CN101944618A - 一种树状结构流场的质子交换膜燃料电池双极板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及质子交换膜燃料电池的双极板。一种树状结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，它包括阳极板、阴极板、支撑框架，阳极板与阴极板由支撑框架固定连接，支撑框架位于阳极板与阴极板之间，阳极板的左侧面设有阳极流场，阴极板的右侧面设有阴极流场；其特征在于：阳极流场、阴极流场的两端部均为树状结构流场，中间为平行流场。该双极板可提高燃料电池的性能和稳定性。

Description

一种树状结构流场的质子交换膜燃料电池双极板
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池的双极板。
背景技术
质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，缩写：PEMFC)是一种将氢燃料的化学能通过化学反应直接转化为电能的装置。它具有功率密度高、能量转化效率高、常温启动快、对环境污染小、灵活等特点。广泛应用于交通、分布式发电、航空航天等领域。
双极板是PEMFC及其电池堆的主要和重要部件之一。在电池堆中每块双极板与两个单电池有关，它的一个侧面为一个单电池的阳极流场，另一个侧面为相邻单电池的阴极流场。双极板的作用如下：(1)分配电池放电所需的燃料与氧化剂；(2)排出电池堆内各个单电池电化学反应生成的水；(3)在电池堆中分离各个单电池，收集每节单电池电流；(4)传导每节单电池工作时产生的热量。流场是在双极板上加工的各种形状的沟槽，为反应剂与生成物提供进出通道，流场结构决定反应剂与生成物在流场内的流动状态，要保证PEMFC正常运行，必须使电极各处均能获得充足的反应剂、并及时将电池生成的水排出，因此，流场结构对PEMFC的性能有很大的影响。据报道，合适的流场结构能使电池性能提高50％左右。
PEMFC双极板的流场常见有蛇型流场和平行流场等。其中蛇形流场只有一条通道，其截面多采用矩形。其主要优点是能迅速排除生成的液体水，不易出现堵塞通道的情况。但是，对于面积比较大的双极板，会因为通道过长而造成电池内的气体浓度分布不均匀，而引起电流密度的不均匀，不能充分利用催化层，并且流道内的压降较大，流道出口处因气压降低，存在液体水积累而可能造成水淹现象，从而影响电池的性能。
平行流场相对于蛇型流场来说，通道数目较多而短，而且通道之间相互并联。因此平行流场具有流动阻力小的优点，在一定程度上能够降低压力损失，提高电池的整体效率。然而，在电池持续工作的过程中，由于通道数目多，气流流速一般不大，水不易被排出，在通道间的肋条下和通道的边缘聚集，从而造成部分电极水淹的情况。实际应用中还发现，由于通道数目较多，各通道中气体的流动和反应情况的细微差别会对电池的整体性能造成扰动，出现电池性能不稳定的情况。
近年来，仿生研究层出不穷。纵观自然界，树木、河流、动物血管、动物肺等生命和非生命系统都可视为物质流动与能量输送系统，尽管它们的生长条件和具体背景各不相同，但它们在结构上都有一个共同特征——呈树状分布。这些结构是长时间演化而成，由进化论的观点，其结构应该是最优或接近最优的结构，其能量消耗最小或传热、传质性能最佳等。将自然界中这种优良的传热、传质结构应用于PEMFC双极板的流道设计，形成新的流场结构。能弥补现有流场结构的不足，提升燃料电池的性能。
发明内容
本发明所解决的技术问题：针对平行流场和蛇型流场的不足，提出一种树状结构流场的质子交换膜燃料电池双极板。这种新型的流场结构，可提高燃料电池的性能和稳定性。
本发明所采用的技术方案：一种树状结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，它包括阳极板1、阴极板3、支撑框架2，阳极板1与阴极板3由支撑框架2固定连接，支撑框架2位于阳极板1与阴极板3之间，阳极板1的左侧面设有阳极流场，阴极板3的右侧面设有阴极流场，阳极板1、阴极板3上均设有三个进口和三个出口，分别是：燃料气体进口7、燃料气体出口7′、氧化剂进口8、氧化剂出口8′、冷却液进口6、冷却液出口6′；其特征在于：阳极板1上的燃料气体进口7处设有一段气体进口树状结构流场4，阳极板1上的燃料气体出口7′处设有一段气体出口树状结构流场4′，燃料气体进口7与气体进口树状结构流场4的流道的首端相连，燃料气体出口7′与气体出口树状结构流场4′的流道的首端相连通，气体进口树状结构流场4与气体出口树状结构流场4′之间为气体平行流场5，气体平行流场5的流道分别与气体进口树状结构流场4的流道的末端、气体出口树状结构流场4′的流道的末端相连通；
