CN103413956A - 一种质子交换膜燃料电池流道 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池流道，它包括设置在双极板上的电池流道，所述的电池流道包括具有入口的入口流道、具有出口的出口流道以及至少一个分支流道，每一个分支流道的进口分别与入口流道相连通，每一个分支流道的出口分别与出口流道相连通，沿气体流动方向在每一个分支流道壁上间隔设置有至少一个变径结构，每一个分支流道的最大宽度处和最小宽度处的宽度比值为大于1小于等于10之间的数值。本发明结构简单，有效预防或缓解阴极水淹；反应气利用率的提高和水传输均匀性的提高，两方面的作用使得电池的综合性能得到提高。

Description

一种质子交换膜燃料电池流道
技术领域
本发明涉及一种流道，尤其涉及用于质子交换膜燃料电池反应气体传输的流道。
背景技术
质子交换膜燃料电池以氢气和氧气作为燃料，将化学能直接转变为电能，是环境友好的发电装置之一。作为燃料反应气的氢气和氧气通过双极板的气体流道进入气体扩散层，进而到达催化层进行电化学反应。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，气体传输过程中的反应气利用率是影响整个燃料电池的燃料利用率及电池效率的要素之一。平行流道是典型的传统燃料电池流道之一，如图1所示，典型的流道包括具有入口的入口流道、具有出口的出口流道，至少一个分支流道，每一个分支流道的进口分别与入口流道相连通，每一个分支流道的出口分别与出口流道相连通，气体通过入口1进入流道，经过流道从出口2排出。图中箭头方向为流道内气体传输方向。由于平行流道的结构特点导致反应气体利用率较低，且在大电流密度下电池内产生的水容易聚集在阴极流道，阻塞传质通道，从而影响电池性能。申请号为CN201080042474.2，发明名称为“具有流管理系统的可再充电金属-空气电池”，公开的结构为电极保持器包括腔体，用于保持燃料电极；至少一个入口，在腔体的一侧连接到腔体并被配置为向腔体供给离子导电介质；以及至少一个出口，在腔体的相对侧连接到腔体并被配置为允许离子导电介质流出腔体。多个间隔器以彼此间隔的关系延伸跨越燃料电极以及腔体以限定在腔体中的多个流道。该结构的特征是靠近流道中心位置远离进出口方向的流道宽度相同，无变径结构，该结构有利于液体燃料或固体颗粒物燃料在流道中的保持，相较而言在可循环的气体保持及利用方面不占优势，在以氢气为燃料的燃料电池中与传统的平行流道类似。在文献报道中（Fuel Cells,2010,10(4)p489;International Journal of Hydrogen Energy,2013,38,p3717）曾有关于质子交换膜燃料电池流道设计的综述，但是文献综述中所描述的流道结构一般都围绕着传统的平行流道、蛇形流道或交指型流道，这些流道的共同点即是在分支流道中流道的宽度基本上无重复出现的变径结构。到目前为止，关于流道变径结构的质子交换膜燃料电池性能方面尚无相关报道。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种有利于提高气体传输效率并且能起到促进强制排水作用的一种质子交换膜燃料电池流道，本流道可使电极流道内气体的利用率大幅提高，同时使阴极产生的水从流道内快速排出，缓解阴极水淹，两方面的作用使得电池的平均性能得到提高。
本发明的一种质子交换膜燃料电池流道，它包括设置在双极板上的电池流道，所述的电池流道包括具有入口的入口流道、具有出口的出口流道以及至少一个分支流道，每一个分支流道的进口分别与入口流道相连通，每一个分支流道的出口分别与出口流道相连通，沿气体流动方向在每一个分支流道壁上间隔设置有至少一个变径结构，每一个分支流道的最大宽度处和最小宽度处的宽度比值为大于1小于等于10之间的数值。
本发明的优点：
本发明结构简单，易于加工且成本较低，通过在气体流动方向上设置不同宽度的流道变径结构，使得相同分支流道内的气体流动速度、浓度不均匀，导致压力梯度的存在，同时相邻分支流道间的压差和反应气浓度差增大，这种导致气体浓度梯度、压力梯度的人为干预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到紧密相连的扩散层内部，使得反应气利用率得到大幅度提高；另一方面，同一分支流道或相邻分支流道间较大的压力梯度促进了水的流动，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，同时起到了促进排水的效果，使得阴极产生的水能够快速通过流道排出到达出口，有效预防或缓解阴极水淹；反应气利用率的提高和水传输均匀性的提高，两方面的作用使得电池的综合性能得到提高。
