CN102983343A - 带有亲水导流针的质子交换膜燃料电池流道 - Google Patents

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李献国
杜青
尹燕
焦魁
秦彦周
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Abstract

本发明公开了带有亲水导流针的质子交换膜燃料电池流道，它包括电池流道,在所述的电池流道的底壁上设置具有导流针，所述的导流针的表面接触角不大于100°。本发明的优点：本发明结构简单，灵敏度高，易于加工且成本较低，在流道中插入亲水导流针，加快阴极产生的水快速脱离电极表面到达流道壁面，有效预防或缓解阴极水淹。能将质子交换膜燃料电池阴极膜电极排水效率提高一倍以上，由于亲水导流针的植入，使得阴极产生的水脱离扩散层表面的时间缩短一半以上。

Description

带有亲水导流针的质子交换膜燃料电池流道
技术领域
本发明涉及一种电池流道，尤其涉及利于质子交换膜燃料电池阴极水排出的流道。
背景技术
质子交换膜燃料电池的气体流道及多孔扩散电极是燃料反应气传输的必经之路，影响到整个燃料电池的传质过程，最终影响电池的输出性能。一种典型的传统燃料电池流道为平行流道，如图1所示。图中箭头方向为气体传输通道内气体传输方向。由于燃料电池阴极电化学反应产生的水会充满多孔电极，造成扩散层内的气体传输通道被堵塞，引起水淹，带来反应气体的传质阻力甚至引起断流，最终导致电池性能的迅速衰减。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种高效除水、使阴极产生的水脱离扩散层表面的时间缩短一半以上并且有效预防或缓解质子交换膜燃料电池阴极水淹问题的带有亲水导流针的质子交换膜燃料电池流道。
本发明的带有亲水导流针的质子交换膜燃料电池流道，它包括电池流道,在所述的电池流道的底壁上设置具有导流针，所述的导流针的表面接触角不大于100°。
本发明的优点：
本发明结构简单，灵敏度高，易于加工且成本较低，在流道中插入亲水导流针，加快阴极产生的水快速脱离电极表面到达流道壁面，有效预防或缓解阴极水淹。能将质子交换膜燃料电池阴极膜电极排水效率提高一倍以上，由于亲水导流针的植入，使得阴极产生的水脱离扩散层表面的时间缩短一半以上。
附图说明
图1是质子交换膜燃料电池平行流道示意图；
图2是本发明的带有亲水导流针的质子交换膜燃料电池流道中设置有一个导流针的电极流道示意图；
图3是本发明的电极流道带有等距排列多个导流针的结构示意图；
图4是本发明的电极流道带有不同间距排列多个导流针的结构示意图；
图5是本发明的电极流道带有交叉对称等距排列多个导流针的结构示意图；
图6是本发明的电极流道带有交叉对称不同间距排列多个导流针的结构示意图。
具体实施方式
本发明是在传统质子交换膜平行流道结构上的改进，根据导流针亲水性、几何形状及尺寸、以及数量及排列可以调控的特点，提高除水效率，缩短除水时间，实现不同排水能力的电池流道的设计加工，满足不同工况下质子交换膜燃料电池的输出性能及稳定性。
如图2所示，本发明的带有亲水导流针的质子交换膜燃料电池流道，它包括电池流道，在所述的电池流道1的底壁上设置导流针2，所述的导流针的表面接触角不大于100°。
优选的导流针的表面接触角为从0°到90°，具有较高的亲水性，能够快速吸引相邻膜电极表面的水。随着表面接触角的减小，导流针的亲水能力逐渐增强。当所述的导流针为多个时，导流针的设置为沿流道方向即气体流动方向展开，优选的导流针呈间距为1mm-50mm的等距排列或者不同间距排列。在定长的流道范围内，不同间距排列所用的导流针个数比等距排列所用针的个数少，使得由导流针本身所带来的压力降有所减小。
所述的导流针的几何形状可以为圆柱体、立方体、棱柱体、圆锥体、棱锥体，具有一定的可加工性。
优选的导流针的个数为从1到100的整数，导流针的设置保证了相邻膜电极表面有大量水存在时，能够使水快速脱离电极表面到达流道底部。
优选的多个导流针沿流道方向呈等距离排列，使得膜电极表面的水能均匀快速排出。
优选的多个导流针沿流道方向呈渐宽式不同间距排列，在加速水排出的同时减小流道中压力降。
优选的多个导流针沿流道方向呈对称交叉式等距排列，有利于膜电极表面的水均匀快速排出。
优选的多个导流针沿流道方向呈对称交叉式不同间距排列，在加速水排出的同时减小流道中压力降。
优选的所述的导流针的直径或边长可以为0.01-0.5mm，所述的导流针的长度可以为0.1-0.9mm。
采用本结构的电池流道的工作过程为：在流道的入口处给予一个进口压力，燃料气以一定的流速在流道中传输，流道相邻的膜电极表面产生由于电化学反应生成的水，初始状态为小水滴贴在膜电极扩散层表面。在一定流速的燃料气的流动过程中，会对小水滴产生吹拂作用，由于导流针的亲水作用及毛细效应，膜电极表面的水与导流针发生接触，继而被牵引脱离膜电极表面，然后在沿流道气流方向运动的同时向流道底部运动直到抵达流道底部，并在流道底部拓展成液膜，直至从流道排出。此过程为连续过程，即膜电极表面的水不断地被导流针牵引脱离电极扩散层表面到达流道底端并被排出。
下面再结合具体实施例对本发明加以详细说明：
以圆柱体为例插入亲水导流针的几何尺寸参数见表1。
表1质子交换膜流道中导流针的尺寸设定参数
Figure BDA00002484064200041
导流针直径对液滴脱离膜电极表面时间TD,及液滴到达流道底部时间TL的影响结果见表2。
表2导流针直径对水滴脱离膜电极表面时间TD,到达流道底部时间TL的影响
Figure BDA00002484064200042
从表2可以看出：固定导流针的长度，随着导流针直径的增加，水滴脱离膜电极表面的时间依次缩短，与未设置导流针的传统流道相比，水脱离膜电极表面的时间（TD）大大缩短，即导流针的设置加速了水从电极扩散层表面的脱离过程。与此同时，随着导流针直径的增大，水到达流道底部的时间（TL）也依次减小。与未设置导流针的传统流道相比，导流针的设置加速了水从电极扩散层到达流道底部的传输过程。
导流针长度对液滴脱离膜电极表面时间TD,及液滴到达流道底部时间TL的影响结果见表3。
表3导流针长度对水滴脱离膜电极表面时间TD,到达流道底部时间TL的影响
Figure BDA00002484064200051
从表3可以看出：固定导流针的直径，随着导流针长度的增加，水滴脱离膜电极表面的时间（TD）依次缩短。与此同时，随着导流针长度从0.1mm增加到0.7mm，水到达流道底部的时间（TL）从14.30ms减小至10.10ms。当导流针长度继续增大到0.9mm时，由于导流针的亲水性和毛细作用，水滴停留在导流针上的时间延长，到达流道底部的时间也有所滞后。但是综合来说，与未设置导流针的传统流道相比，导流针的设置加速了水从电极扩散层表面脱离及到达流道底部的传输过程。

