CN103346337A - 一种燃料电池流道 - Google Patents

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杜青
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Abstract

本发明公开了一种燃料电池流道，它包括设置在流场板上的电池流道，所述的电池流道包括入口和出口，所述的电池流道的设置结构为：自入口由外向内按照顺时针方向盘绕多圈至流场板中心形成顺时针电池流道，再从流场板中心按照逆时针方向盘绕多圈至出口形成逆时针电池流道，相邻两圈的电池流道为顺时针电池流道和逆时针电池流道交替设置。本发明结构有效促进了气体传输的均匀性，使得燃料电池的平均性能得到大幅度提高；缓解了阳极侧电解质膜的局部干涸现象，减小了流道入口至出口的压力损失，同时起到了强制排水的效果，使得阴极产生的水能够快速排出扩散层并通过流道到达出口，有效预防或缓解阴极水淹。

Description

一种燃料电池流道
技术领域
本发明涉及一种流道，尤其涉及用于燃料电池流体传输的流道。
背景技术
燃料电池的气体流道是燃料反应气从外部传输到电池内部的主要通道之一，气体传输的均匀性直接影响到整个燃料电池的燃料利用率及传质效率，最终影响电池的发电特性。一种典型的传统燃料电池流道为蛇形流道，如图1所示，气体通过入口1进入流道，经过流道从出口2排出。图中箭头方向为气体传输流道内气体传输方向。由于蛇形流道的总长度较大，导致流道进出口的压力损失较大，使得反应气在流道内的分布不均匀，从而影响电池性能的稳定性。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种有利于提高气体、液体传输均匀性并且能起到强制排水作用的一种燃料电池流道，本流道可使阴极产生的水在流道内均匀分布且快速排出，缓解阴极水淹问题，同时由于反应气体的分布趋于均匀，使得电池的平均性能得到提高。
本发明的一种燃料电池流道，它包括设置在流场板上的电池流道，所述的电池流道包括入口和出口，所述的电池流道的设置结构为：自入口由外向内按照顺时针方向盘绕多圈至流场板中心形成顺时针电池流道，再从流场板中心按照逆时针方向盘绕多圈至出口形成逆时针电池流道，相邻两圈的电池流道为顺时针电池流道和逆时针电池流道交替设置。
本发明的优点：
本发明结构简单，易于加工且成本较低，通过流道流动由外向里，再由里向外的反向流动设置，使得相邻流道间的压差和反应气浓度差增大，这种提高相邻流道气体浓度梯度、压力梯度的流道设置促进了反应气的强迫对流与扩散，有效促进了气体传输的均匀性，使得燃料电池的平均性能得到大幅度提高；另一方面，相邻流道间较大的压力梯度促进了传质特别是水的传输，使得流道内水分布的均匀性得到改善，缓解了阳极侧电解质膜的局部干涸现象，减小了流道入口至出口的压力损失，同时起到了强制排水的效果，使得阴极产生的水能够快速排出扩散层并通过流道到达出口，有效预防或缓解阴极水淹；由于反应气体的分布趋于均匀，使得电池的平均性能得到提高，这种优异性在较低湿度及较高温度下尤为明显。
附图说明
图1是已有结构的质子交换膜燃料电池蛇形流道示意图；
图2是作为本发明的一种燃料电池流道的一种实施方式的矩形电极流道示意图；
图3是作为本发明的一种燃料电池流道的第二种实施方式的圆形等间距电极流道示意图；
图4是作为本发明的一种燃料电池流道的第三种实施方式的圆弧形递减式间距电极流道示意图；
图5是作为本发明的一种燃料电池流道的第四种实施方式的圆弧形递增式间距电极流道示意图；
图6-1、6-2、6-3、6-4分别是本发明的一种燃料电池流道的不同形状电极流道截面结构的示意图；
图7是现有蛇形流道的阴极压差与气体流速的关系图以及采用本发明流道的阴极压差与气体流速的关系图；
图8是现有蛇形流道的燃料电池在80℃及100%相对湿度下的伏安曲线以及同条件下采用本发明流道组成的燃料电池伏安曲线。
具体实施方式
本发明是在传统质子交换膜蛇形流道结构上的改进，根据流道总体布局形状、单流道几何形状及尺寸、以及数量及排列可以调控的特点，提高反应气传输均匀性、阴极水分布均匀性及缩短流道排水的时间，实现不同排水能力及电池平均性能的电池流道的设计加工，可以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，本发明的一种燃料电池流道，它包括设置在流场板上的电池流道，所述的电池流道包括入口1和出口2，所述的电池流道的设置结构为：自入口1由外向内按照顺时针方向盘绕多圈至流场板中心形成顺时针电池流道，再从流场板中心按照逆时针方向盘绕多圈至出口2形成逆时针电池流道，相邻两圈的电池流道为顺时针电池流道和逆时针电池流道交替设置。由外向内顺时针流动以及由内向外逆时针流动的质子交换膜燃料电池流道，相邻流道的流体传输方向相反。相邻流道的反应气浓度梯度与压力梯度导致两个优异性能：1）强化了反应气的传输均匀性，有利于提高电池的平均性能；2）强化了水在流道内的流动及水浓度分布均匀性，有利于缓解阴极水淹。
所述的电池流道在流场板的布局几何形状可以是矩形、圆形、椭圆形，具有一定的可加工性。电池流道在一块流场板中可以设置为一个也可以设置为多个，总体数量可以为奇数，也可以为偶数。
所述的电池流道的表面接触角为从0°到90°，具有较高的亲水性。随着表面接触角的减小，流道的亲水能力逐渐增强。
所述的电池流道截面形状可以是矩形、三角形、梯形、弧形，单个电池流道从进口至出口的长度为0.5米—20米，电池流道的最大宽度和深度处的宽度和深度为0.2毫米—3毫米，相邻两圈电池流道的间距为0.2毫米—3毫米。
所述的相邻两圈电池流道间距为等距排列，相邻流道的压力梯度相对稳定，利于反应气流在整个流场板的均匀传输。
所述的相邻两圈电池流道间距为递减式排列，相邻流道的压力梯度由外向内逐渐减小，促进了流场板流道整体范围的强化气体传输与水传输。
所述的相邻两圈电池流道间距为递增式排列，相邻流道的压力梯度由外向内逐渐增加，促进了流场板流道整体范围的强化气体传输与水传输。
采用本结构设计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自外向内首先沿顺时针（或逆时针）方向在流道中传输，到达流场板中心位置后，燃料气自内向外沿逆时针（或顺时针）方向朝出口流动，相邻两个流道的流体传输方向正好相反。由于相邻流道间的压力梯度及对流产生的强化传输作用，流体沿流动方向的压力损失带来的传质阻力被减小，反应气流被一定程度的强迫传输至流道下方的多孔扩散层，起到了强化传质的作用。同时，这种相邻流道间的强迫对流作用对于存在流道中的水起到了一定的疏导作用，促使气流能更有效的吹动水滴的运动，并且进一步推动流道中水的流动，使得水的分布更加均匀，因此流道入口至出口的压力损失减小，对于阳极来说，避免了水分布不均造成的电解质膜的局部干燥，对于阴极流道来说，可以有效地预防和缓解水淹，总体上有利于提高电池的发电特性。
下面结合具体实施例对本发明加以详细说明：
现有技术比较例：阴极流道入口出口之间的压力降与气流速度的关系如图7所示。随着气流速度的逐渐增大，压力降呈线性增加趋势，当气流速度达到6000sccpm时，流道进出口的压力降超过了140kPa。
本发明的实施例：如图7所示，当用改进布局设计的流道时，在同样条件下，实施例的压力降损失明显减小。在6000sccpm的流速时，采用本发明的结构所做的实施例1和2对应的流道进出口的压力降分别为83kPa和72kPa，远远低于现有技术的比较例数值。压力降损失的减小证明了流道内的传质过程的均匀性得到了提高。
现有技术比较例：应用普通蛇形流道的电池极化曲线如图8所示，实验条件为：100%RH，化学计量比：空气:3;氢气:1.5,操作压力：1atm，操作温度：80℃。随着电流密度的逐渐增大，输出电压逐渐降低，电流密度为0.5A/cm2时，电池的输出电压为0.48V，电池的能量密度达到峰值0.24W/cm2。
本发明的实施例：如图8所示，当采用本发明的改进布局设计的流道组装成电池后，同样实验条件下，电池的输出性能获得了明显提升，电流密度为0.6A/cm2时，电池的输出电压为0.48V，电池的能量密度达到峰值0.29W/cm2。