附图说明
图1是已有的典型的质子交换膜燃料电池平行流道示意图；
图2是作为本发明的一种质子交换膜燃料电池流道的一种实施方式的圆弧形电池流道示意图；
图3-1、3-2、3-3、3-4是作为本发明的一种质子交换膜燃料电池流道的分支流道不同流道宽度形状的结构示意图；
图4-1、4-2分别是作为本发明的一种质子交换膜燃料电池流道的分支流道最宽尺寸和最小尺寸示意图；
图5是作为本发明的一种质子交换膜燃料电池流道的一种实施方式的三角形递增式顺序流道示意图；
图6是现有平行流道的燃料电池在60oC及100%相对湿度下的极化曲线以及同条件下采用本发明流道的燃料电池极化曲线。
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，提高反应气传输利用率、改善阴极水分布均匀性及促进排水过程，实现不同反应气利用率和不同排水能力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要求，尤其在大电流密度下具有更好的电池性能。
如图2所示，本发明的一种质子交换膜燃料电池流道，它包括设置在双极板上的电池流道，所述的电池流道包括具有入口1的入口流道、具有出口2的出口流道以及至少一个分支流道，每一个分支流道的进口分别与入口流道相连通，每一个分支流道的出口分别与出口流道相连通，沿气体流动方向在每一个分支流道壁上间隔设置有至少一个变径结构，每一个分支流道的最大宽度处和最小宽度处的宽度比值为大于1小于等于10之间的数值。相同流道内和相邻流道间反应气浓度梯度与压力梯度导致两个优异性能：1）优化了反应气的传输特性，提高了反应气利用率，有利于降低传质阻力，提高传质效率；2）不同压力梯度的混合气流促进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，改善水管理效果。
每一个分支流道的变径结构的宽度尺寸可以小于或大于相应分支流道的宽度尺寸。优选的所述的每一个分支流道的变径结构处的宽度尺寸大于分支流道的宽度尺寸，优点是易于加工。优选的每一个分支流道的变径结构沿气体流动方向的截面为圆弧形、三角形、矩形或梯形，具有一定的可加工性，进一步优选的每一个变径结构以气体流动方向的分支流道的中轴线为对称轴，在分支流道两侧呈轴对称设置。电池流道在一块流场板中可以设置为一个或多个，总体数量可以为奇数或偶数。
优选的如图3-1、3-2、3-3、3-4所示，变径结构处的宽度尺寸大于分支流道的宽度尺寸，变径结构（超出相应分支流道最小宽度的结构）由多边形组成时，多边形中相邻两边（如图3-1中ab线段和bc线段，以及图3-2、3-3、3-4中ab线段、bc线段、cd线段）的夹角为大于0o小于180o的数值。如图4-1、4-2所示，分支流道最大宽度尺寸与最小宽度尺寸的比值（h1/h2）为大于1小于等于10之间的数值。
变径结构的宽度可以是如图2所示，变径结构为多个并且等距间隔设置在分支流道壁上，当单个分支流道壁上变径结构处最大宽度尺寸为一个固定的常数时，最大宽度尺寸与最小宽度尺寸重复交替出现，出现最大宽度尺寸的次数为1-100次。也可以是如图5所示，单个分支流道上超过最小宽度的尺寸不唯一，多个变径结构等距间隔设置在分支流道壁上并且多个变径结构的宽度为递增式或递减式排列，或者是宽度递增式、递减式交替排列，也即：当单个分支流道上变径结构处的宽度尺寸为变值时，多个变径结构的宽度尺寸沿单个分支流道气流方向呈递增式排列，单个分支流道出现最大宽度的次数为1次。当单个分支流道上变径结构处的宽度尺寸为变值时，多个变径结构的宽度尺寸沿单个分支流道气流方向呈递减式排列，单个分支流道出现最大宽度的次数为1次。当单个分支流道上变径结构处的宽度尺寸为变值时，多个变径结构的宽度尺寸沿单个分支流道气流方向呈递增、递减交替式排列，单个分支流道出现最大宽度的次数为2-50次。同一分支流道和相邻分支流道的压力梯度利于反应气流在整个流场板的强制传输。
