一种箭羽状质子交换膜燃料电池双极板的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体而言是质子交换膜燃料电池双极板，尤其涉及一种箭羽状质子交换膜燃料电池双极板。


背景技术：

2.燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转化成电能的装置，是继水利发电、热能发电和原子发电的第四代发电技术，具有清洁、环保、效率高等性能特点。其中质子交换膜燃料电池(pemfc)以可低温运行、使用寿命长、性能稳定等优点，广泛应用于汽车、船舶等交通运输领域。双极板是燃料电池的主要组成部分，具有收集电子，隔离反应气体的作用，因此也被称为集流板或隔离板。双极板上带有的流场可以决定反应气体在燃料电池内的分布，同时影响反应生成的液态水排出。反应气体分布会影响电化学反应速率，进而影响局部温度；反应气体的不均匀分布会造成局部热点温度，影响电池性能和使用寿命。生成的液态水也会影响电池的性能，如果生成的液态水不能及时排出，会发生电池水淹现象，导致电池性能快速下降。常见的流场结构主要有平行流场、蛇形流场、交指流场、螺旋流场等。但含有这些流场的双极板在性能方面存在一定问题，需要进行优化和新的设计。
3.1、含有平行流场的双极板。平行流场具有结构简单，加工成本低，压降小等优点，但由于气体流速较低，气体利用率低，无法及时排出液态水，容易造成一条或多条通道阻塞，导致电池性能下降。
4.2、含有蛇形流场的双极板。蛇形流场具有一条流道，可以有效排出液态水，但也导致其压降过大；由于反应的消耗使出口处浓差损失过大，导致反应气体分布不均匀。
5.3、含有交指流场的双极板。交指流场是由封闭的流道组成，迫使反应气体通过肋下对流，有利于增加气体扩散层中反应物的浓度，同时有利于排出气体扩散层中的液态水。但由于其封闭的流道导致压降较大；同时气流量较大时会导致膜电极损坏，造成电池永久损伤。
6.4、含有螺旋流场的双极板。螺旋流场由螺旋流道组成，反应气体通过螺旋流场时产生的离心力作用可以加强反应气体的肋下对流，增强传质。但螺旋流场加工难度大，有效面积小，压降大，因此不适合广泛应用。


