CN109509896A - 一种提高燃料电池双极板波浪形流道流场有效面积的流场结构 - Google Patents

一种提高燃料电池双极板波浪形流道流场有效面积的流场结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种提高燃料电池双极板波浪形流道流场有效面积的流场结构，通过在分布于波浪形流道流场两侧的电化学反应弱化区设置与波浪形流道仿形的类半月形凸台及其周围的流道，使电化学反应弱化区具有与燃料电池主体流场相同程度的电化学反应。通过本发明可以提高双极板波浪形流道流场的有效面积，通过每个燃料电池电化学反应弱化区的减少来提高有效电化学反应面积。虽然电化学反应弱化区在燃料电池流场中的占比是比较低的，但是由于燃料电池电堆动辄是几十甚至几百个燃料电池堆叠而成的，对于一个燃料电池电堆而言，燃料电池电化学反应有效面积的增加是非常可观的。

Description

一种提高燃料电池双极板波浪形流道流场有效面积的流场 结构
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种旨在提高燃料电池双极板波浪形流道流场有效面积的流场结构。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)依靠电化学反应，将储存在燃料气(如氢气)中的化学能直接转变为电能。质子交换膜燃料电池发电，具有常温启动快、能量转换效率高、尾气绿色无污染、安全等特点，可以用于固定电站、移动电站、航空发电机、航海发电机、车载发电机、野外应急电源、便携电源等。2014年底，丰田公司正式发布了采用全功率质子交换膜燃料电池的乘用车Mirai，正式打开了质子交换膜燃料电池商业化应用的大门。
质子交换膜燃料电池(以下简称燃料电池)正常工作时，氧化剂气体及燃料气体在各自流场流动，参与电化学反应，反应产生的尾气、电化学生成水通过各自流场排出燃料电池，兼具热量传导与电荷收集与传导功能。因此，燃料电池流场对于燃料电池电化学反应至关重要，是保证电化学反应正常进行的重要结构之一。因此，对于燃料电池流场而言，提高燃料电池流场物质交换能力，使燃料电池可以不断、充分得到原料气，并可以顺利将电化学反应产物排出流场是非常重要的。
由武汉轻工大学开发的一种燃料电池双极板(中国发明专利申请公开说明书，申请号201810720941.0)以及同济大学开发的另一种燃料电池双极板(中国实用新型专利，ZL201721583861.2)，都采用了波浪形流道流场。波浪流道流场，由于物料在波浪形流道内流动，其运动方向时时刻刻都在变化，因此这种结构的流场流道对于流道内流动的流体始终保持较高的扰动，使流道内各个不同区域间的物质交换顺畅。采用波浪形流道流场的燃料电池，燃料电池电化学反应获取所需的反应原料并排除反应产物的过程更为顺畅，因而有助于进一步提高燃料电池的性能，使燃料电池的发电能力进一步提高。波浪流道流场在提高燃料电池性能的同时，也因为其本身的结构，引起流场局部区域性能下降。采用波浪形流道的流场最靠近两侧的波浪形流道在不断左右迂回前进过程中会绕过一部分流场内的区域(见图1)。这些区域的产生是因为波浪形流道流场最靠近两侧的流道与流场内的流道相同，均为沿着连续反向曲线向下游延伸，而流场边缘是直线，两者是不匹配的，相邻的两者之间必然存在多处渐行渐远的区域，因此造成多处半圆形区域是远离流道的(见图1中3所指的半圆形区域)。这些半圆形区域离流场流道距离相对较远，该区域参与燃料电池电化学反应所需的原料气体是靠流道通过一定距离自然扩散过来的，而电化学反应产物同样的通过一定的距离自然扩散到最近的流道内。