1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种质子交换膜燃料电池流场板。
背景技术：2.流场板是质子交换膜燃料电池的重要组成部分。流场板一般设置为沟脊式结构，主要包括与燃料电池气体扩散层直接接触的脊，以及位于形成于各脊之间用于供反应气体和水传输的沟。目前常见的流场板主要有蛇形流场板、直通道流场板、交指形流场板、点状流场板以及网状流场板等。
3.燃料电池反应过程中产生的水蒸气在通过气体扩散层到达流场板后，在流场板处受冷液化成液态水，液态水积少成多，成股的进入流场板的沟槽，并形成水流，为防止阴极遭受水淹，需要通过未反应的反应气体将阴极反应形成的水流通过流场板的沟槽带出。由于蛇形流场板的流道较长，因此，需要设计合理的沟脊以增强流场板的排水能力，从而减轻反应过程中产生的水对燃料电池反应造成的堵塞。
4.在传统均匀分布的蛇形流场板的流场结构中，由于进气口处的冷凝液化以及出气口处的水流聚集，导致流场板流道的两端处的产水较多，容易对流道的两端造成堵塞，导致反应气体难以在流道的两端流通。
技术实现要素：5.本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种质子交换膜燃料电池流场板，解决现有技术中的燃料电池流场板蛇形流场板内的水容易对蛇形流道的两端造成堵塞，导致反应气体难以在流道的两端流通的技术问题。
6.为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种质子交换膜燃料电池流场板，包括流场板本体，所述流场板的表面设置有蛇形流道、进气口和排水口，所述蛇形流道包括位于所述蛇形流道中间部位的反应段流道、以及连通于所述反应段流道的两端的进气段流道和排水段流道，所述进气口与所述进气段流道的端部连通，所述排水口与所述排水段流道的端部连通，所述反应段流道的流道深度浅于所述进气段流道和所述排水段流道的流道深度，以使所述进气段流道和所述排水段流道上与所述反应段流道的底壁等高的分隔面的两侧分别形成通气空间和水容纳空间，所述水容纳空间位于所述分隔面和所述进气段流道以及所述排水段流道的底壁之间，所述水容纳空间用于容纳积水，所述通气空间用于排水和通气。
7.可选地，所述反应段流道包括若干平行设置并依序连接的气体扩散流道，位于边缘两侧的所述气体扩散流道分别与所述进气段流道和所述排水段流道连通，各所述气体扩散流道的连接处均设置有拐角流道，所述拐角流道的流道宽度小于所述气体扩散流道的宽度，以增强所述拐角流道的排水。
8.可选地，所述进气段流道和所述排水段流道的截面积与所述气体扩散流道的截面积相等。
9.可选地，所述进气段流道和所述气体扩散流道的宽度之比为1:2，所述进气段流道和所述气体扩散流道的深度之比为2:1。
10.可选地，所述排水段流道和所述气体扩散流道的宽度之比为1:2，所述排水段流道和所述气体扩散流道的深度之比为2:1。
11.可选地，所述拐角流道的宽度与所述气体扩散流道宽度之比为1：2。
12.可选地，所述反应段流道还包括第一过渡流道和第二过渡流道，所述第一过渡流道用于连通所述进气段流道和所述气体扩散流道，所述第二过渡流道用于连通所述排水段流道和所述气体扩散流道，所述第一过渡流道的宽度与所述进气段流道的宽度相等，所述第二过渡流道与所述排水段流道的宽度相等。
13.可选地，所述进气段流道和所述气体扩散流道的连接处、以及所述排水段流道和所述气体扩散流道的连接处均设置有缓冲斜面。
14.可选地，所述缓冲斜面与所述进气段流道和所述排水段流道之间的夹角在120
°
~160
°
之间。
15.可选地，所述蛇形流道底壁的中间位置设置有分隔脊，所述分隔脊由所述进气口延伸至所述排水口，以将所述蛇形流道分隔形成两条分隔流道。
16.与现有技术相比，本发明提供的质子交换膜燃料电池流场板有益效果包括：通过在流场板本体的表面设置蛇形流道、进气口和排水口，蛇形流道的中间位置为反应段流道，蛇形流道的边缘位置为进气段流道和排水段流道，进气段流道的端部与进气口连通，排水段流道的端部与排水口连通，由于进气段流道和排水段流道的深度相对反应段流道的深度较深，使得进气段流道和排水段流道形成位于分隔面两侧的水容纳空间和通气空间，当进气段流道和排水段流道产水较多而超过分隔面时，反应气体可从进气段流道和排水段流道内水体的上方的通气空间通过，并带走位于分隔面上方的水体，进而实现进气段流道和排水段流道的通气，有效避免蛇形流道的两端位置的积水对反应气体造成堵塞，同时，反应段流道的深度相对进气段流道和排水段流道的深度较浅，便于反应气体向燃料电池的催化层扩散，进而提高反应段流道的温度，使反应段流道内的部分积水汽化，从而避免反应段流道内水体的堵塞，实现反应气体在蛇形流道内的流通。