阴极板3上的氧化剂进口8处设有一段氧化剂进口树状结构流场9，阴极板3上的氧化剂出口8′处设有一段氧化剂出口树状结构流场9′，氧化剂进口8与氧化剂进口树状结构流场9的流道的首端相连，氧化剂出口8′与氧化剂出口树状结构流场9′的流道的首端相连通，氧化剂进口树状结构流场9与氧化剂出口树状结构流场9′之间为氧化剂平行流场10，氧化剂平行流场10的流道分别与氧化剂进口树状结构流场9的流道的末端、氧化剂出口树状结构流场9′的流道的末端相连通。
本发明的有益效果是：
1、阳极流场、阴极流场的两端部均为树状结构流场，中间为平行流场(阳极板上的燃料气体进口、燃料气体出口处各设有一段树状结构流场，阴极板的氧化剂进口、氧化剂出口处各设有一段树状结构流场)，这种新型的流场结构，能够有效地均匀分配反应气体到各分支流道，使反应气体能均匀地分布在反应流场，同时，很大程度上减少了气体从进气口进入流道及流道通入出气口的阻力；从而减少了进气口和出气口的压力损失，提高了燃料电池的性能和稳定性。
阳极板、阴极板上的燃料气体进口、燃料气体出口处各设有一段树状结构流场，主干流道进口流道尺寸较大，有利于减少进口与流道的阻力，从而降低进口与出口的压力损失，使出口的压降减少，有利于气体流通，提高电池的稳定性。
本发明的双极板使燃料气体进口与燃料气体出口之间的压力差减少，反应气体从主干流道进入分支流道的流量基本相同；燃料电池的电流密度分布显著改善，在相同的放电电压下，电流密度提升，使得电池的输出功率得到提高。
2、由于主干流道和分支流道的尺寸和角度满足Murray定律，使得气体通入各流道的阻力基本相等，当气体通过树状结构流场的各分支流道到达中间平行流场时，可以获得相同的流速，使气体在平行流场均匀地分布，提高燃料电池的性能。
3、本发明的双极板的中间采用平行流场结构，相对于蛇型流场而言，进口到出口流道的长度大为减少，降低气体在流道中传输的阻力，使进口、出口之间的压差减少，因此燃料电池的密封性加强，外界加压装置要求降低。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为图1的A部放大图。
图3为图1的左视图。
图4为图1的右视图。
图5为本发明实施例2(双极板的树状多重分支流场)的结构示意图。
图6为本发明的实施例1中，平行流场和树状分支结构流场单电池极化曲线图。
图7为本发明的实施例1中，平行流场和树状分支结构流场单电池功率密度曲线图。
图8为本发明的实施例1中，在电流密度I＝1.3A/m2时，平行流场和树状分支结构流场流道内气体速度分布图。
图9为现有极板结构示意图(作为实施例1中的对比参照，对比实验用的对比结构)。
图中：1-阳极板，2-支撑框架，3-阴极板，4-气体进口树状结构流场，5-气体平行流场，6-冷却液进口，7-燃料气体进口，8-氧化剂进口，9-氧化剂进口树状结构流场，10-氧化剂平行流场，4′-气体出口树状结构流场，6′-冷却液出口，7′-燃料气体出口，8′-氧化剂出口，9′-氧化剂出口树状结构流场。
具体实施方式
实施例1：
如图1、图2、图3、图4所示，一种树状结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，它包括阳极板1、阴极板3、支撑框架2，阳极板1与阴极板3由支撑框架2固定连接，支撑框架2位于阳极板1与阴极板3之间，阳极板1的左侧面设有阳极流场，阴极板3的右侧面设有阴极流场，阳极板1、阴极板3上均设有三个进口和三个出口，分别是：燃料气体进口7、燃料气体出口7′、氧化剂进口8、氧化剂出口8′、冷却液进口6、冷却液出口6′；阳极板1上的燃料气体进口7处设有一段气体进口树状结构流场4，阳极板1上的燃料气体出口7′处设有一段气体出口树状结构流场4′，燃料气体进口7与气体进口树状结构流场4的流道的首端相连，燃料气体出口7′与气体出口树状结构流场4′的流道的首端相连通，气体进口树状结构流场4与气体出口树状结构流场4′之间为气体平行流场5，气体平行流场5的流道分别与气体进口树状结构流场4的流道的末端、气体出口树状结构流场4′的流道的末端相连通(阳极流场由气体进口树状结构流场4、气体平行流场5、气体出口树状结构流场4′组成)；
阴极板3上的氧化剂进口8处设有一段氧化剂进口树状结构流场9，阴极板3上的氧化剂出口8′处设有一段氧化剂出口树状结构流场9′，氧化剂进口8与氧化剂进口树状结构流场9的流道的首端相连，氧化剂出口8′与氧化剂出口树状结构流场9′的流道的首端相连通，氧化剂进口树状结构流场9与氧化剂出口树状结构流场9′之间为氧化剂平行流场10，氧化剂平行流场10的流道分别与氧化剂进口树状结构流场9的流道的末端、氧化剂出口树状结构流场9′的流道的末端相连通(阴极流场由氧化剂进口树状结构流场9、氧化剂平行流场10、氧化剂出口树状结构流场9′组成)。
