CN108258261A - 一种变截面燃料电池流道 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种变截面燃料电池流道。它包括设置在流场板上的电池流道，电池流道包括流道入口和出口以及流道中的阻块，电池流道的结构设置为：在平行直流道内沿电池流道方向上设置不同高度、宽度、截面形状、数量以及分布的阻块。本发明结构简单，易于加工且成本较低。在流道进出口压力差增加不太大的条件下增强流道局部气流速度，并建立相邻流道间的压力差，强化平行直流道的除水能力，促进反应气向电极的传输，从而改善反应气的传输效率和分布均匀性，提高燃料电池的工作性能。与传统平行流道相比，设置有阻块的流道的压降增加不大，即泵气损失增加不多，远小于蛇形流道的泵气损失。本发明的优异性在较大面积电极和较高工作电流密度下尤为明显。

Description

一种变截面燃料电池流道
技术领域
本发明涉及一种变截面燃料电池流道，尤其涉及用于燃料电池多孔电极除水和反应气传输的流道。
背景技术
燃料电池多孔电极内反应产生的液态水需要及时的去除以实现反应气的有效传输和燃料电池的高效工作。燃料电池的流道是反应气和反应产物的重要传输通道，直接影响到整个燃料电池的传质效率和电池的性能。
传统燃料电池流道都是等截面的，常见形式有平行直流道(如图1所示)和蛇形流道(如图2所示)。平行直流道较短，气流速度低，相邻流道间无压力差，不利于多孔电极内液态水的排除和反应气的传输，其优点是流道入口和出口间的压力差小，泵气损失小；蛇形流道较长，气流速度大，有利于流道下方多孔电极的液态水的排除，同时相邻流道间存在压力差，也可排除流场板岸部下方电极内的液态水，这些特点有利于反应气在电极内的传输，其缺点是流道入口与出口间的压力差大，泵气损失大，较长的流道也会使反应气沿流道长度方向分布不均。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种改进型的平行直流道，在流道进出口压力差增加不太大的条件下增强流道局部气流速度，并建立相邻流道间的压力差，强化平行直流道的除水能力，促进反应气向电极的传输，从而改善反应气的传输效率和分布均匀性，提高燃料电池的工作性能。
本发明的一种变截面燃料电池流道，它包括设置在流场板上的电池流道，所述的电池流道包括流道入口和出口以及流道中的阻块，所述的电池流道的结构设置为：在平行直流道内沿电池流道方向上设置不同高度、宽度、截面形状、数量以及分布的阻块。
具体技术方案如下：
一种变截面燃料电池流道，在流场板上的电池流道入口和出口之间设置有阻块。
优选电池流道阻块数量是1–5000。
所述设置阻块的电池流道的形式为燃料电池平行直流道。对蛇形流道、交指流道和任意等截面或渐变截面燃料电池流道形式也可适用。
所述的电池流道内阻块的高度与流道高度的比值为0.1–1：1；阻块的纵向宽度与流道宽度的比值为0.1–1：1；阻块总的横向宽度与流道长度比值为0.01–1：1。
优选阻块的截面是矩形、梯形或者曲面形状。
阻块的表面接触角范围是0°-160°。
在相邻流道间设置阻块，阻块布置在相同位置、错位布置或者间隔布置。
其中阻块等间距或非等间距排列指的是单个流道内的分布(如图10-1)；而相同位置、错位或间隔布置指的是相邻流道间的分布(如图4-图7)。
优选电池流道从进口至出口的长度为0.01米—20米。
优选所述的电池流道的水力直径为0.1毫米—3毫米。
优选所述的燃料电池电流密度为0.1A cm-2–5A cm-2。
本发明的优点：
本发明结构简单，易于加工且成本较低。发明是在原有传统平行直流道结构基础上的改进，设置有阻块的流道结构使得阻块处的流道流通截面积改变，流道不再是等截面的。阻块处较小的流通面积使得气流速度增大，反应气从扩散方式转变为对流方式向多孔电极内传输，流道下方电极内生成的液态水在强气流作用下被排除，强化了反应气和反应产物的传输；设置有阻块的流道的压力分布会改变，与相邻流道间会存在压力差，在压力差的作用下反应气会从流场板岸部下方向相邻流道传输，可排除岸部下方的液态水，使得电极有效反应面积增大并提高传质效率。由于流道长度较小，流道截面积可通过阻块高度调整，与传统平行流道相比，设置有阻块的流道的压降增加不大，即泵气损失增加不多，远小于蛇形流道的泵气损失。本发明的优异性在较大面积电极和较高工作电流密度下尤为明显。