附图说明
17.图1为本发明实施例1提供的质子交换膜燃料电池流场板的结构示意图。
18.图2为本发明实施例1提供的质子交换膜燃料电池流场板的侧视图。
19.图3为沿图2中a-a线的剖切视图。
20.图4为本发明实施例1提供的反应段流道反应气体浓度随流道长度方向在离子膜、催化层、气体扩散层和流道内变化的曲线图。
21.图5为本发明实施例1提供的进气段流道和排水段流道反应气体浓度随流道长度方向在离子膜、催化层、气体扩散层和流道内变化的曲线图。
22.图6为本发明实施例2提供的质子交换膜燃料电池流场板的结构示意图。
23.其中，图中各附图标记：10—流场板本体
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11—蛇形流道
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12—进气口13—排水口
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111—反应段流道
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112—进气段流道
113—排水段流道
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114—缓冲斜面
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115—分隔脊116—分隔流道
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1111—气体扩散流道
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1112—拐角流道1113—第一过渡流道
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1114—第二过渡流道
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1121—通气空间1122—水容纳空间
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a—分隔面。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
25.实施例1：本发明的实施例1提供了一种质子交换膜燃料电池流场板，包括流场板本体10，流场板的表面设置有蛇形流道11，蛇形流道11的两端分别设置有进气口12和排水口13，蛇形流道11包括位于蛇形流道11中间部位的反应段流道111、以及连通于反应段流道111的两端的进气段流道112和排水段流道113，进气段流道112的端部与进气口12连通，排水段流道113的端部与排水口13连通，反应段流道111的流道深度浅于进气段流道112和排水段流道113的流道深度，以使所述进气段流道112和排水段流道113上与反应段流道的底壁等高的分隔面a的两侧分别形成通气空间1121和水容纳空间1122，所述水容纳空间1122位于所述分隔面a和所述进气段流道112以及所述排水段流道113的底壁之间，所述水容纳空间1122用于容纳积水，所述通气空间1121用于排水和通气。
26.具体地，通过在流场板本体10的表面设置蛇形流道11、进气口12和排水口13，蛇形流道11的中间位置为反应段流道111，蛇形流道11的边缘位置为进气段流道112和排水段流道113，进气段流道112的端部与进气口12连通，排水段流道113的端部与排水口13连通，反应气体携带少量的气态水进入进气段流道112内，该部分气态水液化形成液态水，随燃料电池反应形成的水体一同进入到进气段流道112内，由于进气段流道112相对反应段流道111的深度较深，使得进气段流道112和排水段流道113形成位于分隔面a两侧的水容纳空间1122和通气空间1121，若进气段流道112内的积水未超过分隔面a，反应气体则从水面的上方直接进入反应段流道111，若进气段流道112内积水超过分隔面a，反应气体从分隔面a的上方通过，并携带超过分隔面a的积水进入反应段流道111，进而避免进气段流道112对反应气体造成的堵塞，有利于进气段流道112的通气。
