CN109390603B - 一种波纹流场板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波纹流场板，用于主动式直接甲醇燃料电池的阳极流场板，所述波纹流场板设置有流道，所述的流道内设置有规律分布的扰流结构。所述扰流结构为规律分布的波纹结构，形成波纹流道。所述波纹结构的特征呈正弦函数Asin(Wx)，其中A为幅值，W为角频率，所述波纹结构的波峰波谷形成扰流结构。本发明的波纹流场板中的扰流结构使得流道的璧面速度梯度增加，因此，璧面的剪切速率增加，加速了阳极侧的生成物——二氧化碳气体的排放，缓解了阳极侧因二氧化碳气体堵塞所导致燃料供给不足，电池性能下降的情况。与此同时，波纹流场板中的扰流结构更有利于传质过程的进行，从而提高电池的输出性能。

Description

一种波纹流场板

技术领域

本发明涉及直接甲醇燃料电池技术领域，具体涉及一种用于主动式直接甲醇燃料电池的波纹流场板。

背景技术

燃料电池产生的电能直接由原料本身的化学能直接转化而来，并且具有较高的能量密度、较低的环境污染性，再加上原料的丰富性等优势，受到了越来越多的关注。其中，相比属于质子交换膜燃料电池的氢燃料电池的氢原料制取成本高、储运危险以及使用条件苛刻等诸多因素，属于同类的直接甲醇燃料电池以甲醇为阳极原料，因其工作温度低（一般在室温工作）、理论比能量高、携带方便和使用安全等特点有着良好的应用前景，被业界认为是最有希望率先实现市场化的一类燃料电池。

对于阳极产物二氧化碳堵塞和阴极产物水堵塞，均属于产物管理问题，产物生成后，通过多孔气体扩散层进入到流场中，合适的多孔气体扩散层和流场结构将有助于产物及时有效脱离和排出，否则将会影响反应物的分布，甚至完全阻隔，无法为电化学反应提供基本的燃料供给，导致电池性能降低，甚至停止工作。因此，从这方面来讲，两极的产物管理问题是直接甲醇燃料电池中一个亟待解决的部分，不容忽视。

目前，大部分的研究者在解决产物管理问题时的研究主体是集电板的结构，但大部分的探究是集中于被动式的直接甲醇燃料电池中，而对主动式的直接甲醇燃料电池的探究却较少，但后者的功率密度更高，更具有应用价值，因此其产物管理更应得到重视。

与此同时，传统的流场板更多是改变流道的整体分布，对流场板中的单条流道的结构关注较少，因此，在本发明当中，在单条流道中加入扰流结构，并由此发展为结构特征呈正弦函数的波纹流道。波纹流场板中的扰流结构使得流道的璧面速度梯度增加，因此，璧面的剪切速率增加，加速了阳极侧的生成物——二氧化碳气体的排放，缓解了阳极侧因二氧化碳气体堵塞所导致燃料供给不足，电池性能下降的情况。与此同时，波纹流场板中的扰流结构更有利于传质过程的进行，从而提高电池的输出性能。

发明内容

为了有效缓解主动式直接甲醇燃料电池阳极侧气体堵塞现象，增强传质过程，从而提高电池的输出性能。本发明公开了一种波纹流场板。所述波纹流场板用于主动式直接甲醇燃料电池，该主动式直接甲醇燃料电池包括左侧端板、PVC硅胶垫、阴极流场板、PTFE垫、膜电极组件、PTFE垫、阳极流场板、PVC硅胶垫、右侧端板、螺栓组。所述波纹流场板用于该主动式直接甲醇燃料电池的阳极侧。

本发明采用如下技术方案实现：

一种波纹流场板，用于主动式直接甲醇燃料电池的阳极流场板，所述波纹流场板设置有流道，所述的流道内设置有规律分布的扰流结构。

进一步地，所述扰流结构为规律分布的波纹结构，形成波纹流道。

进一步地，所述波纹结构的特征呈正弦函数Asin(Wx)，其中A为幅值，W为角频率，所述波纹结构的波峰波谷形成扰流结构。

进一步地，所述的幅值A取值范围为0.05~0.2，所述角频率W取值范围为1~5。

进一步地，所述的波纹流场板的材料为导电金属。

进一步地，所述的导电金属包括合金钢，铝合金、铜合金。

进一步地，所述的合金钢包括不锈钢。

进一步地，所述所述波纹流场板表面的光洁度最低为0.3，波纹流场板流道的内表面光洁度最低为0.8。

进一步地，所述波纹流场板中的流道结构呈蛇形分布。

进一步地，所述波纹流场板各流道的拐角处为圆角过渡。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、传统的直接甲醇燃料电池中，流场板和集电板分离，使得电池整体质量增加，电池内部电阻增大，本发明设计的波纹流场板是传统流场板和集电板的一体化，既起到均匀分布反应物和生成物的作用，亦起到收集电子的作用。