附图说明
图1是传统燃料电池平行直流道示意图；
图2是传统燃料电池蛇形流道示意图；
图3是本发明的一种变截面燃料电池流道的单个阻块流道示意图；
图4是作为本发明的一种变截面燃料电池流道的同位布置流道示意图；
图5是作为本发明的一种变截面燃料电池流道的间隔同位布置流道示意图；
图6是作为本发明的一种变截面燃料电池流道的错位布置流道示意图；
图7是作为本发明的一种变截面燃料电池流道的错位间隔布置流道示意图；
图8是作为本发明的一种变截面燃料电池流道的不同形状阻块截面示意图；
图9是作为本发明的一种变截面燃料电池流道的递进高度阻块示意图；
图10是作为本发明的一种变截面燃料电池流道的非等距阻块示意图；
图11是传统流道氧气浓度分布图(比较例)和本发明的一种变截面燃料电池流道的氧气浓度分布图(实施例一)对比。
图12是传统流道的电流密度分布曲线(比较例)。
图13是作为本发明的一种变截面燃料电池流道的电流密度分布曲线(实施例一)。
图14是传统流道(比较例)与本发明的一种变截面燃料电池流道(实施例一)的电池极化曲线的对比。
具体实施方式
本发明是在传统燃料电池平行直流道结构上的改进，通过在流道中设置阻块的方法，改变流道局部流通面积，增强局部扰动和气流速度，促进电极内液态水的排除和反应气向电极的传输。本发明中阻块的结构、数量和总体分布均可调控，不同的流道设计可增强流场板岸部电极内的流动，促进流道间的传质，增强反应气体和水分分布的均匀性。本发明可以提高燃料电池的工作性能和稳定性。
如图3所示，本发明的一种燃料电池变截面流道，在平行直流道的基础上增加了阻块的设计，阻块垂直流场板设置，可在流场板中直接加工。流道高度L1、宽度L5，阻块高度L2、横向宽度L3、纵向宽度L4。本发明的阻块高度与流道高度比值为0.1–1：1，阻块纵向宽度与流道宽度比值为0.1–1：1，阻块总的横向宽度与流道长度比值为0.01–1：1，阻块的表面接触角范围是0°-160°。本发明的一种燃料电池变截面流道与传统平行直流道相比有两个优异性能：(1)增强流道阻块部位的气流速度，促进电极的除水和反应气向多孔电极的传输；(2)建立相邻流道间的压差，促进流场板下方电极内的传质，提高传质效率和电池发电的均匀性，提高电池的工作性能和稳定性。
所述的变截面燃料电池流道主要适用于燃料电池平行直流道，对蛇形流道、交指流道和其他任意等截面或渐变截面燃料电池流道形式同样适用。本发明适用的燃料电池流道从进口到出口的长度范围是0.01米—20米；流道的水力直径范围是0.1毫米—3毫米；流道中阻块数量是1-5000个。
所述的变截面燃料电池流道主要适用于低温燃料电池，包括质子交换膜燃料电池和碱性膜燃料电池，对于高温燃料电池也同样适用。适用于燃料电池的电流密度为0.1Acm-2–5A cm-2。
所述的电池流道在结构布置中可以采取单个和多个阻块，多个阻块使强化传输位点增多，电池性能提高更明显并且更加均匀。
所述的电池流道间阻块可在相同位置布置，也可错位布置或者间隔布置，如图4-图7所示。采用错位或者间隔布置能有效建立流道间压力差，促进流场板岸部下方的电极排水和传质均匀性。
所述的电池流道的阻块截面可以是矩形、梯形或者曲线形状，如图8所示。采用梯形或曲线形状可起到导流的作用，强化气体传输并降低涡流损耗。
所述的电池流道的阻块高度可沿流道方向递进增加，如图9所示，这样的布置可提高电池性能均匀性。
所述的电池流道的阻块间隔可以是等距排列，也可以是非等距排列，如图10所示。
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：传统平行直流道，流道长度100mm，流道高度1mm，流道宽度1mm，无阻块。电池测试条件为：相对湿度100％RH；化学计量比空气2、氢气1.2；工作压力1atm；工作温度80℃；输出电压0.52V。
