CN104091956A - 区域化、逆流道的大功率空冷型pemfc电堆双极板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种区域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC电堆双极板。通过结合平行流道与蛇形流道的特点，实现流道的区域化、逆流化的设计，在不降低流道有效面积的情况下，有效降低流道的压降损失，提高氢气利用率，解决了目前空冷型燃料电池氢气利用率低的难题，同时，利用区域化的进气方式，达到了氢气浓度在垂直方向的相对均一性分布，可通过更改空气的进气方向实现空气与氢气的并流或逆流运动，整体提高电堆的稳定性和均匀性；还通过专用的密封槽道错位设计，解决了空冷型电堆密封槽道分布不均的问题，达到了相同密封槽道空间位置处仅具有单层胶的目的，有利于密封材料的布局及安放，可有效提高燃料电池组的气密性。

Description

区域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC电堆双极板
技术领域
本发明公开了一种区域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC电堆双极板，应用于质子燃料电池技术领域，特别针对大功率空冷型燃料电池的空冷型双极板设计。
背景技术
当前，空冷型PEMFC阳极板的流道结构主要为平行流道和蛇形流道，两者在≤100瓦的PEMFC电堆中应用较广。由于小功率的PEMFC电堆的阳极板短，且相对有效面积小，所以流道中的氢气压力分布和浓度分布相对均一，能够满足小型PEMFC电堆的使用要求。然而上述两种流道应用于大功率的空冷型PEMFC电堆时，由于单片电池的阳极板的长度增倍，其有效面积急剧增大，如仍采用传统的平行流道会导致氢气压力梯度在流道中分布过小，不易将反应生成的水快速带走，从而导致水淹；另，蛇形流道导致氢气压力梯度过大，致使氢气利用率较低，同时其进口位置处形成较大的压力场，容易压穿MEA造成电池损坏。所以，科学设计流道是大功率的空冷型PEMFC电堆发展的主要问题之一。
发明内容
本发明通过结合平行流道与蛇形流道的特点，实现流道的区域化、逆流化的设计，在不降低流道有效面积的情况下，有效降低流道的压降损失，提高氢气利用率，解决了目前空冷型燃料电池氢气利用率低的难题，同时，利用区域化的进气方式，达到了氢气浓度在垂直方向的相对均一性分布，可通过更改空气的进气方向实现空气与氢气的并流或逆流运动，整体提高电堆的稳定性和均匀性。同时，本发明通过专用的密封槽道错位设计，解决了空冷型电堆密封槽道分布不均的问题，达到了相同密封槽道空间位置处仅具有单层胶的目的，有利于密封材料的布局及安放，可有效提高燃料电池组的气密性。
具体的技术方案：
区域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC电堆双极板，包括阳极板、阴极板、阳极流道、阴极流道，阳极流道是由阳极板上的阳极脊壁形成，阴极流道是由阴极板上的阴极脊壁形成，阳极板划分为至少两个区域，所述的区域内的阳极流道为蛇形流道，蛇形流道的入口和出口分别通过直形流道与燃料进口和燃料出口连接。
进一步，所述的燃料出口和燃料出口分别位于阳极板的两端；燃料出口、各个区域、燃料入口依次排布。
进一步，所述的区域的数量为3～6个；更优选的是3个。
进一步，所述的蛇形流道的直管与燃料出口和燃料出口所处两端的连线平行或垂直。
进一步，所述的直形流道与燃料出口和燃料出口所处两端的连线平行。
进一步，所述的蛇形流道的入口位于燃料进口或者燃料出口的一侧。
进一步，每个区域的面积相等。
进一步，直形流道与蛇形流道的脊宽和槽宽相同。
进一步，脊宽与槽宽比例采用(1～2)：1。
进一步，阴极流道与燃料出口和燃料出口所处的两端的连线垂直；阴极流道的脊宽与槽宽比例采用(1.0～1.5)：1。
进一步，阳极板的外围设置有阳极密封槽道。
进一步，在燃料进口和/或燃料出口分别设置有燃料进口密封槽道和燃料出口密封槽道。
有益效果
本发明采用融合平行流道与蛇形流道的各自特点，区域化分隔流场，使氢气与空气实现逆流流动，优化了气压分布，提高了氢气的利用率，改善了氢气在双极板上的浓度分布，实现了氢气与空气浓度在垂直方向上的相对均匀化分布，提高系统的稳定性，实现大功率空冷型PEMFC的安全稳定运行。
附图说明
图1a一种大功率空冷型PEMFC区域化、逆流化双极板阳极面的结构示意图；
图1b是另一种大功率空冷型PEMFC区域化、逆流化双极板阳极面的结构示意图；
图1c是另一种大功率空冷型PEMFC区域化、逆流化双极板阳极面的结构示意图；