2、传统的流场板更多是改变流道的整体分布，对流场板中的单条流道的结构关注较少，在本发明当中，在单条流道中加入扰流结构，并由此发展为结构特征呈正弦函数Asin(Wx)的波纹流道。

3、传统流场板对电池性能的提升并不明显，而本发明中，因波纹流场板中的扰流结构，使得流道的璧面速度梯度增加，从而，璧面的剪切速率增加，加速了阳极侧的生成物——二氧化碳气体的排放，缓解了阳极侧因二氧化碳气体堵塞所导致燃料供给不足，电池性能下降的情况。与此同时，波纹流场板中的扰流结构更有利于传质过程的进行，从而提高电池的输出性能。

附图说明

图1是主动式直接甲醇燃料电池正视图；

图2本发明实施例的波纹流场板正视图；

图3为现有普通圆角流道流场板正视图；

图4为现有普通直角流道流场板正视图；

图5是在不同甲醇供给流量下，主动式直接甲醇燃料电池使用普通圆角流道流场板所对应的电池性能输出曲线；

图6是在不同甲醇供给流量下，主动式直接甲醇燃料电池使用波纹流场板所对应的电池性能输出曲线；

图7是在不同甲醇供给浓度下，主动式直接甲醇燃料电池使用普通圆角流场板所对应的电池性能输出曲线；

图8是在不同甲醇供给浓度下，主动式直接甲醇燃料电池使用波纹流场板所对应的电池性能输出曲线；

图中所示为：1-左侧端板；2-第一PVC硅胶垫；3-阴极流场板；4-膜电极组件；5-阳极流场板；6- 第二PVC硅胶垫；7-右侧端板；8-螺栓组；9-第一PTFE垫；10-第二PTFE垫。

具体实施方式

为进一步理解本发明，下面结合附图对本发明做进一步说明。但是需要说明的是，本发明要求保护的范围并不局限于以下实施例表述的范围。

如图1所示，所述的主动式直接甲醇燃料电池，其组成结构从左到右依次为，左侧端板1、第一PVC硅胶垫2、阴极流场板3、第一PTFE垫9、膜电极组件4、第二PTFE垫10、阳极流场板5、第二PVC硅胶垫6、右侧端板7、螺栓组8。其中端板材料均采用高透光率的透明亚克力板，大小为60mm×60mm，厚度为15mm，四周加工有8个直径5mm的螺栓孔。各层组件通过8个M4螺栓构成的螺栓组锁紧，每个螺栓通过扭力扳手拧紧，扭矩为1.6N·m。

其中，所述的膜电极组件4由膜电极和PTFE密封垫（厚度为0.2mm）组成。本实例中自制的所有膜电极均为气体扩散电极，主要包括阳极气体扩散电极、阴极气体扩散电极和质子交换膜。其中，气体扩散电极由基底和催化层构成，基底又由支撑层和微孔层构成。支撑层采用日本Toray公司的TGP-H-060型号燃料电池专用碳纸。微孔层主要成分为导电炭黑（Vulcan XC72，美国E-TEK），形成于支撑层一侧表面。催化剂粉末（美国Johnson Matthey）和适量异丙醇分析纯试剂混合、悬浮均匀后，形成催化剂浆料，将其均匀喷涂在微孔层表面，形成催化层。阳极为Pt-Ru催化剂，载量为4mg·cm^-2，阴极为Pt催化剂，载量为2mg·cm^-2。质子交换膜采用美国DuPont公司的商用Nafion 117型电解质膜。质子交换膜在使用前需要进行预处理，依次浸泡于体积分数5%的双氧水、去离子水、0.5mol·L^-1的稀硫酸溶液和去离子水中各1h，浸泡期间各溶液都处在80℃ ，以分别去除质子交换膜表面的有机物杂质、残留的双氧水试剂、金属杂质和残留的硫酸。预处理好后的质子交换膜浸泡于去离子水中保存，使用时取出放于空气中自然晾干。制备好的阳极气体扩散电极和阴极气体扩散电极将各自催化层一侧面对质子交换膜，并置于中间区域，放入热压机中，热压后形成膜电极，热压压力为10MPa，温度为120℃，时间为2min。制备后的膜电极放入密封样品袋中保存。