支撑框架2上设有冷却流道，冷却流道分别与冷却液进口6和冷却液出口6′相连通。
气体进口树状结构流场4的面积与气体出口树状结构流场4′的面积相等。氧化剂进口树状结构流场9与氧化剂出口树状结构流场9′的面积相等。
气体进口树状结构流场4由一条气体进口主干流道和多个气体进口分支流道组成(所述多个为6-100个，具体个数根据需要确定)，气体进口主干流道与燃料气体进口7相连通，气体进口主干流道上设有多个气体进口分支流道，气体进口分支流道与气体平行流场的流道相连通；气体出口树状结构流场4′由一条气体出口主干流道和多个气体出口分支流道组成(所述多个为6-100个，具体个数根据需要确定)，气体出口主干流道与燃料气体出口7′相连通，气体出口主干流道上设有多个气体出口分支流道，气体出口分支流道与气体平行流场的流道相连通。
氧化剂进口树状结构流场9由一条氧化剂进口主干流道和多个氧化剂进口分支流道组成(所述多个为6-100个，具体个数根据需要确定)，氧化剂进口主干流道与氧化剂进口8相连通，氧化剂进口主干流道上设有多个氧化剂进口分支流道，氧化剂进口分支流道与氧化剂平行流场10的流道相连通；氧化剂出口树状结构流场9′由一条氧化剂出口主干流道和多个氧化剂出口分支流道组成(所述多个为6-100个，具体个数根据需要确定)，氧化剂出口主干流道与氧化剂出口8′相连通，氧化剂出口主干流道上设有多个氧化剂出口分支流道，氧化剂出口分支流道与氧化剂平行流场10的流道相连通。
气体进口主干流道和多个气体进口分支流道的尺寸满足Murray定律。气体进口主干流道和气体进口分支流道之间的关系满足
Figure BDA0000027721670000051
Δ为直径指数，d为气体进口主干流道直径，d1为分支后分支流道直径、d2为分支后次主干流道的直径；同时，气体进口主干流道与其气体进口分支流道的夹角为Murray最优角度，气体进口主干流道与气体进口分支流道的夹角满足
Figure BDA0000027721670000052
θ为气体进口主干流道与气体进口分支流道的夹角，r为气体进口主干流道的半径，r2为气体进口分支流道的半径。
同样，气体出口主干流道和多个气体出口分支流道的尺寸满足Murray定律。
同样，氧化剂进口主干流道和多个氧化剂进口分支流道的尺寸满足Murray定律。氧化剂出口主干流道和多个氧化剂出口分支流道的尺寸满足Murray定律。
因树状结构流场的流道满足Murray定律，反应气体从燃料气体进口7进入气体进口树状结构流场4，进入气体进口主干流道的反应气体能均匀地流入各气体进口分支流道，最后到达气体平行流场5参与化学反应，反应后的产物通过多个气体出口分支流道汇入气体出口主干流道，经燃料气体出口7′排出。树状结构流场在整个过程中起着重要的作用，一方面，为反应区的平行流场提供了均匀的反应气体，另一方面，及时排出反应产物及热量，减少燃料电池的“水淹”。
所述质子交换膜燃料电池双极板采用石墨材料铣削或雕刻制成，或采用表面改性金属板冲压制成。
实验对比：本实施例1中阳极板1的结构如图3所示，阴极板3的结构如图4所示，两种流场的几何参数及操作参数如表1：
表1流场计算参数
Figure BDA0000027721670000053
表1的两种流场的极化曲线如图6所示，功率密度曲线如图7所示。由此可见，在滴电流密度的时，给定的通气量下，电压及功率相差不大，当大电流密度时，由于大量的气体的消耗，平行流场气体分布不均匀，致使各流道产生的电流比一致，给稳定性造成一定的影响。
图8为I＝1.3A/m2时的分支流道入口处气体的流动速度，平行流场的流道由于阻力的不同使气体的流速不同，而树状分支流道内的气体流速基本一致。由此可见，本发明提高了燃料电池的性能和稳定性。
实施例2：
如图5所示，图5为实施例2的极板的结构示意图(双极板的树状多重分支流场结构)，其结构形式与实施例1基本相同，不同之处在于：气体进口分支流道(相对而言，它是再次分支的主干流道)上再设气体进口子分支流道(根据实际需要，分支流道的末端可以分成两条子分支也可以分成三条子分支，这样可以生成任何数目的分支流道，本实施例中，主干上产生的分支流道上再产生三条子分支流道)，气体进口子分支流道与平行流场的流道相连通；气体出口分支流道(相对而言，它是再次分支的主干流道)上再设气体出口子分支流道(根据实际需要，分支流道的末端可以分成两条子分支也可以分成三条子分支，这样可以生成任何数目的分支流道，本实施例中，主干上产生的分支流道上再产生三条子分支流道)，气体出口子分支流道与平行流场的流道相连通。
