CN108878925A - 一种锯齿形燃料电池流道截面结构 - Google Patents

一种锯齿形燃料电池流道截面结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锯齿形燃料电池流道截面结构，包括阳极/阴极板、扩散层和质子交换膜，阳极/阴极板设置在扩散层的上部，质子交换膜设置在扩散层的下部，阳极/阴极板内部设置有流道，流道的两侧设置有多个向流道内部凸出的锯齿，锯齿用于降低流道内产生的气泡尺寸并抑制气泡生长。本发明一种锯齿形燃料电池流道截面结构，可降低流道内产生的气泡尺寸并抑制气泡生长，有利于降低流道截面的含气率，便于气体排出。

Description

一种锯齿形燃料电池流道截面结构
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种锯齿形燃料电池流道截面结构。
背景技术
在氢能基础设施不完善的当前阶段，氢源的供应限制了氢燃料电池的应用推广。由于甲醇的便于携带和更换，使得直接甲醇燃料电池相比氢燃料电池，具有较大的优势，特别是在便携式燃料电池的应用领域。
在直接甲醇燃料电池的阳极，流道内的甲醇水溶液通过扩散层的小孔到达催化层，生成氢离子、电子和二氧化碳气体。二氧化碳气体将会在扩散层的小孔处生成气泡，伴随着气泡的生长、脱离和聚并，气泡将占据阳极流道的大部分空间，阻碍甲醇的流动和扩散传质，降低燃料电池的效率。因此，阳极气体管理是制约直接甲醇燃料电池效率的一个瓶颈。通过改变截面形状降低流道截面的含气率，以便于二氧化碳气体排出，是解决这一问题的方法之一。现有技术中三角形、梯形、半圆形等相比传统的矩形截面形状，具有一定优势，但对于气泡生长和聚并行为的抑制作用有限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种锯齿形燃料电池流道截面结构，可抑制气泡的生长、降低气泡尺寸。
本发明采用以下技术方案：
一种锯齿形燃料电池流道截面结构，包括阳极/阴极板、扩散层和质子交换膜，阳极/阴极板设置在扩散层的上部，质子交换膜设置在扩散层的下部，阳极/阴极板内部设置有流道，流道的两侧设置有多个向流道内部凸出的锯齿，锯齿用于降低流道内产生的气泡尺寸并抑制气泡生长。
具体的，锯齿自扩散层开始，并沿扩散层的法线方向设置，锯齿的齿尖从下至上逐渐靠近流道的中心。
进一步的，锯齿为对称和/或不对称形状。
进一步的，锯齿至少包括两组。
锯齿的齿尖角度an为0～90°。
进一步的，流道内部产生的气泡触碰到锯齿发生破裂，变为更小尺寸的气泡；未触碰到锯齿的气泡受锯齿壁面的挤压，在流道内液体的驱动力、浮力和挤压力的共同作用下，发生扭曲和剪切，并最终破裂，变为更小尺寸的气泡；更小尺寸的气泡在流道内液体的驱动下，受到锯齿壁面的挤压作用，再次发生破裂，气泡尺寸进一步减小。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种锯齿形燃料电池流道截面结构，阳极/阴极板设置在扩散层的上部，质子交换膜设置在扩散层的下部，阳极/阴极板内部设置有流道，流道的两侧设置有多个向流道内部凸出的锯齿，锯齿用于降低流道内产生的气泡尺寸并抑制气泡生长，有利于降低流道截面的含气率，便于气体排出。
进一步的，锯齿自扩散层开始，并沿扩散层的法线方向设置，锯齿的齿尖从下至上逐渐靠近流道的中心，使得远离下部齿尖的气泡，能够在上升过程中碰到上部齿尖，或在锯齿壁面的挤压下而发生破裂。
综上所述，本发明一种锯齿形燃料电池流道截面结构，可降低流道内产生的气泡尺寸并抑制气泡生长，有利于降低流道截面的含气率，便于气体排出。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为单气泡的受力分析示意图。
其中：1.阳极/阴极板；2.扩散层；3.质子交换膜；4.扩散孔；5.流道；6.第一气泡；7.第二气泡；8.第三气泡；9.第一锯齿；10.第二锯齿；11.第n锯齿。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本发明提供了一种锯齿形燃料电池流道截面结构，自扩散层开始在流道内设置若干向流道内部凸出的锯齿，并沿扩散层的法线方向，锯齿的齿尖逐渐靠近流道的中心，即：越远离扩散层，锯齿齿尖越靠近流道中心；锯齿的齿尖各自具有一定的角度，且齿形为对称和/或不对称形状。本发明通过设置的锯齿，使得气泡在触碰到锯齿时发生破裂，变为更小尺寸的气泡；未触碰到锯齿的气泡由于受到锯齿壁面的挤压，将在流道内液体的驱动力、浮力和挤压力的共同作用下，发生扭曲和剪切，并最终破裂，变为更小尺寸的气泡；小尺寸的气泡将在流道内液体的驱动下，受到锯齿壁面的挤压作用，再次发生破裂，使得气泡尺寸进一步减小。
