本实用新型涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种质子交换膜燃料电池的阴极板、双极板及燃料电池。
背景技术：
质子交换膜燃料电池阴极流场的主要作用是输送氧化剂(空气或氧气)到达阴极表面发生电化学反应，同时将反映产物(水)排出。质子交换膜燃料电池在工作时，阴极会产生大量的水；这些水如果不及时排出，会导致氧化剂无法到达反应界面，从而造成传质极化，降低电池性能，甚至造成电极反极现象，烧毁电极，造成不可逆的损伤。因此，适宜的流场结构会优化阴极的排水，保证电池持续稳定的工作。
目前阴极流场结构有点状流场、网状流场、平行流场、多通道蛇形流场、以及仿生流场等，其中最广泛使用的是平行流场与多通道蛇形流场。这两种流场都具有无死区的优点，通过流场结构参数的优化，可以实现氧化剂(空气或氧气)有效输送到阴极发生电化学反应。
但是，平行流场与多通道蛇形流场相比，具有阻力降小的优点，对于阴极氧化剂供给设备的要求较低，但由于流场中线速度相对较小，导致排水的效果不如多通道蛇形流场；多通道蛇形流场中线速度相对较大，流场的阻力降大，使得流场排水的驱动力大，因此多通道蛇形流场的排水效果要好于平行流场，但对于阴极氧化剂供给设备的要求较高，需要提供足够的势能。
技术实现要素：
本实用新型要解决的技术问题是：如何在不提高阴极氧化剂供给设备压力的同时提高阴极流场的排水效果，并保证氧化剂充分反应，从而提高阴极的电化学反应性能。
为了解决上述技术问题，本实用新型第一方面提供了一种质子交换膜燃料电池的阴极板，其包括阴极板本体，所述阴极板本体的一端设有氧化剂入口，所述阴极板本体的另一端设有氧化剂出口；所述阴极板本体的一侧表面设有由沟槽形成的阴极流场，所述阴极流场的始端与所述氧化剂入口连接，所述阴极流场的末端与所述氧化剂出口连接；
所述阴极流场包括依次连接的第一过渡部、平行流场部、第二过渡部和蛇形流场部；所述第一过渡部与所述氧化剂入口连接，所述蛇形流场部与所述氧化剂出口连接；
所述平行流场部包括若干个平行分布的直线沟槽，各所述直线沟槽的始端均与所述第一过渡部连接，各所述直线沟槽的末端均与所述第二过渡部连接；
所述蛇形流场部包括若干个蛇形沟槽，各所述蛇形沟槽的始端均与所述第二过渡部连接，各所述蛇形沟槽的末端均与所述氧化剂出口连接。
进一步的，所述第一过渡部位于所述平行流场部的始端，所述第二过渡部位于所述平行流场部的末端；所述氧化剂入口与所述第一过渡部的右端连接，所述蛇形流场部的始端与所述第二过渡部的左端连接。
进一步的，各所述蛇形沟槽的末端均位于所述阴极板本体的左侧，各所述蛇形沟槽的结构相同。
进一步的，所述蛇形沟槽的数量至少为2个。
进一步的，各所述蛇形沟槽分别具有至少2个迂回部。
进一步的，所述阴极流场还包括入口槽，所述氧化剂入口与所述第一过渡部通过所述入口槽连接。
进一步的，所述第一过渡部内和所述第二过渡部内分别设有若干个导流支柱，所述导流支柱为棱柱形或圆柱形。
本实用新型第二方面提供了一种质子交换膜燃料电池的双极板，其包括阳极板和如上述任一方案所述的阴极板。
本实用新型第三方面提供了一种质子交换膜燃料电池，其包括如上述方案所述的双极板。
上述技术方案所提供的一种质子交换膜燃料电池的阴极板、双极板及燃料电池，与现有技术相比，其有益效果在于：
根据质子交换膜燃料电池工作时阴极的特性，在靠近氧化剂入口的区域产生和积累的水较少，此处对于排水的要求较低，设置平行流场部的结构不会影响排水效果还有助于降低阻力降，降低对氧化剂供给设备性能要求；在靠近氧化剂出口的部分，产生和积累的水较多，此处对于排水的要求较高，设置蛇形流场部结构有助于提高阴极表面线速度，从而增大阻力降与排水驱动力，提高排水效果。故本实用新型可以在不提高阴极氧化剂供给设备压力的同时提高阴极流场的排水效果，并保证了氧化剂充分反应，从而提高阴极的电化学反应性能。
另外，第一过渡部和第二过渡部分别连接各个直线沟槽的两端，使各个直线沟槽之间相互连通，并且使各个直线沟槽都与氧化剂入口、蛇形流场部连通，保证了氧化剂入口与平行流场部之间、以及平行流场部与蛇形流场部之间的过渡，使氧化剂在不同流场结构之间平滑过渡，均匀流动，以使氧化剂充分反应。
附图说明
图1是本实用新型实施例一的阴极板；
图2是本实用新型实施例二的阴极板；
图3是本实用新型实施例三的阴极板。
其中，1－阴极板，10－阴极板本体，11－氧化剂入口，12－氧化剂出口，13－阴极流场，131－第一过渡部，132－平行流场部，133－第二过渡部，134－蛇形流场部，135－入口槽，136－导流支柱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