开设分支流道后的主干流道因流量的减少，主干流道的尺寸将相应减小，再在分支后的主干流道上开设分支流道，开设的支分数目可以相同也可以不同，以此类推，直到主干流道不能再分为止。
在实际的应用中，以上几种流场结构可以互换使用。

Claims (7)

1.一种树状结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，它包括阳极板(1)、阴极板(3)、支撑框架(2)，阳极板(1)与阴极板(3)由支撑框架(2)固定连接，支撑框架(2)位于阳极板(1)与阴极板(3)之间，阳极板(1)的左侧面设有阳极流场，阴极板(3)的右侧面设有阴极流场，阳极板(1)、阴极板(3)上均设有三个进口和三个出口，分别是：燃料气体进口(7)、燃料气体出口(7′)、氧化剂进口(8)、氧化剂出口(8′)、冷却液进口(6)、冷却液出口(6′)；其特征在于：阳极板(1)上的燃料气体进口(7)处设有一段气体进口树状结构流场(4)，阳极板(1)上的燃料气体出口(7′)处设有一段气体出口树状结构流场(4′)，燃料气体进口(7)与气体进口树状结构流场(4)的流道的首端相连，燃料气体出口(7′)与气体出口树状结构流场(4′)的流道的首端相连通，气体进口树状结构流场(4)与气体出口树状结构流场(4′)之间为气体平行流场(5)，气体平行流场(5)的流道分别与气体进口树状结构流场(4)的流道的末端、气体出口树状结构流场(4′)的流道的末端相连通；
阴极板(3)上的氧化剂进口(8)处设有一段氧化剂进口树状结构流场(9)，阴极板(3)上的氧化剂出口(8′)处设有一段氧化剂出口树状结构流场(9′)，氧化剂进口(8)与氧化剂进口树状结构流场(9)的流道的首端相连，氧化剂出口(8′)与氧化剂出口树状结构流场(9′)的流道的首端相连通，氧化剂进口树状结构流场(9)与氧化剂出口树状结构流场(9′)之间为氧化剂平行流场(10)，氧化剂平行流场(10)的流道分别与氧化剂进口树状结构流场(9)的流道的末端、氧化剂出口树状结构流场(9′)的流道的末端相连通。
2.根据权利要求1所述的一种树状结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：气体进口树状结构流场(4)的面积与气体出口树状结构流场(4′)的面积相等。
3.根据权利要求1所述的一种树状结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：氧化剂进口树状结构流场(9)与氧化剂出口树状结构流场(9′)的面积相等。
4.根据权利要求1所述的一种树状结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：气体进口树状结构流场(4)由一条气体进口主干流道和多个气体进口分支流道组成，气体进口主干流道与燃料气体进口(7)相连通，气体进口主干流道上设有多个气体进口分支流道，气体进口分支流道与气体平行流场的流道相连通；气体出口树状结构流场(4′)由一条气体出口主干流道和多个气体出口分支流道组成，气体出口主干流道与燃料气体出口(7′)相连通，气体出口主干流道上设有多个气体出口分支流道，气体出口分支流道与气体平行流场的流道相连通。
5.根据权利要求1所述的一种树状结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：氧化剂进口树状结构流场(9)由一条氧化剂进口主干流道和多个氧化剂进口分支流道组成，氧化剂进口主干流道与氧化剂进口(8)相连通，氧化剂进口主干流道上设有多个氧化剂进口分支流道，氧化剂进口分支流道与氧化剂平行流场(10)的流道相连通；氧化剂出口树状结构流场(9′)由一条氧化剂出口主干流道和多个氧化剂出口分支流道组成，氧化剂出口主干流道与氧化剂出口(8′)相连通，氧化剂出口主干流道上设有多个氧化剂出口分支流道，氧化剂出口分支流道与氧化剂平行流场(10)的流道相连通。
6.根据权利要求1所述的一种树状结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：气体进口主干流道和多个气体进口分支流道的尺寸满足Murray定律，气体出口主干流道和多个气体出口分支流道的尺寸满足Murray定律。
7.根据权利要求1所述的一种树状结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于：氧化剂进口主干流道和多个氧化剂进口分支流道的尺寸满足Murray定律，氧化剂出口主干流道和多个氧化剂出口分支流道的尺寸满足Murray定律。
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