CN105244517A - 一种主动排水质子交换膜燃料电池双极板的流场 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种主动排水质子交换膜燃料电池双极板的流场，流场形式为矩形，第一进气流道与第二进气流道为交指型结构，分布于两侧，排水流道为蛇形结构，分布在第一进气流道与第二进气流道之间，既作为反应气体出气流道，又是主动排水流道，主动排水流道设计能改善传统交指型容易水淹的缺点，从而增加有效反应面积，提升电池的性能与稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池双极板流场，具体说是一种主动排水质子交换膜燃料电池双极板的流场。
背景技术
质子交换膜燃料电池（ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC）因其具有能量转化率高、无污染、启动快等优点而具有可观的市场应用前景。与热机相比，燃料电池的化学能直接转化成电能，不需要初步转化成热能。因此，转化不受卡诺循环的限制，理论上可以实现90%转化的高效率。
双极板又称集流板，是燃料电池的重要部件，需满足如下有求：(1)实现电池间电的联接；(2)排除电池内化学反应产生的废热；(3)分隔燃料和氧化剂。
流场是在双极板上加工的各种形状的沟槽，为反应物和生成物提供进出通道，流道结构决定反应物与生成物在流场内的流动状态，要保证质子交换膜燃料电池正常运行，必须使电极各处均能获得充足的反应物，并及时将生成的水排出，因此流场结构对质子交换膜燃料电池的性能有很大的影响。
常见的质子交换膜燃料电池双极板的流场有平行流场，蛇型流场和交指型流场。平行流场的一个显著有点在于气体进气口和出口之间的总压降较低。但当流场的宽度相对较大时，每个流道中的流体分布会出现不均匀的现象，这就会引起部分区域的水的堆积，导致传输耗损的增加，从而降低了电流密度。蛇型流场在优点在于排水能力，单一流动路径能推动液态水的排出。但在大面积的流场中，蛇型流场的压降很大，且气体浓度分布不均匀。交指型流场的设计促进了反应气体在扩散层中的强制对流，但因压降不足导致液态水在进气流道末端与出气流道始端滞留的现象。
传统流场并未完全解决流道内液态水滞留的情况。目前已经产品化的燃料电池中多以干燥氢气为燃料，牺牲燃料电池性能以换取电池工作的稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对常规流场的不足，结合传统蛇形流场与交指型流场结构的特点提出一种主动排水质子交换膜燃料电池双极板的流场，使电池能够在加湿的条件下使用，在稳定输出的基础上获得更高的电流密度。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种主动排水质子交换膜燃料电池双极板的流场，包括流场本体，所述流场本体包括正极板与负极板以及支撑架，所述支撑架的两端分别与正极板和负极板连接，所述流场本体还包括进气流道和排水流道，所述进气流道包括第一进气流道与第二进气流道，所述排水流道设置在第一进气流道与第二进气流道之间，所述进气流道和排水流道通过支撑架分离。
作为优选，所述第一进气流道与第二进气流道呈交指型结构。
作为优选，所述流场本体的一侧设有第一反应气体进气口、第二反应气体进气口以及排水进气口，另一侧设有排水出口，所述第一反应气体进气口与第一进气流道连通，所述第二反应气体进气口与第二进气流道连通，所述排水进气口和排水出口与排水流道连通。
作为优选，所述负极板与支撑架之间设有扩散层。
作为优选，所述流场本体呈矩形设置。
作为优选，所述第一进气流道的宽度与第二进气流道的宽度相等。
作为优选，所述排水流道的宽度与第一进气流道的宽度以及第二进气流道的宽度相等。
作为优选，所述第一进气流道到排水流道的距离与第二进气流道到排水流道的距离相等。
本发明的有益效果是：本发明的双极板流场由第一进气流道、第二进气流道以及排水流道组成，较传统交指型与传统蛇形流场缩短了单条流道的长度，减少了因流道过长引起的压力分布不均的情况，使电池整体传质更加均匀。
流场形式为矩形，第一进气流道与第二进气流道为交指型结构，分布于两侧，出气流道为蛇形结构，分布在两侧进气流道之间，既作为反应气体出气流道，又是主动排水流道，整体设计缩短了单条流道的长度，减少了因流道过长引起的压力分布不均，主动排水流道的设计能促进出气流道中液态水的排除，从而使反应产生的液态水更容易往出气流道扩散，进一步减少了液态水在进气口末端滞留的现象，排水流道形式为蛇形单通道，保证排水的有效性，主动排水流道的设置改善了传统交指型流场因压降不足导致液态水在进气流道末端与出气流道始端滞留的现象，提升电池的性能与稳定性。