在本实用新型的描述中，应当理解的是，本实用新型中采用术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元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实用新型的限制。此外，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。另外，“始端“所指的的是对应零部件中氧化剂进入的一端，“末端”所指的是对应零部件中氧化剂流出的一端。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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。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实用新型中的具体含义。
实施例一
如图1所示，本实施例所提供的是一种质子交换膜燃料电池的阴极板1，所述阴极板1包括阴极板本体10，阴极板本体10的一端设有氧化剂入口11，所述阴极板本体10的另一端设有氧化剂出口12；所述阴极板本体10的一侧表面设有由沟槽形成的阴极流场13，即图中正面的一侧；所述阴极流场13的始端与所述氧化剂入口11连接，所述阴极流场13的末端与所述氧化剂出口12连接；所述阴极流场13包括依次连接的第一过渡部131、平行流场部132、第二过渡部133和蛇形流场部134；所述第一过渡部131与所述氧化剂入口11连接，所述蛇形流场部134与所述氧化剂出口12连接；所述平行流场部132包括若干个平行分布的直线沟槽，各所述直线沟槽的始端均与所述第一过渡部131连接，各所述直线沟槽的末端均与所述第二过渡部133连接；所述蛇形流场部134包括若干个蛇形沟槽，各所述蛇形沟槽的始端均与所述第二过渡部133连接，各所述蛇形沟槽的末端均与所述氧化剂出口12连接。
具体的，图1中箭头表示氧化剂在阴极流场13中流动的方向，因为质子交换膜燃料电池工作时，在靠近氧化剂入口11的区域产生和积累的水较少，此处对于排水的要求较低，设置平行流场部132的结构不会影响排水效果还有助于降低阻力降，降低对氧化剂供给设备性能要求；在靠近氧化剂出口12的部分，产生和积累的水较多，此处对于排水的要求较高，设置蛇形流场部134结构有助于提高阴极表面线速度，从而增大阻力降与排水驱动力，提高排水效果。故本实施例可以在不提高阴极氧化剂供给设备压力的同时提高阴极流场13的排水效果，并保证了氧化剂充分反应，从而提高阴极的电化学反应性能。
另外，请继续参阅图1，第一过渡部131和第二过渡部133分别连接各个直线沟槽的两端，使各个直线沟槽之间相互连通，并且使各个直线沟槽都与氧化剂入口11、蛇形流场部134连通，保证了氧化剂入口11与平行流场部132之间、以及平行流场部132与蛇形流场部134之间的过渡，使氧化剂在不同流场结构之间平滑过渡，均匀流动，以使氧化剂充分反应。
其中，如图1所示，第一过渡部131和所述第二过渡部133均是横向布置，所述第一过渡部131和所述第二过渡部133均垂直于平行流场中的各个直线沟槽；所述氧化剂入口11与所述第一过渡部131的右端连接，所述蛇形流场部134的始端与所述第二过渡部133的左端连接。两个横向设置的过渡部保证它们之间的直线沟槽等长，进而使得直线沟槽中流体的压力相等。氧化剂入口11与所述第一过渡部131的右端连接，所述蛇形流场部134的始端与所述第二过渡部133的左端连接，这样设置的目的是使得通过各个平行流场中的直线沟槽的氧化剂从入口到蛇形流场部134的始端流动的路程相等，进而保证各直线沟槽中的压力相等。
需要说明的是，第一过渡部131和第二过渡部133的形状不仅限定于图1中直线型的，例如三角形或者不规则的形状，并且第一过渡部131和第二过渡部133也不仅限定于垂直于各个直线沟槽，例如可以与直线沟槽具有一定的倾斜角度，都是可以实现本发明的目的，并在本发明的保护范围之内。
此外，各所述蛇形沟槽的末端均位于所述阴极板本体10的左侧，各所述蛇形沟槽的结构相同，进而保证各蛇形沟槽内流体的压力大小相等。
在本实施例中，如图1所示，所述蛇形沟槽的数量是两个，其中所述蛇形沟槽具有8个迂回部，即蛇形沟槽转变了8次方向，蛇形流场部134在竖直方向与平行流场部132的宽度相当，这种方式较为适合需要排水效果更高、需要输出更大功率的电池使用。
作为本实用新型优选的实施方案，如图1所示，本实施例中所述阴极流场13还包括入口槽135，所述氧化剂入口11与所述第一过渡部131通过所述入口槽135连接。这样设置可以使得每个入口槽135与每个蛇形沟槽之间的压力值呈线性关系，当入口槽135与蛇形沟槽流通面积相同时，他们的压力和流速分别相等，这样可以使氧化剂入口11和氧化剂出口12的压力相同，设备运行稳定，电池反应均匀，增加寿命。
