燃料电池流场板的制作方法

1.本技术涉及燃料电池技术领域，具体而言，本技术涉及一种燃料电池流场板。


背景技术：

2.双极板为燃料电池的重要部件之一，主要功能是为反应区域中各个区域分配提供良好的工质压力浓度，从而使得燃料电池能够充分利用反应物达到良好的发电状况。
3.现有大面积燃料电池主流场所使用的主流场流道通常为波浪流场或平行流场，波浪流场相比平行流场具有更好的针对气流的扰动效果，因此通常认为波浪流场燃料电池在扰动效果方面具有更高的性能，比如申请号为cn201810720941.0的中国发明专利介绍了一种质子交换膜燃料电池双极板的，以及申请号为cn201721583861.2的中国实用新型专利介绍了一种燃料电池双极板，都采用了波浪形流道流场。然而波浪流场相比平行流场本质上主要是通过增加单根流道内的流动长度以及波浪扰动来增强传质，因此通常波浪流场的压降会相比平行流场更大，并且波浪流场边缘流道与极板和通常膜电极的直线边缘并不匹配，由此会造成边缘流道面积或者膜电极边缘局部反应面积的浪费。申请号为cn202210574254.9的中国发明专利设计了一种液滴状的电池流场结构，其设计增强了气体在流道内的扰流程度，能够提高燃料电池性能，但是内部分流再直接合并流动的设计会在汇流区域出现气流或内部液滴的几乎垂直的撞击，这样不流畅的弧形轮廓设计不利于排水并且会增加压降。
4.综上所述，现有技术中流场板存在压降较大、浪费流道面积或者膜电极边缘局部反应面积、不利于排水的技术问题。


技术实现要素：

5.本技术针对现有方式的缺点，提出一种燃料电池流场板，用以解决现有技术中流场板存在压降较大、浪费流道面积或者膜电极边缘局部反应面积、不利于排水的技术问题。
6.本技术实施例提供了一种燃料电池流场板，包括：
7.底板，具有入口和出口，所述入口与所述出口之间形成流道；
8.扰流柱，突出于所述底板表面，且均匀排布于所述流道中；
9.其中，至少一个所述扰流柱在所述底板上的正投影轮廓为梯形结构，所述梯形结构包括至少两个圆角。
10.在本技术的一些实施例中，所述流道包括平行流道，所述入口和所述出口分别位于所述平行流道的两端、且所述入口的截面面积与所述出口的截面面积相等。
11.在本技术的一些实施例中，所述扰流柱在所述底板上的正投影轮廓为轴对称的正梯形，所述正梯形的上底和下底均平行于所述流道的延伸方向。
12.在本技术的一些实施例中，同一列中相邻两个所述扰流柱之间存在间隙，相邻列中至少一个所述扰流柱与所述间隙齐平。
13.在本技术的一些实施例中，同一列中至少两个所述扰流柱在所述底板上的正投影
轮廓相同。
14.在本技术的一些实施例中，奇数列中所述扰流柱的轮廓与偶数列中所述扰流柱的轮廓方向相反。
15.在本技术的一些实施例中，所述燃料电池流场板包括扰流单元，每个所述扰流单元包括相邻列中的两个所述扰流柱，同一所述扰流单元中的两个所述扰流柱呈中心对称排布。
16.在本技术的一些实施例中，所述扰流单元之间的纵向周期不小于2毫米且不大于2.4毫米，横向周期不小于19毫米且不大于21毫米。
17.在本技术的一些实施例中，同一所述扰流单元中的两个所述扰流柱之间的纵向间距不小于0.4毫米且不大于0.5毫米，横向间距不小于9毫米且不大于11毫米。
18.在本技术的一些实施例中，所述扰流柱包括突出于所述底板的实心凸台或者侧壁突出于所述底板的空心凹槽。
19.本技术实施例提供的技术方案带来的有益技术效果包括：本技术实施例中通过在流道中排布扰流柱，气态介质在流道中流动时撞上扰流柱，从而强制分流出两股分气流，而两股分气流会与相邻上下同样的结构中分流的气流汇聚。这样的分流、汇流将出现在流道内每一个区域，相当于在整个流场中增加了许多条不断交换着气体的波浪型流道，从而实现对流道内不同区域气体的不断地交叉混合扰动，并且由于增加了流通面积从而减小了压差，这也将避免如平行流道或者波浪形流道内单独流道内液态水不断积累而水堵，产生的液态水会随着气流的分合而不断碰撞分合，从而在流场内尽量保持较小的液滴状态，因而更加能够方便排除。实现了流场内气态介质在扰流柱上下不断交错分流扰动，从而增强液态介质的排水效果和发电性能。
20.本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