图1d是另一种大功率空冷型PEMFC区域化、逆流化双极板阳极面的结构示意图；
图1e是另一种大功率空冷型PEMFC区域化、逆流化双极板阳极面的结构示意图；
图2为高氢利用率的大功率空冷型PEMFC区域化、逆流化双极板阴极面的结构示意图。
图3a是一种双极板阳极面的CFD模拟计算的压力分布图；
图3b是另一种双极板阳极面的CFD模拟计算的压力分布图；
图3c是另一种双极板阳极面的CFD模拟计算的压力分布图；
图3d是另一种双极板阳极面的CFD模拟计算的压力分布图。
图4a是常规的平行流道的双极板的CFD模拟计算的压力分布图。
图4b是常规的蛇形流道的双极板的CFD模拟计算的压力分布图。
图5是图1a上半部分的局部放大图。
其中，10、阳极板；11、阳极流道；12、阳极脊壁；13、燃料进口；14、燃料出口；15、阳极密封槽道；20、阴极板；21、阴极流道；22、阴极脊壁；23、燃料进口密封槽道；24、燃料出口密封槽道；31、蛇形流道；32、直形流道。
具体实施方式
实施例1
双极板的结构
如图1a～图1e所示，分别是5种不同方案的用于大功率空冷型PEMFC双极板的阳极板的设计图。以图1a为例，阳极板10整体为长方形，其顶部设置有燃料进口13，底部设置有燃料出口14，在阳极板10的主体划分为三个等面积的区域，燃料进口13、三个区域、燃料出口14是从顶部到底部依次排布的，在每个区域内都设置有蛇形流道31，蛇形流道31从总体上看是连续的“弓”形，它是由直边与连接弯头依次连续连接而成，各个区域内的蛇形流道31的出口和入口分别通过直形流道32与燃料进口13和燃料出口14连接；直形流道32从整体上都是呈垂直的，或者说是与燃料进口13和燃料出口14所处的两端的连线相互平行。这种区域化的蛇形流道31以及将蛇形流道31与燃料进、出口相连的直形流道32是本发明的改进点，区域化设计以及其各个区域通过直形管连接于燃料进出口，可以使氢气压力在流场中的分布相对均一，有效避免水淹；如果不采用区域化设计，而采用传统的蛇形流道的话，那么双极板氢气端口附近的气体压力要远远大于末端，造成较大的压降梯度。在阳极板10的外围设置有阳极密封槽道15，可通过施胶或者其他方式的形式，将密封胶有效的控制在槽道内，提高阳极面的气密性。而在阴极板20一侧，如图2所示，通过阴极脊壁22构成了阴极流道21，阴极流道21的排布方向可以是垂直方向，也可以是水平方向(也就是图2中所示)；当它是垂直排布时，也就是说阴极流道21的方向与燃料进、出口所在两端之间的连线相平行，当它是水平排布时，即它与燃料进、出口所在的两端之间的连线相互垂直，这是一种较优的布局，因为可以使阳极流道11与阴极流道21之间形成相互之间的逆流，可以显著地提高氢气的利用率。另外，在阴极板20的上部和下部分别设置有燃料进口密封槽道23、燃料出口密封槽道24，可有效预防燃料的泄露问题。
图1a～图1e所示的双极板设计，其主要区别在于蛇形流道31与直形流道32的布置结构不同。具体而言是指：
图1a中，三个蛇形流道31中的直边都是相互平行且水平的，3组蛇形流道的入口都与燃料进口在同一侧。
图1b中，三个蛇形流道31中的直边都是相互平行且水平的，3组蛇形流道的入口都与燃料出口在同一侧。
图1c中，三个蛇形流道31中的直边都是相互平行且垂直的，3组蛇形流道的入口都与燃料出口在同一侧。
图1d中，最上部与最下部的蛇形流道的直边是相互平行且水平的，中部的蛇形流道的直辖是相互平行且垂直的，最上部与中部的蛇形流道的入口是与燃料出口在同一侧，而最下部的蛇形流道的入口是与燃料进口在同一侧。
图1e中，中部的蛇形流道的直边相互平行且垂直，最上部和最下部的蛇形流道的直边是相互平行且水平的，最上部的蛇形流道的入口与燃料进口在同一侧，中部和最下部的蛇形流道的入口是与燃料出口在同一侧。
双极板的性能试验
利用ANSYS CFX软件，以三个区域为例，在这种条件下阳极板上共有三条流道，流道尺寸宽度均采用1mm，流道深1mm、脊壁宽2mm，采用相同进口压力(0.5MPa)和碳板有效面积(50*277mm2)对不同的流道设计进行仿真计算，图4a和图4b分别为平行流道与蛇形流道在相同进口压力、相同碳板面积下所对应的氢气流道内气体的压力分布图，模拟结果显示了水平流道的压力梯度与蛇形流道压力梯度的显著差异，凸显了平行流道与蛇形流道应用与大功率空冷型燃料电池的局限性。图3a～图3d为本发明所涉及的四种不同区域化分方案的氢气压力分布，可以看到，四种方案的压降损失基本相同，且鉴于水平流道与蛇形流道之间，可同时解决水淹和氢气利用率低的问题。结合图3a～图3d和图4a、图4b可以看到，区域化的流道分布与蛇形流道相比，显著降低了气体在流道内的压降损失。
通过计算机模拟和实际验证得出下列数据