Claims (10)

1.带有亲水导流针的质子交换膜燃料电池流道，它包括电池流道，其特征在于：在所述的电池流道的底壁上设置具有导流针，所述的导流针的表面接触角不大于100°。
2.根据权利要求1所述的带有亲水导流针的质子交换膜燃料电池流道，其特征在于：所述的导流针的表面接触角为从0°到90°。
3.根据权利要求1或2所述的带有亲水导流针的质子交换膜燃料电池流道，其特征在于：所述的导流针的几何形状为圆柱体、立方体、棱柱体、圆锥体或棱锥体。
4.根据权利要求3所述的带有亲水导流针的质子交换膜燃料电池流道，其特征在于：所述的导流针的个数为从1到100的整数。
5.根据权利要求3所述的带有亲水导流针的质子交换膜燃料电池流道，其特征在于：所述的多个导流针沿流道方向呈等距离排列。
6.根据权利要求3所述的带有亲水导流针的质子交换膜燃料电池流道，其特征在于：多个所述的导流针沿流道方向呈渐宽式不同间距排列。
7.根据权利要求3所述的带有亲水导流针的质子交换膜燃料电池流道，其特征在于：多个所述的导流针沿流道方向呈对称交叉式等距排列。
8.根据权利要求3所述的带有亲水导流针的质子交换膜燃料电池流道，其特征在于：多个所述的导流针沿流道方向呈对称交叉式不同间距排列。
9.根据权利要求3所述的带有亲水导流针的质子交换膜燃料电池流道，其特征在于：多个所述的导流针呈间距为1mm-50mm的等距排列或者不同间距排列并且在定长的流道范围内，不同间距排列所用的导流针个数比等距排列所用针的个数少。
10.根据权利要求1所述的带有亲水导流针的质子交换膜燃料电池流道，其特征在于：所述的导流针的直径或边长为0.01-0.5mm，所述的导流针的长度为0.1-0.9mm。
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