作为本实用新型优选的实施方案，如图1所示，本实施例中所述第一过渡部131内和所述第二过渡部133内分别设有若干个导流支柱136，所述导流支柱136为棱柱形或圆柱形。导流支柱136的一个作用是对在过渡部中的流体起到分流的作用，氧化剂在过渡部被导流支柱136分散后更加均匀的进入到下一个区域；导流支柱136的另一个作用是支撑阴极板1，将阴极板1与其他部件桥接，保证了氧化剂入口11与平行流场部132之间、以及平行流场部132与多通道蛇形流场部134之间的过渡。
实施例二
如图2所示，本实施例提供了另一种质子交换膜燃料电池的阴极板1，其与实施例一的区别仅在于：本实施例中的所述蛇形沟槽具有4个迂回部，即蛇形沟槽转变了4次方向，与实施例一相比，本实施例的阴极板1总流场面积不变，通过增大平行流场面积，减小蛇形流场面积实现阴极流场13排水效果与阻力降的调控。
需要说明的是，本实施例的阴极板1较为适合需要功率和排水速率相对来说比较低的燃料电池，其中所述导流支柱136可以为棱柱形或圆柱形。
实施例三
如图3所示，本实施例提供了另一种质子交换膜燃料电池的阴极板1，其与实施例一的区别仅在于：所述蛇形沟槽的数量是3个，所述蛇形沟槽具有4个迂回部，入口槽135的数量也为3个。
需要说明的是，本实施例的阴极板1结构，更进一步的增加了蛇形流场的流通面积，这种形式适合更高功率的燃料电池，其排水速率更快。其中所述导流支柱136依然可以为棱柱形或圆柱形。
实施例四
本实施例提供的是作为本实用新型第二方面的一种质子交换膜燃料电池的双极板，其包括阳极板和如上述任一实施例所述的阴极板1。
实施例五
本实施例提供的是作为本实用新型第三方面的一种质子交换膜燃料电池，其包括如上述实施例四所述的双极板。
综上，本实用新型实施例提供的一种质子交换膜燃料电池的阴极板1、双极板及燃料电池，根据质子交换膜燃料电池工作时阴极的特性，在靠近氧化剂入口11的区域产生和积累的水较少，此处对于排水的要求较低，设置平行流场部132的结构不会影响排水效果还有助于降低阻力降，降低对氧化剂供给设备性能要求；在靠近氧化剂出口12的部分，产生和积累的水较多，此处对于排水的要求较高，设置蛇形流场部134结构有助于提高阴极表面线速度，从而增大阻力降与排水驱动力，提高排水效果。故本实用新型可以在不提高阴极氧化剂供给设备压力的同时提高阴极流场13的排水效果，并保证了氧化剂充分反应，从而提高阴极的电化学反应性能。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范围。
1.一种质子交换膜燃料电池的阴极板，其特征在于，包括阴极板本体，所述阴极板本体的一端设有氧化剂入口，所述阴极板本体的另一端设有氧化剂出口；所述阴极板本体的一侧表面设有由沟槽形成的阴极流场，所述阴极流场的始端与所述氧化剂入口连接，所述阴极流场的末端与所述氧化剂出口连接；
所述阴极流场包括依次连接的第一过渡部、平行流场部、第二过渡部和蛇形流场部；所述第一过渡部与所述氧化剂入口连接，所述蛇形流场部与所述氧化剂出口连接；
所述平行流场部包括若干个平行分布的直线沟槽，各所述直线沟槽的始端均与所述第一过渡部连接，各所述直线沟槽的末端均与所述第二过渡部连接；
所述蛇形流场部包括若干个蛇形沟槽，各所述蛇形沟槽的始端均与所述第二过渡部连接，各所述蛇形沟槽的末端均与所述氧化剂出口连接。
2.根据权利要求1所述的阴极板，其特征在于，所述第一过渡部位于所述平行流场部的始端，所述第二过渡部位于所述平行流场部的末端；所述氧化剂入口与所述第一过渡部的右端连接，所述蛇形流场部的始端与所述第二过渡部的左端连接。
3.根据权利要求2所述的阴极板，其特征在于，各所述蛇形沟槽的末端均位于所述阴极板本体的左侧，各所述蛇形沟槽的结构相同。
4.根据权利要求1所述的阴极板，其特征在于，所述蛇形沟槽的数量至少为2个。
5.根据权利要求1所述的阴极板，其特征在于，各所述蛇形沟槽分别具有至少2个迂回部。
6.根据权利要求1－5任一项所述的阴极板，其特征在于，所述阴极流场还包括入口槽，所述氧化剂入口与所述第一过渡部通过所述入口槽连接。
7.根据权利要求1－5任一项所述的阴极板，其特征在于，所述第一过渡部内和所述第二过渡部内分别设有若干个导流支柱，所述导流支柱为棱柱形或圆柱形。
8.一种质子交换膜燃料电池的双极板，其特征在于，包括阳极板和如权利要求1－7任一项所述的阴极板。
9.一种质子交换膜燃料电池，其特征在于，包括如权利要求8所述的双极板。
技术总结