其中，水淹和压穿测试条件：1.利用MEA与不同类型的双极板，制备成2000W电堆；2.氢气进气压力0.3～.05MPa；3.测试电压在24V，83A连续工作8小时。
从表中可以看出，当采用区域化的流道设计时，双极板中的氢气分布均一性、氢气利用率都优于传统的平行流道和蛇形流道。更进一步地，区域化逆流化的流道不会出现水淹线现象和有MEA被压穿的情况；而平行流道会出现水淹线问题，蛇形流道存在水淹线和MEA被压穿的问题。
对于图3a～图3d的区域化、逆流化的流道设计，它们的试验结果如下表。
图3a从氢气进口进来后，自上而下；图3b从氢气进口进来后，自下而上；此两种设计都使氢气左右流动与空气面气体宏观上形成逆流，图3b相对更加提高了氢气在流场中滞留，更加提升了氢气利用率；图3c是氢气从进口进来，自下而上，形成了从左至右宏观运动，与空气面的气体形成了逆流；图3d是结合了前面三种设计，根据空气面的风扇的气场，并结合实际测试综合设计得出的，风扇的气场是中间风力小，周围风力大，所以，氢气面的流场，上、下区域(风扇外部区域)采用左右水平运动，中间区域采用上下运动的方式进一步提高反应速率。
综上所述，由于平行流道和蛇形流道存在氢气在流道中分布不均导致氢气利用率低、压力分布不科学导致排水困难，所以本发明通过对阳极板的氢气流道进行大量的计算机模拟计算和实际组堆验证，最终认为氢气流道的区域化、逆流化设计可以解决上述问题。首先，区域化进气方式显著地提高了氢气在流道内的浓度分布均一性，同时压力梯度科学，提升了反应时电池排水速率；另，将氢气与空气在各自流场中形成宏观对流，显著地提高了阴极面的氧化还原反应的速率，从而提高整个PEMFC电堆的氢气利用率。

Claims (10)

1.区域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC电堆双极板，包括阳极板（10）、阴极板（20）、阳极流道（11）、阴极流道（21），阳极流道（11）是由阳极板（10）上的阳极脊壁（12）形成，阴极流道（21）是由阴极板（20）上的阴极脊壁（22）形成，其特征在于：阳极板（10）上包括有至少两个区域，所述的区域内的阳极流道为蛇形流道（31），蛇形流道的入口和出口分别通过直形流道（32）与燃料进口（13）和燃料出口（14）连接。
2.根据权利要求1所述的区域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC电堆双极板，其特征在于：所述的区域的数量为3～6个。
3.根据权利要求1所述的区域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC电堆双极板，其特征在于：所述的蛇形流道（31）的直管为垂直或水平。
4.根据权利要求1所述的区域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC电堆双极板，其特征在于：所述的直形流道（32）为垂直。
5.根据权利要求1所述的区域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC电堆双极板，其特征在于：所述的蛇形流道（31）的入口位于燃料进口或者燃料出口的一侧。
6.根据权利要求1所述的区域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC电堆双极板，其特征在于：每个区域的面积相等。
7.根据权利要求1所述的区域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC电堆双极板，其特征在于：直形流道（32）与蛇形流道（31）的脊宽和槽宽相同。
8.根据权利要求7所述的区域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC电堆双极板，其特征在于：脊宽与槽宽比例采用1~2：1。
9.根据权利要求1所述的区域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC电堆双极板，其特征在于：阴极流道（21）为水平；阴极流道（21）的脊宽与槽宽比例采用1.0~1.5：1；阳极板（10）的外围设置有阳极密封槽道（15）。
10.根据权利要求1所述的区域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC电堆双极板，其特征在于：在燃料进口（13）和/或燃料出口（14）分别设置有燃料进口密封槽道（23）和燃料出口密封槽道（24）。
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