由于电化学反应原料气体供给以及反应产物的排出相对燃料电池主体流场的物质交换条件相差较多，因此这些区域的燃料电池发电能力也低很多，因此将这些半圆形的区域称作燃料电池电化学反应弱化区。这些燃料电池电化学反应弱化区在燃料电池流场区域所占的比重不大，但考虑到燃料电池电堆动辄采用几百个燃料电池堆叠组装而成的，从整个电堆的角度考虑，这些燃料电池电化学反应弱化区累计起来的面积还是非常可观的。这些燃料电池电化学反应弱化区降低了燃料电池单位面积(和体积)的发电能力。因而解决燃料电池电化学反应弱化区问题，有助于提高燃料电池电堆比功率，也在一定程度上降低燃料电池单位功率的成本。
发明内容
本发明涉及一种提高燃料电池双极板波浪形流道流场有效面积的流场结构，该结构由波浪形流道仿形的类半月形凸台及其周围的流道——类半月形凸台外侧流道和类半月形凸台内侧流道共同组成。由于燃料电池波浪形流道是沿着连续反向曲线向下游延伸，而流场的边缘是直线的，因而在流场的两侧，因为二者的不匹配而形成了若干燃料电池电化学反应弱化区。为了减少燃料电池电化学反应弱化区对单位面积(和体积)功率的不利影响，通过采用本发明的提高燃料电池双极板波浪形流道流场有效面积的流场结构——类半月形凸台、类半月形凸台外侧流道和类半月形凸台内侧流道，使燃料电池电化学反应弱化区具有与燃料电池主体流场相似的流道，具有与燃料电池主体流场相近的物质交换能力，提高了电化学反应所需物料的供给能力以及电化学反应产物的排出能力，从而提高了燃料电池整体的性能。
本发明的技术方案：
一种波浪形流道流场结构，所述流场内具有由若干条相互平行的呈波浪态延伸的凸台构成的波浪形流道，所述流场的与凸台延伸方向一致的边缘a为直线形；所述边缘a与临近的凸台b不交接，形成若干个连通的间隙X；间隙X内设有与间隙X的结构相适应的类半月形凸台；类半月形凸台与边缘a不交接和/或类半月形凸台与凸台b不交接。
所述类半月形凸台的弓侧靠近凸台b，弦侧靠近边缘a；所述弦侧与边缘a之间留有间隙A；所述弓侧与凸台b之间留有间隙B；所述若干个间隙A连通构成半月形凸台的外侧流道，所述若干个间隙B连通构成半月形凸台的内侧流道。
作为优选的技术方案，所述类半月形凸台的宽度与呈波浪态延伸的凸台的宽度相同。
作为优选的技术方案，所述内侧流道的宽度大于等于外侧流道的宽度。
作为优选的技术方案，所述外侧流道与内侧流道的宽度之和为波浪形流道宽度的1.1-2倍。
作为优选的技术方案，所述类半月形凸台的厚度与呈波浪态延伸的凸台的厚度相同。
作为优选的技术方案，所述类半月形凸台的两端至中间渐变加宽。即起始段与终止段设置与相邻波浪形流道及流场边缘形状相仿的宽度渐变的导引段：引入段和引出段。
作为优选的技术方案，所述类半月形凸台为半月形凸台、半圆形凸台或由离散的凸台集合构成类半月形。
由于波浪形流道流场的沿连续反向曲线延伸的波浪形流道与流场直线边缘在形状上的不匹配，波浪形流道流场会在流场的两侧产生多个半圆形燃料电池电化学反应弱化区，导致降低了燃料电池单位面积(和体积)的发电能力。本发明的旨在提高燃料电池双极板波浪形流道流场有效面积的流场结构，通过在波浪形流道流场的电化学反应弱化区设置与波浪形流道仿形的类半月形凸台及其周围的流道——类半月形凸台外侧流道和类半月形凸台内侧流道，来提高电化学反应弱化区的物质交换能力。类半月形凸台起始段，由于两侧的直的流场边缘与弯曲的流道距离是逐渐变大，因此在类半月形凸台起始段设置宽度逐渐变大的引入段；同理，类半月形凸台终止段，由于两侧的直的流场边缘与弯曲的流道距离是逐渐变变小，因此在类半月形凸台终止段设置宽度逐渐变小的引出段。