电极中的反应气浓度沿流道方向下降迅速，电极中反应气分布不均匀，如图11-1所示。电极中的电流密度沿流道长度方向的分布基本呈线性下降，变化区间为0.928-1.01Acm-2，如图12所示。电池极化曲线如图14所示，随着输出电压的逐渐降低，电流密度逐渐增加，输出电压为0.52V时，电流密度为0.97A cm-2，电池的功率密度为0.50W cm-2。
实施例一：在与比较例相同的传统平行直流道中等距设置5个矩形阻块，阻块高度0.8mm，阻块纵向宽度0.8mm，阻块横向宽度1mm，阻块高度与流道高度比值为0.8：1，阻块纵向宽度与流道宽度比值为0.8：1，阻块横向宽度与流道宽度比值为1：1，阻块的表面接触角是100°。阻块在相邻流道的相同位置布置，如图4所示。电池测试条件与比较例相同。
当采用改进的变截面流道时，在同样的条件下，电极中反应气分布均匀性得到明显改善，反应气浓度得到明显提高，特别是在阻块位置浓度提高尤为显著，如图11-2所示。在流道下游区域，电极中的反应气浓度与现有技术相比可提高50％。电极中的电流密度在阻块位置明显提高，电流密度整体下降幅度降低，变化区间为1.048-1.056A cm-2，如图13所示。在相同条件下，与现有技术相比，电流密度获得显著提高。如图14所示，相同测试条件下，电池的输出性能在大电流密度区域得到明显提升。输出电压为0.52V时，电流密度为1.06A cm-2,电池的功率密度为0.55W cm-2,与现有技术相比，功率密度提升10％。即使去除实施例一中因设置阻块增加的泵气功损耗，与现有技术相比，电池的净功率提升仍可达到8％。
实施例二：在流道中设置5个矩形阻块，阻块高度从流道进口到出口依次增加，如图9所示，分别是0.1mm，0.3mm，0.5mm，0.7mm和0.9mm。阻块等间距，间隔一个流道同位布置，如图5所示。在与比较例相同的测试条件下，经测试输出电压为0.52V时，实施例二的电池净功率与比较例相比可提高25％。
实施例三：在流道中设置5个梯形阻块，梯形阻块左右两侧的倾斜角都是45°，阻块等间距，相邻流道间错位布置，如图6所示。在与比较例相同的测试条件下，经测试输出电压为0.52V时，实施例三的电池净功率与比较例相比可提高31％。
实施例四：在流道中设置5个曲面阻块(曲面外廓为正弦曲线)，阻块等间距。阻块间隔一个流道错位布置，如图7所示。在与比较例相同的测试条件下，经测试在输出电压为0.52V时，实施例四的电池净功率与比较例相比可提高21％。
实施例五：在流道中设置5个曲面阻块(曲面外廓为抛物线)，阻块非等间距布置，相邻阻块间距依次为25mm，20mm，15mm和10mm，阻块在相邻流道的相同位置布置，如图10所示。在与比较例相同的测试条件下，经测试在输出电压为0.52V时，实施例五的电池净功率与比较例相比可提高19％。

Claims (10)

1.一种变截面燃料电池流道，其特征是在流场板上的电池流道入口和出口之间设置有阻块。
2.如权利要求1所述的变截面燃料电池流道，其特征是电池流道阻块数量是1–5000。
3.如权利要求1所述的变截面燃料电池流道，其特征是阻块的截面是矩形、梯形或者曲面形状。
4.如权利要求1所述的变截面燃料电池流道，其特征是所述设置阻块的电池流道的形式为燃料电池平行直流道，同样适用于蛇形流道、交指流道和任意等截面或渐变截面燃料电池流道形式。
5.如权利要求1所述的变截面燃料电池流道，其特征是所述的电池流道内阻块的高度与流道高度的比值为0.1–1：1；阻块的纵向宽度与流道宽度的比值为0.1–1：1；阻块的横向总宽度与流道长度比值为0.01–1：1。
6.如权利要求1所述的变截面燃料电池流道，其特征是阻块的表面接触角范围是0°-160°。
7.如权利要求1所述的变截面燃料电池流道，其特征是在相邻流道间设置阻块，阻块布置在相同位置、错位布置或者间隔布置。
8.如权利要求1所述的变截面燃料电池流道，其特征是电池流道从进口至出口的长度为0.01米—20米。
9.如权利要求1所述的变截面燃料电池流道，其特征是所述的电池流道的水力直径为0.1毫米—3毫米。
10.如权利要求1所述的变截面燃料电池流道，其特征是所述的燃料电池电流密度为0.1A cm-2–5A cm-2。
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