技术实现要素：

7.根据上述技术问题，而提供一种箭羽状质子交换膜燃料电池双极板。
8.本实用新型采用的技术手段如下：
9.一种箭羽状质子交换膜燃料电池双极板，包括双极板本体，所述双极板本体的顶部设有进气口和与所述进气口连通的进气通道，所述双极板本体的底部设有出口和与所述出口连通的排出通道，所述双极板本体内设有交指流场，所述交指流场包括多个水平排列且呈竖直设置的箭羽状流道；
10.所述箭羽状流道包括竖直设置的进气流道和对称设置在所述进气流道两侧的进
气子流道组，所述进气子流道组包括多个由上至下依次排布的进气子流道，且所述进气子流道的一端与所述进气流道连通，且另一端密封；上下相临的两个进气子流道之间的间隙形成排出子流道；所述进气流道的顶部与设置在所述进气通道上的进气分进口连通；
11.相临两个所述箭羽状流道之间的间隙形成竖直设置的排出流道，且所述排出子流道靠近所述排出流道的一端与所述排出流道连通，远离所述排出流道的一端密封；所述排出流道的底部与所述排出通道连通；所述进气流道的底部和所述排出流道的顶部分别通过封闭挡板密封；
12.所述箭羽状流道与所述双极板本体的侧壁之间形成流场侧流道，且所述流场侧流道的底部与所述排出通道连通，所述流场侧流道的顶部密封。
13.优选的，所述进气子流道远离所述进气流道的一端倾斜向下设置。
14.优选的，所述进气子流道与所述进气流道之间的夹角α为15
‑
75
°
。
15.优选的，所述进气流道的宽度a为1
‑
4mm。
16.优选的，所述进气子流道的宽度b为0.5～1.5mm。
17.优选的，所述排出子流道的宽度c为0.5
‑
1.2mm。
18.优选的，所述排出流道的宽度d为1
‑
3mm。
19.进气子流道和排出子流道实现了肋下对流，同时进气流道与所述排出子流道、进气子流道与所述排出流道之间也实现了肋下对流。
20.所述箭羽状流道由箭羽状肋板与所述双极板本体固定连接所形成，所述进气子流道的横截面积等于或略大于所述箭羽状肋板的横截面积。
21.较现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
22.1、流场结构是基于交指流场的改进，具有箭羽状流道。进气分进口均匀分布在进气通道，保证气体均匀进入进气流道。进气子流道均匀分布在进气流道两侧，且多个进气流道宽度相同、多个进气子流道的宽度相同，使气体均匀分布在整个流场，保证电化学反应速率相同，防止出现局部热点温度，保证电池长期稳定运行。
23.2、箭羽状流道实现了增加肋下对流通道的数量，提高气体扩散层中反应气体的浓度，提高气体利用率；同时，反应气体在传输过程中，带走气体扩散层中多余的液态水，有效防止发生电池水淹现象。
24.3、进气子流道与进气流道，排出子流道与排出流道之间的夹角均为α，α取值在15
‑
75
°
之间，可以保证反应气体更容易进入子流道，同时产生的液态水能够顺利由排出子流道进入排出通道，从而排出流场，提高电池整体性能。
25.4、所述进气子流道的横截面积等于或略大于所述箭羽状肋板的横截面积，可以保证较低的接触电阻，同时拥有较大的有效反应面积，提高了催化剂的利用率和电池性能。
26.基于上述理由本实用新型可在双极板等领域广泛推广。
附图说明
27.为了更清楚地说明本实用新型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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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获得其他的附图。
28.图1为本实用新型具体实施方式中一种箭羽状质子交换膜燃料电池双极板俯视图。
29.图2为图1中a部放大图。
30.图3为图1中b部放大图(带有气体流动示意)。
31.图4为本实用新型具体实施方式中箭羽状流场尺寸图。
32.图中：1、双极板本体；2、进气口；3、进气通道；4、进气分进口；5、流场侧流道；6、封闭挡板；7、排出通道；8、出口；9、进气流道；10、进气子流道；11、排出流道；12、排出子流道；13、箭羽状肋板。
具体实施方式
33.需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
34.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
35.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
36.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
37.在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
38.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位
之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
39.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。
40.如图1～4所示，本实用新型提供了一种箭羽状质子交换膜燃料电池双极板，包括双极板本体1，所述双极板本体1的顶部设有进气口2和与所述进气口2连通的进气通道3，所述进气口2设置在所述双极板本体1的顶部右侧；所述双极板本体1的底部设有出口8和与所述出口8连通的排出通道7，所述出口8设置在所述双极板本体1的底部左侧；所述双极板本体1内设有交指流场，所述交指流场包括多个水平排列且呈竖直设置的箭羽状流道；
41.所述箭羽状流道包括竖直设置的进气流道9和对称设置在所述进气流道9两侧的进气子流道组，所述进气子流道组包括多个由上至下依次排布的进气子流道10(均匀排布)，且所述进气子流道10的一端与所述进气流道9连通，且另一端密封；上下相临的两个进气子流道10之间的间隙形成排出子流道12；所述进气流道9的顶部与设置在所述进气通道3上的进气分进口4连通；
42.相临两个所述箭羽状流道之间的间隙形成竖直设置的排出流道11，且所述排出子流道12靠近所述排出流道11的一端与所述排出流道11连通，远离所述排出流道11的一端密封；所述排出流道11的底部与所述排出通道7连通；所述进气流道9的底部和所述排出流道11的顶部分别通过封闭挡板6密封；
43.所述箭羽状流道与所述双极板本体1的侧壁之间形成流场侧流道5，且所述流场侧流道5的底部与所述排出通道7连通，所述流场侧流道5的顶部密封。
44.所述进气子流道10远离所述进气流道9的一端倾斜向下设置。
45.所述进气子流道10与所述进气流道9之间的夹角α为15
‑
75
°
。
46.所述进气流道9的宽度a为1
‑
4mm。
47.所述进气子流道10的宽度b为0.5～1.5mm。
48.所述排出子流道12的宽度c为0.5
‑
1.2mm。
49.所述排出流道11的宽度d为1
‑
3mm。
50.进气子流道10和排出子流道12实现了肋下对流，同时进气流道9与所述排出子流道12、进气子流道10与所述排出流道11之间也实现了肋下对流。
51.所述箭羽状流道由箭羽状肋板13与所述双极板本体1固定连接所形成，所述进气子流道的横截面积等于或略大于所述箭羽状肋板13的横截面积。
52.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。