Claims (10)

1.一种燃料电池流道，它包括设置在流场板上的电池流道，所述的电池流道包括入口和出口，其特征在于：所述的电池流道的设置结构为：自入口由外向内按照顺时针方向盘绕多圈至流场板中心形成顺时针电池流道，再从流场板中心按照逆时针方向盘绕多圈至出口形成逆时针电池流道，相邻两圈的电池流道为顺时针电池流道和逆时针电池流道交替设置。
2.根据权利要求1所述的燃料电池流道，其特征在于：所述的电池流道在流场板的布局几何形状为矩形、圆形或椭圆形。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池流道，其特征在于：所述的电池流道截面形状为矩形、三角形、梯形或弧形。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池流道，其特征在于：相邻两圈所述的电池流道间距为等距排列。
5.根据权利要求1或2所述的燃料电池流道，其特征在于：相邻两圈所述的电池流道间距为递减式排列。
6.根据权利要求1或2所述的燃料电池流道，其特征在于：相邻两圈所述的电池流道间距为递增式排列。
7.根据权利要求1或2所述的燃料电池流道，其特征在于：所述的电池流道从进口至出口的长度为0.5米—20米。
8.根据权利要求1或2所述的燃料电池流道，其特征在于：电池流道的最大宽度和深度处的宽度和深度为0.2毫米—3毫米。
9.根据权利要求1或2所述的燃料电池流道，其特征在于：相邻两圈电池流道的间距为0.2毫米—3毫米。
10.根据权利要求1或2所述的燃料电池流道，其特征在于：所述的电池流道的表面接触角不大于90°。
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