21.本技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
22.图1为本技术实施例提供的一种燃料电池流场板的结构示意图；
23.图2为本技术实施例提供的一种扰流柱的结构示意图。
24.图中标记：
25.1-底板；2-扰流柱；
26.21-第一扰流柱；22-第二扰流柱。
具体实施方式
27.下面结合本技术中的附图描述本技术的实施例。应理解，下面结合附图所阐述的实施方式，是用于解释本技术实施例的技术方案的示例性描述，对本技术实施例的技术方案不构成限制。
28.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“上述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本技术的说明书中使用的措
辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除实现为本技术领域所支持其他特征、信息、数据、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合等。应该理解，当我们称一个元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，该一个元件可以直接连接或耦接到另一元件，也可以指该一个元件和另一元件通过中间元件建立连接关系。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。
29.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术实施方式作进一步地详细描述。需要指出的是，下述实施方式之间可以相互参考、借鉴或结合，对于不同实施方式中相同的术语、相似的特征以及相似的实施步骤等，不再重复描述。
30.本技术实施例提供了一种燃料电池流场板，如图1所示，图1为本技术实施例提供的一种燃料电池流场板的结构示意图。
31.燃料电池流场板，包括底板1和扰流柱2：
32.底板1，具有入口和出口，所述入口与所述出口之间形成流道；
33.扰流柱2，突出于所述底板1表面，且均匀排布于所述流道中；
34.其中，至少一个所述扰流柱2在所述底板1上的正投影轮廓为梯形结构，所述梯形结构包括至少两个圆角。
35.本技术实施例中通过在流道中排布扰流柱2，气态介质在流道中流动时撞上扰流柱2，从而强制分流出两股分气流，而两股分气流会与相邻上下同样的结构中分流的气流汇聚。这样的分流、汇流将出现在流道内每一个区域，相当于在整个流场中增加了许多条不断交换着气体的波浪型流道，从而实现对流道内不同区域气体的不断地交叉混合扰动，并且由于增加了流通面积从而减小了压差，这也将避免如平行流道或者波浪形流道内单独流道内液态水不断积累而水堵，产生的液态水会随着气流的分合而不断碰撞分合，从而在流场内尽量保持较小的液滴状态，因而更加能够方便排除。实现了流场内气态介质在扰流柱2上下不断交错分流扰动，从而增强液态介质的排水效果和发电性能。
36.在本技术的一些实施例中，所述流道包括平行流道，所述入口和所述出口分别位于所述平行流道的两端、且所述入口的截面面积与所述出口的截面面积相等。
37.在一些实施例中，所述流道包括蛇形流道，所述流场板为正方形。
38.在另一些实施例中，所述流道包括平行流道，所述流场板为矩形。部分多个所述扰流柱2阵列排布于所述流道中，扰流柱2将流道分隔为多个子流道，多个子流道之间本质上相互流通。同一列中相邻两个所述扰流柱2之间存在间隙，所述间隙即为一个子流道。
39.介质顺着流道由入口向出口流动，同一股气态介质穿过前一列扰流柱2之间形成的一个子流道，直至撞上下一列的所述扰流柱2从而分流。具体地，介质撞上正梯形的斜边或者锐角，撞上斜边的介质流向偏移，向靠近正梯形的上底一侧流动；撞上锐角的介质被分流，一分为二，一部分向靠近正梯形的上底一侧流动，另一部分向靠近正梯形的下底一侧流动。
40.该流道中向靠近正梯形上底一侧流动的介质会与相邻流道中向靠近正梯形下底一侧流动的介质合流，此处相邻指朝向该流道正梯形上底一侧的扰流柱2。同理，该流道中向靠近正梯形下底一侧流动的介质会与相邻流道中向靠近正梯形上底一侧流动的介质合流，此处相邻是指朝向该流道正梯形下底一侧的扰流柱2。
