口102/出口103连通。
36.作为优选的实施方式，每根所述第一脊11靠近所述极板100的流道101的端部处于同一水平线上；相邻的两根所述第一脊11之间形成第一过渡通道12，所述第一过渡通道12与所述极板100的流道101连通。这样能够有效保证流量分配的均匀、减小压降。
37.作为优选的实施方式，每组所述第二脊21包括独立设置的第二分脊211和第二支脊212，所述第二分脊211靠近所述第一流线部10设置，且所述第二分脊211的长度比所述第二支脊212的长度短。这样设置，既能保证第二分脊211和第二支脊212之间的距离，进而有效保证流量分配的均匀、减小压降，同时又能方便第二分脊211和第二支脊212的加工处理。
38.作为优选的实施方式，所述第一脊11靠近所述极板100的流道101的端部和所述第二脊21靠近所述极板100的流道101的端部处于同一水平线上；所述第二分脊211、所述第二支脊212分别与所述极板100的流道101呈倾斜设置。这样使得第二过渡通道与极板中流体的流动角度和方向相一致，这样能够有效保证流量分配的均匀、减小压降。若第一脊11靠近所述极板100的流道101的端部和所述第二脊21靠近所述极板100的流道101的端部不处于同一水平线(如高低不一等情况)上，则极板中流体的流量分配会不均匀、压降较大。
39.作为优选的实施方式，所述第二分脊211与所述第二支脊212呈倾斜设置，且所述第二分脊211靠近所述极板100的流道101的端部与所述第二支脊212靠近所述极板100的流道101的端部处于同一水平线上。这样能够有效保证流量分配的均匀、减小压降。
40.作为优选的实施方式，相邻的所述第二分脊211和所述第二支脊212之间形成第二过渡通道22，所述第二过渡通道22与所述极板100的流道101连通。
41.作为优选的实施方式，以距离所述第二流线部20最远的所述第三脊31为第三起脊a，多根所述第三脊31的长度自所述第三起脊a开始逐根递增；相邻的两根所述第三脊31之间形成第三过渡通道32，所述第三过渡通道32与所述极板100的流道101连通。这样使得第三过渡通道与极板中流体的流动角度和方向相一致，这样能够有效保证流量分配的均匀、减小压降。
42.作为优选的实施方式，所述第三过渡通道32的宽度大于所述第二过渡通道22的宽度，所述第二过渡通道22的宽度大于所述第一过渡通道12的宽度。这样能够有效保证流量分配的均匀、减小压降。
43.作为优选的实施方式，所述第一过渡通道12的流量、所述第二过渡通道22的流量以及所述第三过渡通道32的流量相同。
44.作为优选的实施方式，所述极板100的进口102和所述极板100的出口103均设置有所述流线型过渡区结构。
45.另一方面，本发明实施例还提供一种极板100，适用于燃料电池，所述极板100上设
置有所述流线型过渡区结构。
46.在本技术实施例中，极板100的进口102和所述极板100的出口103均设置有所述流线型过渡区结构，这样能够更好的保证极板流体的分配，使得燃料电池具有较好的使用性能。
47.本发明实施例提出的一种流线型过渡区结构，通过第一脊朝向第二流线部弯曲设置、第二脊呈线型设置、第三脊朝向第二流线部弯曲设置，使得流体在过渡区结构中的流动与真实情况下流体的流动大致相同，保证过渡区中所有区域的流量被分割成基本相等，进而保证流体分配的均匀的同时，有效降低极板中的压降。通过本技术的流线型过渡区结构，流体流量分配均匀，极板的压降在16kpa，相对现有结构的40kpa压降，本技术的极板压降被大大减小，同时反应物的扩散传质能力和利用率得到有效提高，使得燃料电池具有较好的使用性能。本技术的结构成本较低，经济实用，安装方便，可以适用于规模化生产。
48.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。