CN109546178B - 一种肠形流场板及包括该流场板的燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种肠形流场板及包括该流场板的燃料电池。传统的流场板中直形的沟道和拐角不利于产物气泡的流动排出。本发明肠形流场板，内侧面上开设有肠形流道槽。肠形流道槽由进液槽、出液槽、m条单肠形槽和m‑1条连接槽组成。m条单肠形槽依次排列。单肠形槽的横截面轮廓由n个第一半圆和n个第二半圆组成。n个第一半圆及n个第二半圆的圆心在同一条特征直线上。n个第一半圆依次首尾相连，且中点均位于特征直线的一侧。n个第二半圆依次首尾相连，且中点均位于特征直线的另一侧。任意两条相邻的单肠形槽均通过一条连接槽连通。本发明参照人体内食物流动的肠道结构设计了肠形流道，能够增大甲醇溶液流动中转折次数。
Description
技术领域
本发明属于直接醇类燃料电池技术领域，具体涉及一种肠形流场板及包括该流场板的燃料电池。
背景技术
燃料电池是一个能将化学直接转化成电能的发电装置。近年来，因其高效、清洁、安静和启动条件简单等优点，日益受到各国科研者们的重视。
燃料电池一般是由两个流场板(阳极和阴极)，夹着一个膜电极组成。其中流场板是燃料电池中重要的部件，主要起到燃料经流、收集电子和支撑电池结构的作用，因此，流场结构对燃料电池的性能有着重要的影响。
流场结构类型较多，常见的有平行流场、螺旋流场以及交指流场等，其中传统的流场板中直形的沟道和拐角不利于产物气泡的流动排出，导致燃料在流道中被未及时排出的气泡堵塞，因此燃料实际流速远低于峰值。同时，现有流场板中单沟道直又长，在拐角处压降低，导致燃料物质传递效率低，单沟道的头部和尾部的燃料浓度差大，致每条沟道中的浓度梯度大，造成电化学反应不均，影响燃料电池整体的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种肠形流场板及包括该流场板的燃料电池。
本发明肠形流场板，内侧面上开设有肠形流道槽。所述的肠形流道槽不贯通肠形流场板。所述的肠形流道槽由进液槽、出液槽、m条单肠形槽和m-1条连接槽组成，1≤m≤20。m条单肠形槽依次排列。单肠形槽的横截面轮廓由n个第一半圆和n个第二半圆组成，3≤n≤40。n个第一半圆及n个第二半圆的圆心在同一条特征直线上。n个第一半圆依次首尾相连，且中点均位于特征直线的一侧。n个第二半圆依次首尾相连，且中点均位于特征直线的另一侧。任意两条相邻的单肠形槽均通过一条连接槽连通。与同一条单肠形槽相连的两条连接槽分别位于该条单肠形槽的两端。位于首端的肠形流道槽上远离对应连接槽的那端与进液槽连通。位于尾端的肠形流道槽上远离对应连接槽的那端与出液槽连通。进液槽底面的中部开设有进液孔。出液槽底面的中部开设有出液孔。
进一步地，相邻两条单肠形槽的间距相等。
进一步地，任意一个第一半圆的圆心均与其中两个相邻的第二半圆圆心的中点重合。
进一步地，n个第一半圆与n个第二半圆的半径相等。
进一步地，所述肠形流场板的内侧面镀有金属。
包括该肠形流场板的燃料电池，还包括膜电极、阴极极板和阴极端板。所述的肠形流场板、膜电极、阴极极板和阴极端板依次排列设置。阴极端板的中部均开设有用于排出产物的矩形通槽。阴极极板上均开设有多个通液孔。所述的膜电极包括依次叠置的阳极电极、质子交换膜和阴极电极。阳极电极、阴极电极与肠形流场板、阴极极板的内侧面分别接触。
进一步地，所述的阳极电极由阳极扩散层和阳极催化层组成。所述的阳极催化层与质子交换膜朝向阳极极板的侧面接触。所述的阴极电极由阴极催化层和阴极扩散层组成。所述的阴极催化层与质子交换膜朝向阴极极板的侧面接触。
进一步地，包括该肠形流场板的燃料电池，还包括硅胶垫圈。所述的硅胶垫圈设置在肠形流场板与阴极极板之间。硅胶垫圈环住膜电极。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明参照人体内食物流动的肠道结构设计了肠形流道，在增大甲醇溶液流动中转折次数的同时，能够避免发生回流等现象。
2、本发明中由于流道的转折处呈半圆形，与气泡外形吻合，便于气泡在流道中流通排放，减少了由于气泡残留在流道中而对电池性能产生的影响。
3、本发明中肠形流场板的进口压力远大于传统流场板，燃料物质传递效率增大，使得肠形流道槽内的燃料浓度梯度小，整个流场中燃料浓度更平均，电化学反应也更完全，电池整体性能得以显著提升。
附图说明
图1为本发明的爆炸图；
图2为本发明中肠形流场板的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种包括肠形流场板的燃料电池，包括依次排列设置的肠形流场板1、膜电极、阴极极板6和阴极端板7。肠形流场板1的内侧面镀有金属。阴极端板7的中部均开设有用于排出产物的矩形通槽。阴极极板6上均开设有多个排列成矩阵状的通液孔。膜电极包括阳极电极3、质子交换膜4和阴极电极5。质子交换膜为美国杜邦公司的Nafion系列膜。阳极电极3由阳极扩散层和阳极催化层组成。阳极催化层与质子交换膜4朝向阳极极板2的侧面接触。阴极电极5由阴极催化层和阴极扩散层组成。阴极催化层与质子交换膜4朝向阴极极板6的侧面接触。阳极扩散层、阴极扩散层与肠形流场板1、阴极极板6的内侧面分别接触。肠形流场板1与阴极极板6之间还设置有硅胶垫圈2。硅胶垫圈2环住膜电极，用于避免膜电极处发生漏液。