41.在本技术的一些实施例中，所述扰流柱2在所述底板1上的正投影轮廓为轴对称的
正梯形，所述正梯形的上底和下底均平行于所述流道的延伸方向。
42.在本实施例中，由入口朝向出口的方向为流道的延伸方向，流场板的基本组成单位为扰流柱2，扰流柱2中正梯形的上底和下底平行于流道的延伸方向。
43.流场板的侧壁、以及扰流柱2的上底和下底均为平面，且该平面平行于流道的延伸方向。介质在流道中流经扰流柱2、流场板侧壁时，与扰流柱2、流场板侧壁线性接触，即介质与扰流柱2、流场板侧壁的接触点连续，并在截面图上为一条直线。
44.相较于波浪型流场，介质在流经波浪形边缘时产生非线性接触，即波浪形边缘具有周期性的凹凸结构，介质在由凹陷结构流向凸起结构时产生向流道中心运动的趋势，在由该凸起结构流向下一凹陷结构，无法迅速与边缘贴合，从而产生非线性接触，出现较大空洞。
45.在本技术的一些实施例中，同一列中相邻两个所述扰流柱2之间存在间隙，相邻列中至少一个所述扰流柱2与所述间隙齐平。
46.在本实施例中，一部分扰流柱2呈阵列排布，另一部分与第一部分扰流柱2相互交错。定义第一部分扰流柱2为第一扰流柱21，另一部分扰流柱2为第二扰流柱22。多个第一扰流柱21之间呈阵列排布，多个第二扰流柱22之间呈陈列排布，但在不同实施例中，第一扰流柱21和第二扰流柱22可以为同一阵列，也可以分别属于不同阵列。
47.在行方向上，所述第一扰流柱21与所述第二扰流柱22交替排布，所述行方向平行于所述流道的延伸方向，列方向垂直于所述流道的延伸方向。
48.相邻的两列扰流柱2分别为所述第一扰流柱21和所述第二扰流柱22，同一行的第一扰流柱21与第二扰流柱22存在水平间距与竖直间距。
49.相邻的两列第一扰流柱21中，同一行的第一扰流柱21之间仅存在水平间距，列方向上齐平。上述实施例和后文实施例均以第一扰流柱21举例，实际上第二扰流柱22与之同理，不再赘述。
50.由于两个第一扰流柱21之间的间隙与至少一个第二扰流柱22齐平。同一股气态介质穿过同一列相邻的两个第一扰流柱21之间的子流道后，将撞上与子流道齐平的第二扰流柱22从而分流。一分为二，一部分向靠近正梯形的上底一侧流动，另一部分向靠近正梯形的下底一侧流动。
51.该子流道中向靠近正梯形上底一侧流动的介质会与相邻子流道中向靠近正梯形下底一侧流动的介质合流，此处相邻指朝向该流道正梯形上底一侧的第一扰流柱21。同理，该流道中向靠近正梯形下底一侧流动的介质会与相邻流道中向靠近正梯形上底一侧流动的介质合流，此处相邻是指朝向该流道正梯形下底一侧的第一扰流柱21。
52.在本技术的一些实施例中，同一列中至少两个所述扰流柱2在所述底板1上的正投影轮廓相同。
53.在本实施例中，同一列的扰流柱2朝向相同，均为第一扰流柱21或者第二扰流柱22，且至少有两个扰流柱2的面积也相同。面积相同的扰流柱2位于所在流道相对居中的位置。在实际生产中，在流场板中由于实际设计需求，不同尺寸的扰流柱2在按规律填充流场时可能会出现靠近流道侧壁的剩余面积不够放置一个扰流柱2的情况，此处流道侧壁是指底板1外围。此时可以适当等比例缩小正梯形的尺寸来进行填充，保证流道的截面尺寸，防止设置与流道侧壁相连的结构，避免在流场中出现过宽的突起结构，过宽的突起结构会影
响这个区域的传质与排水，在进出口区域为了保持边缘一致性而使用截断一部分的扰流柱2。
54.在本技术的一些实施例中，奇数列中所述扰流柱2的轮廓与偶数列中所述扰流柱2的轮廓方向相反。
55.在本实施例中，纵向阵列特征平行且相距一定的距离，相距距离可以根据实际交错流道使用情况确定。
56.在本实施例中，由于呈正梯形的扰流柱2向两方向分流的流量不同。具体地，正梯形对靠近上底一侧分流的流量较大，对靠近下底一侧分流的流量较小。若所有扰流柱2朝同一方向排布，介质在非变向区均匀性较差。同一列上的扰流柱2朝向相同，相邻列的扰流柱2的朝向相反。奇数列中为第一扰流柱21，偶数列中为第二扰流柱22，第一扰流柱21上底的朝向与第二扰流柱22下底的朝向相同，第一扰流柱21下底的朝向与第二扰流柱22上底的朝向相同。
57.在本技术的一些实施例中，所述燃料电池流场板包括扰流单元，每个所述扰流单元包括相邻列中的两个所述扰流柱2，同一所述扰流单元中的两个所述扰流柱2呈中心对称排布。