本发明的双极板流场的两侧进气流道为交指型结构，交指型流场的强制对流传质特性能够使反应气体更有效地通过扩散层到达膜电极，与传统蛇形流场相比，交指型流场的压降更低，即相同输出功率密度的情况下交指型流场的净输出更高。
附图说明
图1是本发明一种主动排水质子交换膜燃料电池双极板的流场结构示意图；
图2是本发明一种主动排水质子交换膜燃料电池双极板的流场截面示意图；
图3是本发明实施例中主动排水流场与交指型流场的极化曲线。
图中：1、正极板；2、负极板；3、支撑架；4、排水流道；5、第一进气流道；6、第二进气流道；7、扩散层；8、第一反应气体进气口；9、第二反应气体进气口；10、排水进气口；11、排水出口。
具体实施方式
本案例实施的一种主动排水质子交换膜燃料电池双极板的流场，包括流场本体，所述流场本体包括正极板1与负极板2以及支撑架3，所述支撑架3的两端分别与正极板1和负极板2连接，所述流场本体还包括进气流道和排水流道4，所述进气流道包括第一进气流道5与第二进气流道6，所述排水流道4设置在第一进气流道5与第二进气流道6之间，所述进气流道和排水流道4通过支撑架3分离，所述第一进气流道5与第二进气流道6呈交指型结构，所述负极板2与支撑架3之间设有扩散层7，所述流场本体呈矩形设置。
所述流场本体的一侧设有第一反应气体进气口8、第二反应气体进气口9以及排水进气口10，另一侧设有排水出口11，所述第一反应气体进气口8与第一进气流道5连通，所述第二反应气体进气口9与第二进气流道6连通，所述排水进气口10和排水出口11与排水流道4连通，所述第一进气流道5的宽度与第二进气流道6的宽度相等，所述排水流道4的宽度与第一进气流道5的宽度以及第二进气流道6的宽度相等，所述第一进气流道5到排水流道4的距离与第二进气流道6到排水流道4的距离相等。
本发明是一种主动排水质子交换膜燃料电池双极板的流场，其结构如图1所示：流场形式为矩形，第一进气流道5与第二进气流道6为交指型结构，分布于两侧，排水流道4为蛇形结构，分布在第一进气流道5与第二进气流道6之间，既作为反应气体出气流道，又是主动排水流道。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示，双极板流场设有排水流道4、第一进气流道5、第二进气流道6、第一反应气体进气口8、第二反应气体进气口9、排水进气口10，以阴极双极板为例，反应加湿氧气/空气通过第一反应气体进气口8与第二反应气体进气口9进入流场，由于第一进气流道5、第二进气流道6的封闭特性，反应加湿氧气/空气强制对流透过气体扩散层7，到达排水流道4，期间加湿反应氧气/空气扩散至扩散层7底面，加湿水蒸气充分润湿膜电极，氧气/空气与阳极透过膜电极的氢离子反应，生成水，共同到达排水流道4，排水气体氮气由排水进气口10进入，推动滞留的液态水由出口排出流场。
图3为主动排水流场与传统交指型流场的极化曲线，操作条件如表1，如图所示，主动排水流场的设计在排水进气口10处没有进口压力时的性能优于传统交指型流场，即主动排水的设计缩短了单条流道的长度，减少了因流道过长引起的压力分布不均的情况，使电池整体传质更加均匀，而在随着排水进气口10处压力的增大，电池性能逐渐升高，即主动排水有利于流道内液态水的排出，使得电池性能更佳，尤其在高电流密度的情况下，而排水进气口10处的压力再增大时，电池性能下降，此时排气进气口10处的压力过大，使得蛇形排水流道4内的压力过大而减小了第一进气流道5、第一进气流道6与蛇形排水流道4的压力差，使得反应气体强制对流减少。
表1例中操作条件
| 开路电压（V） | 0.95 |
| 操作压力（atm） | 1 |
| 操作温度（K） | 343 |
| 氢气进口流量（ml/min） | 250 |
| 空气进口流量（ml/min） | 1000 |
| 氢气加湿度 | 0% |
| 氧气加湿度 | 100% |
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种主动排水质子交换膜燃料电池双极板的流场，包括流场本体，所述流场本体包括正极板与负极板以及支撑架，所述支撑架的两端分别与正极板和负极板连接，其特征在于：所述流场本体还包括进气流道和排水流道，所述进气流道包括第一进气流道与第二进气流道，所述排水流道设置在第一进气流道与第二进气流道之间，所述进气流道和排水流道通过支撑架分离。