在类半月形凸台两端设置引入段和引出段，可以使流体在进、出类半月形凸台内侧流道和外侧流道时，流体流动更均匀顺畅。通过设置类半月形凸台，同时将类半月形凸台内侧流道宽度设置为大于等于类半月形凸台外侧流道宽度，且二者宽度之和，大于燃料电池波浪形流道主体流场内流道宽度，使原来的燃料电池电化学反应弱化区的流场区域与流场主体具有同样均匀的流体输送通道，从而使整个燃料电池流场范围内的电化学反应强度趋于均匀一致。通过本发明的提高燃料电池双极板波浪形流道流场有效面积的流场结构，既保留了波浪型流道流场的优点，同时避免了电化学反应弱化区的不利影响，提升了燃料电池的整体性能。
通过在这些半圆形电化学反应弱化区设置与波浪形流道仿形的类半月形凸台及其周围流道，增加该区域的电化学反应原料气体供给和电化学反应尾气排出，使该区域具有与燃料电池主体流场相同的工作条件，使燃料电池在整理流场都进行高效的电化学反应。通过本发明可以提高双极板波浪形流道流场的有效面积，每个燃料电池电化学反应弱化区的减少对应的就是有效电化学反应面积的增加。虽然电化学反应弱化区在燃料电池流场中的占比是比较低的，但是由于燃料电池电堆动辄是几十甚至几百个燃料电池堆叠而成的，对于一个燃料电池电堆而言，燃料电池电化学反应有效面积的增加是非常可观的。通过采用本发明的提高双极板波浪形流道流场有效面积的流场结构，充分利用燃料电池流场区域进行高效的电化学反应，有利于增加燃料电池电化学反应的有效面积，有利于提高燃料电池比功率。
由于本发明的一种提高燃料电池双极板波浪形流道流场有效面积的流场结构采用与原波浪形流道流场的结构是基本一致的，所采用的材质相同，因此所增加的材料成本及加工成本非常低；同时，本发明的一种提高燃料电池双极板波浪形流道流场有效面积的流场结构不需要对燃料电池双极板的整体结构进行任何调整，直接在原有的燃料电池双极板的流场局部做小的调整即可。
附图说明
图1波浪形流道流场的燃料电池双极板示意图
图2本发明的提高燃料电池双极板波浪形流道流场有效面积的流场结构的波浪形流道流场的燃料电池双极板示意图
图3本发明的提高燃料电池双极板波浪形流道流场有效面积的流场结构的类半月形凸台结构的一种实例示意图(局部)
图4本发明的提高燃料电池双极板波浪形流道流场有效面积的流场结构的类半月形凸台结构的另一种实例示意图(局部)
图中1，密封槽；2，凸台；3，电化学反应弱化区；4.燃料电池流场；5.波浪形流道；6.氧化剂气体入口总管；7.冷却剂入口总管；8.燃料气体出口总管；9.燃料气体入口总管；10.冷却剂出口总管；11.氧化剂气体出口总管；12.类半月形凸台局部流场；13.类半月形凸台；14.间隙A；15.间隙B；16.类半月形凸台引入段；17.类半月形凸台引出段。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明的一种提高燃料电池双极板波浪形流道流场有效面积的流场结构做进一步具体说明。
如图1和图2所示，波浪形流道流场结构，流场内具有由若干条相互平行的呈波浪态延伸的凸台2构成的波浪形流道5，流场的与凸台延伸方向一致的边缘a为直线形；边缘a与临近的凸台b不交接，形成若干个连通的间隙X；间隙X内设有与间隙X的结构相适应的类半月形凸台13；类半月形凸台13的弓侧靠近凸台b，弦侧靠近边缘a；弦侧与边缘a之间留有间隙A14；弓侧与凸台b之间留有间隙B15；若干个间隙A连通构成半月形凸台的外侧流道，所述若干个间隙B连通构成半月形凸台的内侧流道。类半月形凸台的两端至中间渐变加宽。即起始段与终止段设置与相邻波浪形流道及流场边缘形状相仿的宽度渐变的导引段：引入段16和引出段17。
