CN101651217A - 一种有利于水管理的燃料电池双极板流场结构 - Google Patents

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孙昕
傅云峰
燕希强
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Abstract

一种有利于水管理的燃料电池双极板流场结构，流场为平行沟槽，其特征在于所述流场的平行沟槽的口径自入口到出口逐渐缩小，呈线性递减，流场的平行沟槽入口截面积∶出口截面积＝2∶1。本发明的优点是：可以防止双极板流道进口段膜失水，又可以防止出口段电极被液态水淹，使燃料电池长时间稳态运行。既适用于阴极空气流场，也适用于阳极氢气流场。

Description

一种有利于水管理的燃料电池双极板流场结构
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，尤其涉及质子交换膜燃料电池用双极板。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)中，增湿引入的气态水和燃料电池中电化学反应生成的水均需要排除电池。在PEMFC工作过程中，沿气体流动方向，随着电化学反应的进行，生成水不断累积，会在流场某一个界面处，水蒸气达到饱和，出现液态水，液态水如果不及时的被排除电池，在流场或电极表面内累计会增大气体传递阻力，增大浓差极化，导致电池放电性能降低；同时，还会使流场内各个沟槽内气体分布不均，各个单电池内气体分配不均，从而使电池堆电压分配不均。因此，有效地将PEMFC内的液态水排出电池是PEMFC稳定运行的关键。通常条件下液态水是通过尾气的流动带出电池的，为了使液态水顺利离开，减小电极表面和流场表面对液态水的吸附阻力，现有技术中有将流场增水化处理的方法。现有技术的将流场增水化处理的方法的不足是：只是使流场不易于结水，没有改变电池内的水排出的方式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有利于水管理的燃料电池双极板，使燃料电池反应气沿双极板流道流动方向边反应边流动的过程中，流速不断增大，压力不断下降，在出口处流速最大，压力最小，从而使部份液态水蒸发，余下液态水被高速流动的尾气带出电池。有效地防止液态水在电池堆出口段累计。本发明的技术方案是；一种有利于水管理的燃料电池双极板流场结构，流场为平行沟槽，其特征在于所述流场的平行沟槽的口径自入口到出口逐渐缩小，呈线性递减，流场的平行沟槽入口截面积∶出口截面积＝2∶1。
本发明所述的一种有利于水管理的燃料电池双极板流场结构，其特征在于所述流场的平行沟槽的宽度在0.5～1.5mm之间，深度在0.5～1.0mm之间。
本发明所述的一种有利于水管理的燃料电池双极板流场结构，其特征在于所述的流场的平行沟槽的口径自入口到出口逐渐缩小，呈线性递减，是流场的平行沟槽的宽度不变，深度线性递减，或者是流场的平行沟槽的深度不变，宽度线性递减，或者是流场的平行沟槽的宽度和深度都线性递减。
本发明的原理是：燃料电池双极板流场的进口部份，气体浓度相对于出口段较大，特别是空气中氧气的浓度，因此，燃料电池双极板流场的进口部份反应速度较快，产生的废热较多。由于进口处气体内湿度往往是不饱和的，进口段通道宽，气体流速就会相对较低，雷诺准数小，有利于缓解膜中水分大量蒸发而导致膜失水。由于燃料电池内阴极反应生成水，而在出口段，通常条件下，反应气已经处于饱和状态，已经有液态水出现。因此，出口段通道窄，会使气体流速快，压力降低，从而促进部份液态水汽化，同时快速移动的气体还可以把液态水带出电池。
本发明具有如下优点：
1、可以防止双极板流道进口段膜失水，又可以防止出口段电极被液态水淹，使燃料电池长时间稳态运行。
2、本发明的流场结构既适用于阴极空气流场，也适用于阳极氢气流场。
附图说明
本发明有附图3幅，其中
附图1是本发明的双极板的构造立体示意图。
附图2是本发明的双极板的主视示意图。
附图3是本发明的双极板的俯视示意图。
具体实施方式
如图1所示，流场为平行沟槽，沟槽的口径自入口到出口逐渐缩小。可以保持沟槽的宽度0.5～1.2mm不变，沟槽的深度由0.5～1.0mm线性递减到0.25～0.5mm；或沟槽的深度0.5mm不变，沟槽宽度由1.0～1.2线性递减到0.5～0.6mm。
实例1：
流场总长500mm，保持沟槽宽度1-1.2mm不变，阴极沟槽进口处深为0.5mm，逐渐线性递减到出口的0.25mm。这样气体流速在出口处就相对于0.5mm深的沟槽，提高了1倍。
实例2：
流场总长500mm，保持沟槽宽度0.8-1.0mm不变，阳极沟槽进口处深为0.6mm，逐渐线性递减到出口的0.2mm。这样气体流速在出口处就相对于0.5mm深的沟槽，提高了2倍，有利于液态水的脉冲排出。
实例3：
流场总长500mm，保持沟槽深度0.5mm不变，阴极沟槽进口处宽为1.4mm，逐渐线性递减到出口的0.7mm。这样气体流速在出口处就相对于1.4mm宽的沟槽，提高了1倍。
实例4：
流场总长500mm，保持沟槽深度度0.4mm不变，阳极沟槽进口处宽为1.5mm，逐渐线性递减到出口的0.5mm。这样气体流速在出口处就相对于0.5mm深的沟槽，提高了2倍，有利于累计的液态水的脉冲排出。

Claims (3)

1、一种有利于水管理的燃料电池双极板流场结构，流场为平行沟槽，其特征在于所述流场的平行沟槽的口径自入口到出口逐渐缩小，呈线性递减，流场的平行沟槽入口截面积∶出口截面积＝2∶1。
2、根据权利要求1所述的一种有利于水管理的燃料电池双极板流场结构，其特征在于所述流场的平行沟槽的宽度在0.5～1.5mm之间，深度在0.5～1.0mm之间。
3、根据权利要求1所述的一种有利于水管理的燃料电池双极板流场结构，其特征在于所述的流场的平行沟槽的口径自入口到出口逐渐缩小，呈线性递减，是流场的平行沟槽的宽度不变，深度线性递减，或者是流场的平行沟槽的深度不变，宽度线性递减，或者是流场的平行沟槽的宽度和深度都线性递减。
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PB01 Publication
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