27.反应气体进入反应段流道111时，将携带少量进气段流道112内的水体进入反应段流道111，以对进气段流道112进行排水，由于反应段流道111的深度相对进气段流道112和排水段流道113的深度较浅，使得反应段流道111的底壁更加贴近于燃料电池的气体扩散层，使得大部分反应气体在反应段流道111向燃料电池的催化层扩散，进而提高反应段流道111的温度，使反应段流道111内的部分积水汽化，从而避免反应段流道111内水体的堵塞。
28.未在反应段流道111内汽化的水体将在剩余未扩散的反应气体的携带下进入排水段流道113，并在排水段流道113形成聚集，若排水段流道113内的积水未超过分隔面a，反应气体则从水面的上方直接从排水口13排出，若进气段流道112内积水超过分隔面a，反应气体从分隔面a的上方通过，并携带超过分隔面a的积水从排水口13排出，同时，反应段流道111内水体进入排水段流道113时，反应段流道111与排水段流道113之间的势差可为水体的
排出提供一定的驱动力，为水体的排出提供方便，最终实现反应气体在蛇形流道11内的流通。
29.本实施例中，分隔面a为一与反应段流道的底面平齐的假想平面；本实施例中，流场板与燃料电池的气体扩散层的表面贴合，通气空间1121位于分隔面a和气体扩散层之间。
30.可选地，反应段流道111包括若干平行设置并依序连接的气体扩散流道1111，位于边缘两侧的气体扩散流道1111分别与进气段流道112和排水段流道113连通，各气体扩散流道1111的连接处均设置有拐角流道1112，拐角流道1112的流道宽度小于气体扩散流道1111的宽度，以增强拐角流道1112的排水。具体地，由于拐角流道1112的流道宽度小于气体扩散流道1111的宽度，可使得拐角流道1112的流道的截面积小于气体扩散流道1111的截面积，由于燃料电池反应生成的积水容易在拐角处形成聚集，通过拐角流道1112的设置，可便于反应段流道111内拐角处的积水的排出，有效防止积水对反应段流道111造成堵塞。
31.可选地，进气段流道112和排水段流道113的截面积与气体扩散流道1111的截面积相等。具体地，由于进气段流道112和排水段流道113的截面积与气体扩散流道1111的截面积相等，可有效减少反应气体从进气段流道112进入气体扩散流道1111的压降，以及减少反应气体从气体扩散流道1111进入排水反应段的压降，进而使反应气体的流速保持不变，使染料电池保持稳定。
32.可选地，进气段流道112和气体扩散流道1111的宽度之比为1:2，进气段流道112和气体扩散流道1111的深度之比为2:1。排水段流道113和气体扩散流道1111的宽度之比为1:2，排水段流道113和气体扩散流道1111的深度之比为2:1。
33.具体地，通过该设置可得到如图4所示的反应段流道111反应气体浓度随流道长度方向在离子膜、催化层、气体扩散层和流道内变化的曲线图，以及如图5所示进气段流道112和排水段流道113内，反应气体浓度随流道长度方向在离子膜、催化层、气体扩散层和流道内变化的曲线图。比较图4和图5中可以看出，反应段流道111的反应气体在气体扩散层、催化层和离子膜的浓度大于进气段流道112和排水段流道113的反应气体在气体扩散层、催化层和离子膜的浓度，因此，可以得出，反应气体在反应段流道111的扩散效果较好，进而实现了燃料电池良好的传气。
34.可选地，拐角流道1112的宽度与气体扩散流道1111宽度之比为1：2。通过该设置，可便于拐角流道1112的排水，同时防止拐角流道1112过窄而导致堵塞。
35.可选地，进气段流道112和气体扩散流道1111的连接处、以及排水段流道113和气体扩散流道1111的连接处均设置有缓冲斜面114，缓冲斜面114与进气段流道112和排水段流道113之间的夹角在120
°
~160
°
之间。具体地，缓冲斜面114可为从进气段流道112进入反应段流道111的反应气体和水体、以及从反应段流道111进入排水段流道113的反应气体和水体提供缓冲，便于反应气体的导通和水体的排出。
36.可选地，蛇形流道11底壁的中间位置设置有分隔脊115，分隔脊115由进气口12延伸至排水口13，以将蛇形流道11分隔形成两条分隔流道116。
37.具体地，在达到燃料电池相同反应速率的情况下，通过两条分隔流道116的设置，可有效减轻气体反应气体通入所产生的能耗。
38.实施例2：
本发明的实施例2提供了一种质子交换膜燃料电池流场板，实施例2与实施例1的区别在于，反应段流道111还包括第一过渡流道1113和第二过渡流道1114，第一过渡流道1113用于连通进气段流道112和气体扩散流道1111，第二过渡流道1114用于连通排水段流道113和气体扩散流道1111，第一过渡流道1113的宽度与进气段流道112的宽度相等，第二过渡流道1114与排水段流道113的宽度相等。具体地，第一过渡流道1113和第二过渡流道1114的设置可进一步增强反应段流道111的排水效率，使流场板适应于更大功率的燃料电池的排水需求。