58.在本实施例中，在同一行内，第一扰流柱21的正梯形的其中一条斜边，与相邻列中的第二扰流柱22的正梯形的一条斜边平行且相距一定的距离，相距距离可以根据实际交错流道使用情况确定。
59.第一扰流柱21围绕某一基点旋转180度与第二扰流柱22重合。
60.在本技术的一些实施例中，所述扰流单元之间的纵向周期不小于2毫米且不大于2.4毫米，横向周期不小于19毫米且不大于21毫米。
61.可选地，扰流单元中纵向周期为2.2mm，横向周期为20.16mm。
62.在本技术的一些实施例中，同一所述扰流单元中的两个所述扰流柱2之间的纵向间距不小于0.4毫米且不大于0.5毫米，横向间距不小于9毫米且不大于11毫米。
63.如图2所示，图2为本技术实施例提供的一种扰流柱2的结构示意图。
64.所述扰流单元包括第一扰流柱21和第二扰流柱22，第一扰流柱21以梯形的中点为旋转中心、旋转180
°
后与第二扰流柱22的轮廓相同。
65.可选地，同一扰流单元中，第一扰流柱21与第二扰流柱22之间的纵向间距为0.45mm，横向间距为10mm。
66.对于单个扰流柱2，上底与下底之间相距1.48mm，上底与斜边夹角α为161
°
，凸台底角倒圆角，圆角的半径r＝0.45mm，圆角圆心相距9mm，扰流柱2的高度为0.4mm。
67.在本技术的一些实施例中，所述扰流柱2包括突出于所述底板1的实心凸台或者侧壁突出于所述底板1的空心凹槽。
68.在一个实施例中，所述扰流柱2为实心结构。所述流场板还包括盖板，盖板与底板1相对贴合并存在一定间隙，扰流柱2的上表面与盖板接触、下表面与底板1接触，即盖板与底板1之间的间隙即为扰流柱2的厚度。扰流柱2表现为凸台。
69.在另一个实施例中，所述扰流柱2为空心结构。所述流场板还包括盖板，盖板与底板1相对贴合并存在一定间隙，盖板和底板1中相对扰流柱2的位置存在具有侧壁的通孔。盖板和底板1贴合后，通孔相互对应，侧壁相互连接。扰流柱2表现为凹槽。
70.将实例进行两项流瞬态仿真。气流与液态水同时从右侧进入，从流动过程中(左上-右上-左下-右下)看出，液态水在流场中波动前进。在流动稳定后，在整个流场中除了入口小范围区域由于靠近气液混合入口有一些积水，在其他区域液态水随着气流的交错扰动吹扫基本没有常驻的液态水区域，根据计算总体含水体积分数一直不超过0.1％，水气均能够顺利地排出。在实际燃料电池使用中，液态水会从流道下方渗透而出，通过气流带动而汇聚，在流场中后部分才会逐渐形成较多的液态水流，因此仿真工况比实际电池环境更恶劣，因此设计在实际燃料电池中使用也会具有较好的气流扰动与排水效果。
71.与现有技术相比可实现，应用本技术实施例，至少能够实现如下有益效果：本技术实施例中通过在流道中排布扰流柱2，气态介质在流道中流动时撞上扰流柱2，从而强制分流出两股分气流，而两股分气流会与相邻上下同样的结构中分流的气流汇聚。这样的分流、汇流将出现在流道内每一个区域，相当于在整个流场中增加了许多条不断交换着气体的波浪型流道，从而实现对流道内不同区域气体的不断地交叉混合扰动，并且由于增加了流通面积从而减小了压差，这也将避免如平行流道或者波浪形流道内单独流道内液态水不断积累而水堵，产生的液态水会随着气流的分合而不断碰撞分合，从而在流场内尽量保持较小的液滴状态，因而更加能够方便排除。实现了流场内气态介质在扰流柱2上下不断交错分流扰动，从而增强液态介质的排水效果和发电性能。
72.在本技术的描述中，词语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系，为基于附图所示的示例性的方向或位置关系，是为了便于描述或简化描述本技术的实施例，而不是指示或暗示所指的装置或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
73.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一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
74.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
75.在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
