CN107482238A - 一种具有螺旋结构流道的pem电池流场板 - Google Patents

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姜攀星
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Abstract

本发明公开了一种具有螺旋结构流道的PEM电池流场板。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进口流道相连通，每一个分支流道的出口分别与出口流道相连通；所述分支流道为螺旋结构的分支流道。本发明特有的旋转结构，使气体有效的扩散到流道间脊的部分，将聚集在脊下或附近的水带入流道排除，促进排水效果，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：反应气体利用率的提高和水传输速率的提升，两方面的作用使得PEM电池综合性能得到提高。

Description

一种具有螺旋结构流道的PEM电池流场板
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种电池流场板。
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，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，气体通过入口进入流道，经过流道从出口排出。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CN201310354798.5公开了一种燃料电池流道，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。
该结构流场，气体在流动过程中通过速度和压力产生波动，呈紊态流动，从而有利于气体内部的扰动，加速向多孔介质中的传质；但是变截面流场给加工带来很大的难度，增加了加工成本。且气体所呈现的紊流主要由其变径截面所引起二维方向上的紊流，垂直于多孔介质方向上的速度分量有限，不能显著加速气体向扩散层的传质。有关液态水可视性研究表明，液态水多在脊与气体流道交界出出现，变径结构增加了同一流道的长度增加液态水聚集量，二维方向上气体的紊流对于排水作用有限，加大了水堵的几率。
在文献报道中(PEM燃料电池流场形状研究现状[J].可再生能源.2014.1908-1915)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及衍生结构。
发明内容
本发明的目的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PEM电池流场板，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，使得电池的平均性能得到提高。
为达到上述目的，采用技术方案如下：
一种质子交换膜燃料电池流道，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进口流道相连通，每一个分支流道的出口分别与出口流道相连通；所述分支流道为螺旋结构的分支流道。
按上述方案，所述螺旋结构的分支流道沿气体流动方向的截面为方形、椭圆形或者多边形。
一种质子交换膜燃料电池流道，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进口流道相连通，每一个分支流道的出口分别与出口流道相连通；所述分支流道内管壁具有螺纹结构。
相对于现有技术，本发明有益效果如下：
本发明通过支流道管特有的旋转结构，使气体产生垂直于扩散层方向的速度，产生明显的对流扩散。加快气体进入扩散层及电池内部的速率，大幅提高了管道内气体利用率。
本发明特有的旋转结构，使气体有效的扩散到流道间脊的部分，将聚集在脊下或附近的水带入流道排除，促进排水效果，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：反应气体利用率的提高和水传输速率的提升，两方面的作用使得PEM电池综合性能得到提高。
附图说明
图1：本发明螺旋结构的分支流道示意图；
图2：现有3D流场、平行流道和本发明的螺旋流道在同活性面积下压降对比图；
图3：现有平行流道的PEM电池以及同条件下采用本发明流道的PEM电池极化曲线。
其中，1-入口流道；2-出口流道；3-分支流道。
具体实施方式
以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
本发明是一种新型的PEM电池流道结构，根据流道特殊的螺旋型结构总体布局形状、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。
如图1所示，本发明的一种具有螺旋结构流道的PEM电池流畅板，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1、具有出口的出口流道2以及至少一个分支流道3，每一个分支流道3的进口分别与入口流道1相连通，每一个分支流道的出口分别与出口流道2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螺旋结构。螺旋形结构的流道深度不同和特有的旋转结构，为气体提供垂直于扩散层方向的速度，产生明显对流扩散。本发明螺旋结构的分支流道可以加快气体进入扩散层及电池内部的速率，大幅提高了管道内气体利用率。同时，分支流道内部特有的旋转结构，使气体有效的扩散到流道间脊的部分，将聚集在脊下或附近的水带入流道排除，促进排水效果，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。
采用本发明具有螺旋结构流道的质子交换膜燃料工作过程为：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，由于流道的内壁具有螺旋结构，同一分支流道内部的气体速度方向会产生变化，且会产生垂直扩散层方向上的速度，产生对流扩散，有利于气体进入扩散层及电池内部；同时由于流道内特殊的螺旋结构，使流道内的气体密度分布不均匀，也使得流道间压力梯度不均匀；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，使得水更容易排除流道，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。
实施例
同活性面积下，模拟了3D流场、螺旋流道、直流道在相同条件下的压降。建模的尺寸均为活性面积为2.62cm2，长56mm、宽4.68mm。直流道和螺旋流道的开孔率为50％，三者流道深度同为0.44mm。
表1质子交换膜燃料电池阴极流道气体压降
参照附图2所示。同条件下利用螺旋流道的流场压降约直流道流场的4倍，约为3D流场的一半。流场中流阻过大增加了流体供给系统能耗，流阻过小会引起流道中反应气体的扩散减弱同时也会因不能将电池内部反应产生的液态水及时排出，进而导致流道内发生水淹现象而使燃料电池性能衰减。
现有技术比较：应用普通平行流道的质子交换膜燃料电池的极化曲线如图3所示，实验条件为：100％RH，阴、阳极的过量系数为2.5/1.5.操作压力为3atm，操作温度为70℃.随着电流密度的逐渐增大，输出电压逐渐降低，电流密度为1.1A/cm2时，电池的输出电压为0.51V，能量密度达到峰值0.561W/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。
如图3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1.3A/cm2时，电池的输出电压为0.582V，能量密度达到峰值0.756W/cm2，继续增大电流密度到1.5A/cm2,电池的输出电压仍大于0.4V，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 (3)

1.一种质子交换膜燃料电池流道，其特征在于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进口流道相连通，每一个分支流道的出口分别与出口流道相连通；所述分支流道为螺旋结构的分支流道。
2.如权利要求1所述质子交换膜燃料电池流道，其特征在于所述螺旋结构的分支流道沿气体流动方向的截面为方形、椭圆形或者多边形。
3.一种质子交换膜燃料电池流道，其特征在于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进口流道相连通，每一个分支流道的出口分别与出口流道相连通；所述分支流道内管壁具有螺纹结构。
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