39.以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
技术特征：1.一种质子交换膜燃料电池流场板，其特征在于，包括流场板本体，所述流场板的表面设置有蛇形流道、进气口和排水口，所述蛇形流道包括位于所述蛇形流道中间部位的反应段流道、以及连通于所述反应段流道的两端的进气段流道和排水段流道，所述进气口与所述进气段流道的端部连通，所述排水口与所述排水段流道的端部连通，所述反应段流道的流道深度浅于所述进气段流道和所述排水段流道的流道深度，以使所述进气段流道和所述排水段流道上与所述反应段流道的底壁等高的分隔面的两侧分别形成通气空间和水容纳空间，所述水容纳空间位于所述分隔面和所述进气段流道以及所述排水段流道的底壁之间，所述水容纳空间用于容纳积水，所述通气空间用于排水和通气。2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池流场板，其特征在于，所述反应段流道包括若干平行设置并依序连接的气体扩散流道，位于边缘两侧的所述气体扩散流道分别与所述进气段流道和所述排水段流道连通，各所述气体扩散流道的连接处均设置有拐角流道，所述拐角流道的流道宽度小于所述气体扩散流道的宽度，以增强所述拐角流道的排水。3.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池流场板，其特征在于，所述进气段流道和所述排水段流道的截面积与所述气体扩散流道的截面积相等。4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池流场板，其特征在于，所述进气段流道和所述气体扩散流道的宽度之比为1:2，所述进气段流道和所述气体扩散流道的深度之比为2:1。5.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池流场板，其特征在于，所述排水段流道和所述气体扩散流道的宽度之比为1:2，所述排水段流道和所述气体扩散流道的深度之比为2:1。6.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池流场板，其特征在于，所述拐角流道的宽度与所述气体扩散流道宽度之比为1：2。7.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池流场板，其特征在于，所述反应段流道还包括第一过渡流道和第二过渡流道，所述第一过渡流道用于连通所述进气段流道和所述气体扩散流道，所述第二过渡流道用于连通所述排水段流道和所述气体扩散流道，所述第一过渡流道的宽度与所述进气段流道的宽度相等，所述第二过渡流道与所述排水段流道的宽度相等。8.根据权利要求1~7任一项所述的质子交换膜燃料电池流场板，其特征在于，所述进气段流道和所述气体扩散流道的连接处、以及所述排水段流道和所述气体扩散流道的连接处均设置有缓冲斜面。9.根据权利要求8所述的质子交换膜燃料电池流场板，其特征在于，所述缓冲斜面与所述进气段流道和所述排水段流道之间的夹角在120
°
~160
°
之间。10.根据权利要求1~7任一项所述的质子交换膜燃料电池流场板，其特征在于，所述蛇形流道底壁的中间位置设置有分隔脊，所述分隔脊由所述进气口延伸至所述排水口，以将所述蛇形流道分隔形成两条分隔流道。
技术总结本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种质子交换膜燃料电池流场板；通过在流场板本体的表面设置蛇形流道、进气口和排水口，蛇形流道的中间位置为反应段流道，蛇形流道的边缘位置为进气段流道和排水段流道，进气段流道的端部与进气口连通，排水段流道的端部与排水口连通，由于进气段流道和排水段流道的深度相对反应段流道的深度较深，使得反应气体可从进气段流道和排水段流道内水体的上方通过，可有利于进气段流道和排水段流道的通气，同时，反应段流道的深度相对进气段流道和排水段流道的深度较浅，便于反应气体向燃料电池的催化层扩散，进而提高反应段流道的温度，使反应段流道内的部分积水汽化，实现反应气体在蛇形流道内的流通。内的流通。内的流通。
技术研发人员：王佳男 花仕洋 高凌峰 廖天舒 程凤 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（中国船舶重工集团公司第七一二研究所）
技术研发日：2022.05.31
技术公布日：2022/7/5