76.本技术领域技术人员可以理解，本技术中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本技术中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本技术中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。
77.应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻
执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
78.以上所述仅是本技术的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术的方案技术构思的前提下，采用基于本技术技术思想的其他类似实施手段，同样属于本技术实施例的保护范畴。

技术特征：
1.一种燃料电池流场板，其特征在于，包括：底板，具有入口和出口，所述入口与所述出口之间形成流道；扰流柱，突出于所述底板表面，且均匀排布于所述流道中；其中，至少一个所述扰流柱在所述底板上的正投影轮廓为梯形结构，所述梯形结构包括至少两个圆角。2.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于，所述流道包括平行流道，所述入口和所述出口分别位于所述平行流道的两端、且所述入口的截面面积与所述出口的截面面积相等。3.根据权利要求2所述的燃料电池流场板，其特征在于，所述扰流柱在所述底板上的正投影轮廓为轴对称的正梯形，所述正梯形的上底和下底均平行于所述流道的延伸方向。4.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于，同一列中相邻两个所述扰流柱之间存在间隙，相邻列中至少一个所述扰流柱与所述间隙齐平。5.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于，同一列中至少两个所述扰流柱在所述底板上的正投影轮廓相同。6.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于，奇数列中所述扰流柱的轮廓与偶数列中所述扰流柱的轮廓方向相反。7.根据权利要求6所述的燃料电池流场板，其特征在于，所述燃料电池流场板包括扰流单元，每个所述扰流单元包括相邻列中的两个所述扰流柱，同一所述扰流单元中的两个所述扰流柱呈中心对称排布。8.根据权利要求7所述的燃料电池流场板，其特征在于，所述扰流单元之间的纵向周期不小于2毫米且不大于2.4毫米，横向周期不小于19毫米且不大于21毫米。9.根据权利要求7所述的燃料电池流场板，其特征在于，同一所述扰流单元中的两个所述扰流柱之间的纵向间距不小于0.4毫米且不大于0.5毫米，横向间距不小于9毫米且不大于11毫米。10.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于，所述扰流柱包括突出于所述底板的实心凸台或者侧壁突出于所述底板的空心凹槽。

技术总结
本申请实施例提供了一种燃料电池流场板。燃料电池流场板，包括底板和扰流柱：底板，具有入口和出口，入口与出口之间形成流道；扰流柱，突出于底板表面，且均匀排布于流道中；其中，至少一个扰流柱在底板上的正投影轮廓为梯形结构，梯形结构包括至少两个圆角。本申请实施例通过在流道中排布扰流柱，气态介质在流道中流动时撞上扰流柱，从而强制分流出两股分气流，而两股分气流会与相邻上下同样的结构中分流的气流汇聚。从而实现对流道内不同区域气体的不断地交叉混合扰动，并且由于增加了流通面积从而减小了压差，这也将避免如平行流道或者波浪形流道内单独流道内液态水不断积累而水堵。浪形流道内单独流道内液态水不断积累而水堵。浪形流道内单独流道内液态水不断积累而水堵。


技术研发人员：邹雨廷 花仕洋 陈琛 胡志忠 叶东浩
受保护的技术使用者：武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶集团有限公司第七一二研究所）
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/8/9