CN108963297B - 一种强化脊下对流的波浪形质子交换膜燃料电池流道 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种强化脊下对流的波浪形质子交换膜燃料电池流道。包括设置于流场板上的电池流道，所述电池流道呈蛇形分布；电池流道包括与外界环境接触的直流脊和与所述直流脊相邻的波浪形流脊，在气体入口处，波浪形流脊和直流脊在流场板中交替分布，直至气体出口处；所述波浪形流脊在转弯区域平直设置，在主流区域呈波浪形状。本发明能够促进波浪形流脊两侧的脊下对流，使气体均匀分布于流场；同时，流道内产生的压力变化，提高了区域流速，能够有效改善阴极的排水效果，重要地，扩散层、催化层在单位时间内的氧气传输都得到了明显提高。

Description

一种强化脊下对流的波浪形质子交换膜燃料电池流道

技术领域

本发明涉及一种用于质子交换膜燃料电池的流道结构，具体涉及一种强化脊下对流的波浪形质子交换膜燃料电池流道。

背景技术

燃料电池的流道是用于输送反应气体，实现燃料电池内部水气传输的关键部件。通过合理设计流道结构，能够实现电池内部水气的均匀分布，提高电池的性能。目前，传统的蛇形流道结构(图1)在电池反应的过程中，容易导致水淹、气体分布不均匀等问题，会很大程度上影响燃料电池的运行，从而使性能下降。

发明内容

本发明设计了一种强化脊下对流的波浪形质子交换膜燃料电池流道，这种电池流道克服了传统蛇形流道存在的一系列不足，其不仅能够强化脊下对流，使得反应气体均匀分布，保证电池后端的氧气传输，同时，由于波浪形的流道导致压强的变化，还具有非常理想的排水作用，缓解水淹带来的电池性能下降。

根据本发明提供的一种强化脊下对流的波浪形质子交换膜燃料电池流道，包括设置于流场板上的电池流道，所述电池流道呈蛇形分布；

电池流道包括与外界环境接触的直流脊和与所述直流脊相邻的波浪形流脊，在气体入口处，波浪形流脊和直流脊在流场板中交替分布，直至气体出口处；

所述波浪形流脊在转弯区域平直设置，在主流区域呈波浪形状。

优选地，所述波浪形流脊的波浪形状的线型采用正弦函数设计。

优选地，波浪形流脊的波浪形状的线型设计所采用正弦函数为y＝1/2*sin(1/2*pi*x)。

优选地，相邻的波浪形流脊与直流脊在转弯区域的距离为1mm。

优选地，电池流道的流道宽度最大为1.4mm，最小为0.6mm，所述流道宽度为相邻的波浪形流脊与直流脊之间的距离。

优选地，所述电池流道包括7处转弯区域，转弯区域内的波浪形流脊与直流脊均为平直的，流道宽度为1mm。

优选地，所述直流脊的宽度为1mm，波浪形流脊在转弯区域的宽度为1mm。

优选地，波浪形流脊在主流区域的宽度为1mm。

优选地，在进出口处，流道宽度为1mm，波浪形流脊在进出口处平直设置，波浪形流脊的宽度为1mm。

优选地，所述电池流道在流场板上的布局为50*49mm的矩形。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

与传统的蛇形流道相比，在本发明中，波浪形流脊两侧形成的压强差能够强化脊下对流，促进反应气体的均匀分布，保证电池后端的氧气传输，在一定程度上缓解氧气消耗所引起的浓差极化；此外，波浪形流脊使得流道内部的压强延气程循环波动，不仅提高了流道的排水能力，也增强了流道下方扩散层内的气体传输，有效防止了水淹现象。本发明通过设计一种含有波浪形流脊的流道，增强了反应过程中的脊下对流和流道的排水能力，提高了气体传输和电流分布的均匀性，相应地，电池整体性能水平得到提高。

附图说明

通过以下附图详细描述，使得本发明的其它特征、优点、效果变得更加明显：

图1为传统的蛇形流道示意图；

图2为本发明的波浪形流道结构(实施例1)示意图；

图3为改进型的波浪形流道结构(实施例2)示意图；

图4为实施例1，2与对比例的三种流道的极化曲线比较图；

图5为实施例1，2与对比例的三种流道的功率密度比较图。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的优势，下面将实施例与对比例进行比较。以下实施例有助于本领域的技术人员深入理解，但不以任何形式限制本发明。必须指出的是，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明设计思路的前提下，做出的任何变形或改进，都属于本发明的保护范围。

如图2所示，根据本发明提供的一种强化脊下对流的波浪形质子交换膜燃料电池流道，包括设置于流场板上的电池流道，所述电池流道呈蛇形分布；电池流道包括与外界环境接触的直流脊和与所述直流脊相邻的波浪形流脊，在气体入口处，波浪形流脊和直流脊在流场板中交替分布，直至气体出口处；波浪形流脊在转弯区域平直设置，在主流区域呈波浪形状，所述转弯区域为电池流道转弯时的区域，所述主流区域为电池流道呈平直状态的区域。