如图1和2所示，肠形流场板1的内侧面上开设有肠形流道槽。肠形流道槽不贯通肠形流场板1。肠形流道槽由进液槽1-1、出液槽1-2、m条单肠形槽1-3和m-1条连接槽1-4组成，m＝5。m条单肠形槽1-3依次等间距排列。单肠形槽1-3的横截面轮廓由n个第一半圆和n个第二半圆组成，n＝7。n个第一半圆及n个第二半圆的圆心在同一条垂直于m条单肠形槽1-3排列方向的特征直线上。n个第一半圆依次首尾相连，且中点均位于特征直线的一侧。n个第二半圆依次首尾相连，且中点均位于特征直线的另一侧。任意一个第一半圆的圆心均位与其中两个相邻的第二半圆圆心的中点(即该两个第二半圆的交点)重合。n个第一半圆及n个第二半圆的半径均为R。任意两条相邻的单肠形槽1-3均通过一条连接槽1-4连通。与同一条单肠形槽1-3相连的两条连接槽1-4分别位于该条单肠形槽1-3的两端。由于n个第一半圆及n个第二半圆的圆心依次间隔排列，故单肠形槽1-3的两端形成宽度均为R的进液口及出液口。位于首端的肠形流道槽上远离对应连接槽1-4的那端与进液槽1-1连通。位于尾端的肠形流道槽上远离对应连接槽1-4的那端与出液槽1-2连通。进液槽1-1底面的中部开设有进液孔1-5。出液槽1-2底面的中部开设有出液孔1-6。
液体流过一条单肠形槽1-3时，需要经过2n次转折。液体在流动过程中的每一次转折都会产生压降，这就使得整个肠形流道槽内的压力变化区间更大。整个肠形流道槽内的压力变化区间大将导致肠形流场板1上进液槽1-1处的压力远大于常规的流场板。更高的进液压力能够提高肠形流道槽内甲醇溶液的物质传递效率从而使得燃料电池的电化学反应更完全。
同时，由于转折多，使得肠形流场板1内的流道相对于常规流场板更长。流入流场板的甲醇溶液体积保持不变的情况下，更长的流道能够增快流道内液体的流速。更高的流速能够减小流道内甲醇溶液的浓度梯度，同时促进电化学反应中产生的气体的排出，降低了气泡对电化学反应效率的影响。
本发明的工作原理如下：
步骤一、从肠形流场板1上的进液孔1-5注入甲醇溶液。
步骤二、甲醇溶液在肠形流道槽内与阳极电极内的阳极催化层发生电化学反应，镀有金属的肠形流场板1与阴极极板6输出电压。
Claims (6)
1.一种肠形流场板，其特征在于：内侧面上开设有肠形流道槽；所述的肠形流道槽不贯通肠形流场板；所述的肠形流道槽由进液槽、出液槽、m条单肠形槽和m-1条连接槽组成，1≤m≤20；m条单肠形槽依次排列；单肠形槽的横截面轮廓由n个第一半圆和n个第二半圆组成，3≤n≤40；n个第一半圆及n个第二半圆的圆心在同一条特征直线上；n个第一半圆依次首尾相连，且中点均位于特征直线的一侧；n个第二半圆依次首尾相连，且中点均位于特征直线的另一侧；任意一个第一半圆的圆心均与其中两个相邻的第二半圆圆心的中点重合；n个第一半圆与n个第二半圆的半径相等；
任意两条相邻的单肠形槽均通过一条连接槽连通；与同一条单肠形槽相连的两条连接槽分别位于该条单肠形槽的两端；位于首端的肠形流道槽上远离对应连接槽的那端与进液槽连通；位于尾端的肠形流道槽上远离对应连接槽的那端与出液槽连通；进液槽底面的中部开设有进液孔；出液槽底面的中部开设有出液孔。
2.根据权利要求1所述的一种肠形流场板，其特征在于：相邻两条单肠形槽的间距相等。
3.根据权利要求1所述的一种肠形流场板，其特征在于：所述肠形流场板的内侧面镀有金属。
4.包括如权利要求1所述的一种肠形流场板的燃料电池，其特征在于：还包括膜电极、阴极极板和阴极端板；所述的肠形流场板、膜电极、阴极极板和阴极端板依次排列设置；阴极端板的中部均开设有用于排出产物的矩形通槽；阴极极板上均开设有多个通液孔；所述的膜电极包括依次叠置的阳极电极、质子交换膜和阴极电极；阳极电极、阴极电极与肠形流场板、阴极极板的内侧面分别接触。
5.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于：所述的阳极电极由阳极扩散层和阳极催化层组成；所述的阳极催化层与质子交换膜朝向阳极极板的侧面接触；所述的阴极电极由阴极催化层和阴极扩散层组成；所述的阴极催化层与质子交换膜朝向阴极极板的侧面接触。
6.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于：还包括硅胶垫圈；所述的硅胶垫圈设置在肠形流场板与阴极极板之间；硅胶垫圈环住膜电极。
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