在长度410毫米，宽度120毫米双极板(见图2)，氧化剂气体侧流场的相关结构参数如下：流场深度0.4毫米，流场凸台宽度0.6毫米，流道宽度1.4毫米，波浪形流道弯曲半径20毫米；类半月形凸台宽度0.6毫米，长度10.8毫米(弦长)；类半月形凸台引入段长度2.2毫米，引入段初始半径0.2毫米；类半月形凸台引出段长度2.2毫米，引出段终止半径0.2毫米；类半月形凸台内侧流道宽度1毫米，类半月形凸台外侧流道宽度0.8毫米。燃料气体侧流场的相关参数因流场内流体扩散能力强，上述参数略有不同，凸台宽度相应增加，流道宽度对应减少。本发明的一种提高燃料电池双极板波浪形流道流场有效面积的流场结构的具体参数，根据燃料电池的工作参数、流体种类的不同而进行适当调整，从而使各种流体在流场内的分布更均匀。
本发明的一种提高燃料电池双极板波浪形流道流场有效面积的流场结构的另一个实施例是对类半月形凸台的结构进行微调，如半圆形，使凸台的加工更简单(见图3)。
本发明的一种提高燃料电池双极板波浪形流道流场有效面积的流场结构的第三个实施例是对类半月形凸台的结构进行了更进一步的调整，由多个离散的凸台集合构成“类半月形”，离散的凸台优选为由“类半月形”的中间向两端半径渐小的圆形凸台(见图4)。将类半月形凸台调整为多个分体结构，使类半月形凸台内、外侧流道的流体分布更趋于一致。
上面描述了本发明的一种提高燃料电池双极板波浪形流道流场有效面积的流场结构，本发明所属领域的技术人员应当可以理解，所述仅仅为本发明的具体实施例，并非用于限制本发明。凡是本发明的精神及原则内所做的任何修改、尺寸结构的缩放、等同替换或者改进，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种波浪形流道流场结构，所述流场内具有由若干条相互平行的呈波浪态延伸的凸台构成的波浪形流道，所述流场的与凸台延伸方向一致的边缘a为直线形；
其特征在于：所述边缘a与临近的凸台b不交接，形成若干个连通的间隙X；
间隙X内设有与间隙X的结构相适应的类半月形凸台；
类半月形凸台与边缘a不交接和/或类半月形凸台与凸台b不交接。
2.根据权利要求1所述的波浪形流道流场结构，其特征在于：
所述类半月形凸台的弓侧靠近凸台b，弦侧靠近边缘a；
所述弦侧与边缘a之间留有间隙A；
所述弓侧与凸台b之间留有间隙B；
所述若干个间隙A连通构成半月形凸台的外侧流道，
所述若干个间隙B连通构成半月形凸台的内侧流道。
3.根据权利要求1所述的波浪形流道流场结构，其特征在于：所述类半月形凸台的宽度与呈波浪态延伸的凸台的宽度相同。
4.根据权利要求2所述的波浪形流道流场结构，其特征在于：所述内侧流道的宽度大于等于外侧流道的宽度。
5.根据权利要求1所述的波浪形流道流场结构，其特征在于：所述外侧流道与内侧流道的宽度之和为波浪形流道宽度的1.1-2倍。
6.根据权利要求1所述的波浪形流道流场结构，其特征在于：所述类半月形凸台的厚度与呈波浪态延伸的凸台的厚度相同。
7.根据权利要求1所述的波浪形流道流场结构，其特征在于：所述类半月形凸台的两端至中间渐变加宽。
8.根据权利要求1所述的波浪形流道流场结构，其特征在于：所述类半月形凸台为半月形凸台、半圆形凸台或由离散的凸台集合构成类半月形。
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