进一步地，所述波浪形流脊的波浪形状的线型采用正弦函数设计，波浪形流脊的波浪形状的线型设计所采用正弦函数为y＝1/2*sin(1/2*pi*x)。

所述直流脊和波浪形流脊的宽度为1mm，相邻的波浪形流脊与直流脊在转弯区域的距离为1mm；在主流区域，电池流道的流道宽度最大为1.4mm，最小为0.6mm，所述流道宽度为相邻的波浪形流脊与直流脊之间的距离。

进一步地，电池流道包括7处转弯区域，转弯区域内的波浪形流脊与直流脊均为平直的，流道宽度为1mm；在进出口处，流道宽度为1mm，波浪形流脊在进出口处平直设置，波浪形流脊的宽度为1mm。电池流道在流场板上的布局为50*49mm的矩形。

图3为本发明针对波浪形流脊的波浪形状的线型进一步改进得到的强化脊下对流的波浪形质子交换膜燃料电池流道，所述波浪形流脊的波浪形状的线型所采用的正弦函数为y＝1/2*sin(1/4*pi*x)。

将传统的蛇形流道(图1)作为对比例，将本发明提供的强化脊下对流的波浪形质子交换膜燃料电池流道(图2)作为实施例1，将基于强化脊下对流的波浪形质子交换膜燃料电池流道改进的电池流道(图3)作为实施例2，对应的流道参数如表1所示：

表1

	流道数	波浪形流脊线型
			对比例	3	—
实施例1	3	y＝1/2*sin(1/2*pi*x)
			实施例2	3	y＝1/2*sin(1/4*pi*x)

实施例1和实施例2是基于实施例1的改进设计，均是强化脊下对流的波浪形流道，不仅增强了脊下对流，提高气体的传输效率，而且，提高了流道排水的能力，实现电池性能的均匀性和稳定性，从而实现电池性能的优化。

将实施例1和实施例2在相同操作条件下与对比例的传统蛇形流道进行了性能比较，实验条件为：湿度RH＝100％，化学计量比H₂：Air＝2:2，操作压力1.5bar，操作温度80℃。性能比较结果如图4、5所示。

图4给出了三种流道的性能比较。实施例1和实施例2在高电流密度区的电流明显高于对比例。在高电流区域内脊下扩散层的积水是限制电池性能提升的主要因素，实施例1和实施例2的波浪形流场设计可以增强脊下对流，进而促进脊下扩散层的排水，从而使电池性能提高。实施例2的波峰和实施例1波峰一样大，但是频率更高，因此实施例2的脊下对流比实施例1更强烈，性能也更好。

图5给出了三种流道的功率密度与电流密度的关系。实施例1和实施例2的最大功率密度分别为1042mW/cm²和1068mW/cm²，而对比例的最大功率密度是967mW，实施例1和实施例2相比对比例性能有了明显提升。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要说明的是，本发明并不局限于上述特定的实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种强化脊下对流的波浪形质子交换膜燃料电池流道，其特征在于，

包括设置于流场板上的电池流道，所述电池流道呈蛇形分布；

电池流道包括与外界环境接触的直流脊和与所述直流脊相邻的波浪形流脊，在气体入口处，波浪形流脊和直流脊在流场板中交替分布，直至气体出口处；

所述波浪形流脊在转弯区域平直设置，在非转弯区域呈波浪形状。

2.如权利要求1所述的强化脊下对流的波浪形质子交换膜燃料电池流道，其特征在于，所述波浪形流脊的波浪形状的线型采用正弦函数设计。

3.如权利要求1或者2所述的强化脊下对流的波浪形质子交换膜燃料电池流道，其特征在于，波浪形流脊的波浪形状的线型设计所采用正弦函数为y＝1/2*sin(1/2*pi*x)。

4.如权利要求1所述的强化脊下对流的波浪形质子交换膜燃料电池流道，其特征在于，相邻的波浪形流脊与直流脊在转弯区域的距离为1mm。

5.如权利要求1所述的强化脊下对流的波浪形质子交换膜燃料电池流道，其特征在于，电池流道的流道宽度最大为1.4mm，最小为0.6mm，所述流道宽度为相邻的波浪形流脊与直流脊之间的距离。

6.如权利要求1所述的强化脊下对流的波浪形质子交换膜燃料电池流道，其特征在于，所述电池流道包括7处转弯区域，转弯区域内的波浪形流脊与直流脊均为平直的，流道宽度为1mm。

7.如权利要求1所述的强化脊下对流的波浪形质子交换膜燃料电池流道，其特征在于，所述直流脊的宽度为1mm，波浪形流脊在转弯区域的宽度为1mm。

8.如权利要求1所述的强化脊下对流的波浪形质子交换膜燃料电池流道，其特征在于，波浪形流脊在非转弯区域的宽度为1mm。

9.如权利要求1所述的强化脊下对流的波浪形质子交换膜燃料电池流道，其特征在于，在进出口处，流道宽度为1mm，波浪形流脊在进出口处平直设置，波浪形流脊的宽度为1mm。

10.如权利要求1所述的强化脊下对流的波浪形质子交换膜燃料电池流道，其特征在于，所述电池流道在流场板上的布局为50mm*49mm的矩形。

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