实施例一：

在不同甲醇供给流量下，研究本发明新型波纹流场板与传统圆角流场板的电池输出性能。如图2所示，实验组中，主动式直接甲醇燃料电池的阳极流场板5采用本发明的波纹流场板，其波纹特征呈正弦函数0.1sin(5x)，材料为不锈钢，波纹流场板表面的光洁度为0.3，波纹流场板流道的内表面光洁度为0.8。所述波纹流场板加工流程主要分为落料、热处理、中走丝线切割低电流慢速成型、电解抛光加工步骤；主动式直接甲醇燃料电池的阴极流场板3采用传统直角流场板，如图4所示。设立实验对照组，对照组中的主动式直接甲醇燃料电池的阳极流场板5采用传统圆角流场板，如图3所示，其阴极侧的流场板仍采用传统直角流场板，如图4所示。阳极流场板5中的流道宽度为1.2mm，阳极流场板5左下和右上均开有燃料的进口圆孔和出口圆孔，其半径为1mm，阳极流场板5厚度为1.5mm。甲醇供给浓度设置为2mol·L^-1，甲醇供给流量值共设置5组，分别为：0.2 mL·min^-1、0.5mL·min^-1、1mL·min^-1、2mL·min^-1、4mL·min^-1。阴极氧气供给流量均为100sccm。两者的电池输出性能如图5和图6所示。由对应的性能输出曲线得知，传统流场板对应的电池在1mL·min^-1取得最大值，而波纹流场板对应的电池在2mL·min^-1取得最大值。在甲醇流量为2mL·min^-1时，电池使用波纹流场板相比使用直角流场板，性能提升13.4%。明显可见，波纹流场板可缓解电池阳极气体堵塞现象，并且加强传质过程，从而提升电池性能。

实施例二：

在不同的甲醇供给浓度下，研究本发明新型波纹流场板与传统圆角流场板的电池输出性能。如图2所示，实验组中，主动式直接甲醇燃料电池的阳极流场板5采用本发明的波纹流场板，其波纹特征呈正弦函数0.1sin(5x)，材料为不锈钢，所述波纹流场板表面的光洁度最低为0.3，波纹流场板流道的内表面光洁度最低为0.8。所述波纹流场板加工流程主要分为落料、热处理、中走丝线切割低电流慢速成型、电解抛光加工步骤；主动式直接甲醇燃料电池的阴极流场板3采用传统直角流场板，如图4所示。设立实验对照组，对照组中的主动式直接甲醇燃料电池的阳极流场板5采用传统圆角流场板，如图3所示，其阴极流场板3仍采用传统直角流场板，如图4所示。流场板中的流道宽度为1.2mm，流场板左下和右上均开有燃料的进口圆孔和出口圆孔，其半径为1mm，整体流场板厚度为1.5mm。甲醇供给流量设置为实施例一中，性能输出最优时对应的甲醇供给流量，即为2 mL·min^-1，甲醇供给浓度设置6组，分别为：0.5mol·L^-1、2mol·L^-1、4mol·L^-1、6mol·L^-1、8mol·L^-1、10mol·L^-1。阴极氧气供给流量均为100sccm。两者的电池输出性能如图7和图8所示。由对应的性能输出曲线得知，传统流场板与波纹流场板所对应的电池性能均在8mol·L^-1取得最大值。在甲醇供给浓度为8mol·L^-1时，电池使用波纹流场板相比使用直角流场板，性能提升7.96%。明显可见，波纹流场板可缓解电池阳极气体堵塞现象，并且加强传质过程，从而提升电池性能。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种波纹流场板，用于主动式直接甲醇燃料电池的阳极流场板，其特征在于，所述波纹流场板设置有单条流道，所述波纹流场板中的单条流道呈蛇形分布；

所述单条流道内设置有规律分布的扰流结构；

所述扰流结构为规律分布的波纹结构，形成波纹流道；

所述波纹流道的特征呈正弦函数Asin(Wx)，其中A为幅值，W为角频率，所述波纹流道的波峰波谷形成扰流结构；

所述的幅值A取值范围为0.05~0.2，所述角频率W取值范围为1~5；

所述的波纹流场板的材料为导电金属；

所述波纹流场板表面的光洁度最低为0.3，波纹流场板单条流道的内表面光洁度最低为0.8；

所述单条流道的各拐角处为圆角过渡。

2.根据权利要求1所述的波纹流场板，其特征在于：所述的导电金属包括合金钢、铝合金和铜合金中的任一种。

3.根据权利要求2所述的波纹流场板，其特征在于：所述的合金钢包括不锈钢。