采用本结构设计的质子交换膜燃料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部进入流道，由于流道的宽度是变化的，同一分支流道内部的气体浓度和压力会产生变化，导致气体的压力梯度增大；同时相邻两个分支流道间的气体浓度分布不均匀，也使得流道间的压力梯度不均匀；两方面的作用强化了流道内的气体对流，起到了强化传输作用，流体沿流动方向的压力损失带来的传质阻力被减小，提高了反应气利用率。同时，流道内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，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。对于大电流工作条件下的燃料电池来说，需要反应气供给充足，阴极产生水大量排出，这种流道结构设置的优越性更为明显。
下面结合具体实施例对本发明加以详细说明：
表1质子交换膜燃料电池阳极流道的氢气利用率
Figure BDA0000366731030000061
现有技术比较例：利用平行流道自组装燃料电池的阳极氢气利用率如表1所示。随着气流速度的逐渐增大，氢气利用率显著降低，当气流速度为150mL/min时，氢气利用率为83%。
本发明的实施例：如表1所示，当用改进设计的流道时，在同样条件下，实施例的氢气利用率显著提高。在150mL/min的流速时，采用本发明的结构所做的实施例1和2对应的阳极氢气利用率分别为91%和92%，远远高于现有技术的比较例数值。氢气利用率的提高证明了流道内的气体传质效率得到了提高。
现有技术比较例：应用普通平行流道的质子交换膜燃料电池极化曲线如图6所示，实验条件为：100%RH，化学计量比：空气:2；氢气:1.5，操作压力：0.1MPa，操作温度：60oC。随着电流密度的逐渐增大，输出电压逐渐降低，电流密度为0.9A/cm2时，电池的输出电压为0.48V，能量密度达到峰值0.43W/cm2，当电流密度继续增大时（大电流区域，阴极会产生较多水，若排出不畅则电池性能下降），电池的输出电压和功率密度急剧下降。
本发明的实施例：如图6所示，当采用本发明的改进设计的流道组装成燃料电池后，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1.2A/cm2时，电池的输出电压为0.49V，能量密度达到峰值0.59W/cm2，继续增大电流密度到1.5A/cm2,电池的输出电压仍大于0.3V，电池的功率密度仍保持在一个较高水平，从而证明了本发明流道结构在提高电池性能方面的优越性。

Claims (10)

1.一种燃料电池流道，它包括设置在双极板上的电池流道，所述的电池流道包括具有入口的入口流道、具有出口的出口流道以及至少一个分支流道，每一个分支流道的进口分别与入口流道相连通，每一个分支流道的出口分别与出口流道相连通，其特征在于：沿气体流动方向在每一个分支流道壁上间隔设置有至少一个变径结构，每一个分支流道的最大宽度处和最小宽度处的宽度比值为大于1小于等于10之间的数值。
2.根据权利要求1所述的燃料电池流道，其特征在于：所述的每一个分支流道的变径结构处的宽度尺寸大于分支流道的宽度尺寸。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池流道，其特征在于：所述的每一个分支流道的变径结构沿气体流动方向的截面为圆弧形、三角形、矩形或梯形。
4.根据权利要求3所述的燃料电池流道，其特征在于：每一个变径结构以气体流动方向的分支流道的中轴线为对称轴，在分支流道两侧呈轴对称设置。
5.根据权利要求1或2所述的燃料电池流道，其特征在于：变径结构由多边形组成时，多边形中相邻两边的夹角为0-180o。
6.根据权利要求1或2所述的燃料电池流道，其特征在于：所述的变径结构为多个并且等距间隔设置在分支流道壁上。
7.根据权利要求1或2所述的燃料电池流道，其特征在于：当单个分支流道上变径结构处最大宽度尺寸为一个固定的常数时，单个分支流道上最大宽度尺寸与最小宽度尺寸重复交替出现，出现最大宽度尺寸的次数为1-100次。
8.根据权利要求1或2所述的燃料电池流道，其特征在于：当单个分支流道上变径结构处的宽度尺寸为变值时，多个变径结构的宽度尺寸沿单个分支流道气流方向呈递增式排列，单个分支流道出现最大宽度的次数为1次。
9.根据权利要求1或2所述的燃料电池流道，其特征在于：当单个分支流道上变径结构处的宽度尺寸为变值时，多个变径结构的宽度尺寸沿单个分支流道气流方向呈递减式排列，单个分支流道出现最大宽度的次数为1次。
10.根据权利要求1或2所述的燃料电池流道，其特征在于：当单个分支流道上变径结构处的宽度尺寸为变值时，多个变径结构的宽度尺寸沿单个分支流道气流方向呈递增、递减交替式排列，单个分支流道出现最大宽度的次数为2-50次。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20131127