请参阅图1，本发明一种锯齿形燃料电池流道截面结构，包括阳极/阴极板1、扩散层2和质子交换膜3，扩散层2设置在质子交换膜3的上部，阳极/阴极板1设置在扩散层2的上部，扩散层2上间隔设置有若干扩散孔4，阳极/阴极板1内部中间设置有流道5，流道5的两侧设置有若干向流道内部凸出的锯齿。
锯齿自扩散层2开始，并沿其法线方向，上述锯齿的齿尖逐渐靠近流道中心，即：越远离扩散层，锯齿齿尖越靠近流道中心。上述锯齿的齿尖角度an为0～90°，且齿形为对称和/或不对称形状，齿尖角度为锐角保证锯齿壁能够给予气泡向下的挤压力。
气体在扩散层2的扩散孔4处生成第一气泡6，伴随其生长，当第一气泡6触碰到第一锯齿9时，发生破裂，变为更小尺寸的气泡。
在远离锯齿齿尖和流道中心的部位，伴随着生成的第二气泡7逐渐生长，其逐渐触碰到上部的第二锯齿10的壁面。如图2所示，此时，第二气泡7所受的外部作用力分别为溶液流动对其造成的惯性力(Fm)、浮力(Fb)以及锯齿壁面对其造成的挤压力(Fp)。由于上述三个外部作用力在空间的方向各不相同，将会使得气泡发生一定的扭曲和剪切，并最终破裂，变为更小尺寸的气泡，此处的锯齿壁面为任一锯齿的，可为第一锯齿、第二锯齿，也可能为第n锯齿。
在流道的中部，气泡生长的尺寸最大，当第三气泡8触碰到顶部两边的第n锯齿11后，发生破裂，变为小尺寸的气泡。
上述第一气泡6、第二气泡7和第三气泡8在破裂并转变为小尺寸的气泡后，在溶液流动的驱动下，将会进一步受到锯齿壁面的挤压，并发生扭曲和剪切，使得气泡尺寸进一步减小。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种锯齿形的直接甲醇燃料电池流道截面，二氧化碳气体在扩散层2的扩散孔4处生成第一CO2气泡，伴随其生长，当气泡触碰到第一锯齿9时，发生破裂，变为更小尺寸的气泡。
在远离锯齿齿尖和流道中心的部位，伴随着生成的第二CO2气泡逐渐生长，其逐渐触碰到上部的第二锯齿10的壁面，如图2所示，此时，第二CO2气泡所受的外部作用力分别为甲醇溶液流动对其造成的惯性力(Fm)、浮力(Fb)以及锯齿壁面对其造成的挤压力(Fp)。由于上述三个外部作用力在空间的方向各不相同，将会使得气泡发生一定的扭曲和剪切，并最终破裂，变为更小尺寸的气泡。
在流道的中部，第三CO2气泡生长的尺寸最大，当其触碰到顶部两边的锯齿后，发生破裂，变为小尺寸的气泡。
上述第一CO2气泡、第二CO2气泡、第三CO2气泡在破裂并转变为小尺寸的气泡后，在甲醇溶液流动的驱动下，将会进一步受到锯齿壁面的挤压，并发生扭曲和剪切，使得气泡尺寸进一步减小。
本发明的内容并不限于直接甲醇燃料电池，流道内液体并不限于甲醇水溶液，气泡也并不限于CO2气泡。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种锯齿形燃料电池流道截面结构，其特征在于，包括阳极/阴极板(1)、扩散层(2)和质子交换膜(3)，阳极/阴极板(1)设置在扩散层(2)的上部，质子交换膜(3)设置在扩散层(2)的下部，阳极/阴极板(1)内部设置有流道(5)，流道(5)的两侧设置有多个向流道内部凸出的锯齿，锯齿用于降低流道内产生的气泡尺寸并抑制气泡生长。
2.根据权利要求1所述的一种锯齿形燃料电池流道截面结构，其特征在于，锯齿自扩散层(2)开始，并沿扩散层(2)的法线方向设置，锯齿的齿尖从下至上逐渐靠近流道(5)的中心。
3.根据权利要求1所述的一种锯齿形燃料电池流道截面结构，其特征在于，锯齿为对称和/或不对称形状。
4.根据权利要求1所述的一种锯齿形燃料电池流道截面结构，其特征在于，锯齿至少包括两组。
5.根据权利要求1所述的一种锯齿形燃料电池流道截面结构，其特征在于，锯齿的齿尖角度an为0～90°。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的锯齿形燃料电池流道截面结构，其特征在于，流道内部产生的气泡触碰到锯齿发生破裂，变为更小尺寸的气泡；未触碰到锯齿的气泡受锯齿壁面的挤压，在流道内液体驱动力、浮力和挤压力的共同作用下，发生扭曲和剪切，并最终破裂，变为更小尺寸的气泡；更小尺寸的气泡在流道内液体的驱动下，受到锯齿壁面的挤压作用，再次发生破裂，气泡尺寸进一步减小。
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