2.根据权利要求1所述的一种主动排水质子交换膜燃料电池双极板的流场，其特征在于：所述第一进气流道与第二进气流道呈交指型结构。
3.根据权利要求1所述的一种主动排水质子交换膜燃料电池双极板的流场，其特征在于：所述流场本体的一侧设有第一反应气体进气口、第二反应气体进气口以及排水进气口，另一侧设有排水出口，所述第一反应气体进气口与第一进气流道连通，所述第二反应气体进气口与第二进气流道连通，所述排水进气口和排水出口与排水流道连通。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种主动排水质子交换膜燃料电池双极板的流场，其特征在于：所述负极板与支撑架之间设有扩散层。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种主动排水质子交换膜燃料电池双极板的流场，其特征在于：所述流场本体呈矩形设置。
6.根据权利要求3所述的一种主动排水质子交换膜燃料电池双极板的流场，其特征在于：所述第一进气流道的宽度与第二进气流道的宽度相等。
7.根据权利要求3或6所述的一种主动排水质子交换膜燃料电池双极板的流场，其特征在于：所述排水流道的宽度与第一进气流道的宽度以及第二进气流道的宽度相等。
8.根据权利要求3所述的一种主动排水质子交换膜燃料电池双极板的流场，其特征在于：所述第一进气流道到排水流道的距离与第二进气流道到排水流道的距离相等。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| GR01 | Patent grant | ||
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Application publication date: 20160113 Assignee: ZHEJIANG CHANGTONG TECHNOLOGY Co.,Ltd. Assignor: JIANG University OF TECHNOLOGY Contract record no.: X2023980045616 Denomination of invention: Flow field of an active drainage proton exchange membrane fuel cell bipolar plate Granted publication date: 20180102 License type: Common License Record date: 20231103 Application publication date: 20160113 Assignee: HUZHOU HONGWEI NEW ENERGY AUTOMOBILE CO.,LTD. Assignor: JIANG University OF TECHNOLOGY Contract record no.: X2023980045598 Denomination of invention: Flow field of an active drainage proton exchange membrane fuel cell bipolar plate Granted publication date: 20180102 License type: Common License Record date: 20231103 |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20160113 Assignee: ZHEJIANG CHUANGWEI INTELLIGENT EQUIPMENT CO.,LTD. Assignor: JIANG University OF TECHNOLOGY Contract record no.: X2023980051350 Denomination of invention: Flow field of an active drainage proton exchange membrane fuel cell bipolar plate Granted publication date: 20180102 License type: Common License Record date: 20231211 |
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