CN109768300A - 一种质子交换膜燃料电池平行三维波浪形流场 - Google Patents

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陈曦
于正锟
万忠民
周浩伟
陈耀
胡春虎
丁跃浇
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Abstract

本发明涉及质子交换膜燃料电池流场结构技术领域，公开了一种平行三维波浪形流场。该流场结构包括入口流道、出口流道以及与所述入口流道和所述出口流道相连通的若干条分支流道，所述分支流道以平行方式排列，所述分支流道的上表面的纵向截面的形状为波浪形曲线。本发明三维波浪形结构流道引入强制对流，在垂直于整个电池平面的方向产生速度，迫使更多的反应气体进入气体扩散层并最终到达催化层，极大程度地提升了反应气体的利用率。并且，波浪形结构的流道会使更多的气体进入多孔层，将聚集在多孔层中的液态水带入分支流道中并经出口流道排出去，因此能够有效避免阴极流场水淹问题。

Description

一种质子交换膜燃料电池平行三维波浪形流场
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池的流场结构技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池平行三维波浪形流场。
背景技术
质子交换膜燃料电池的流场是将反应气体输送到膜电极组件进行反应，以及内部水汽管理的重要单元，合理的流场设计会使反应气体均匀地分布在多孔层当中，从而提升燃料电池的性能。传统的平行流场结构如图1所示，在气体传输过程中会引起明显的分布不均匀现象，以及水淹等问题，这些缺点严重限制了燃料电池的性能。
发明内容
本发明主要目的在于提供一种改善传热传质并且能够促进排水的流场结构，以解决传统平行流场结构造成的传热传质不佳以及容易水淹的问题。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是提供一种质子交换膜燃料电池平行三维波浪形流场，具体方案如下：
一种质子交换膜燃料电池平行三维波浪形流场，所述流场包括入口流道、出口流道以及与所述入口流道和所述出口流道相连通的若干条分支流道，所述分支流道以平行方式排列，所述分支流道的上表面的纵向截面的形状为波浪形曲线。
进一步地，所述波浪形曲线的线型采用余弦函数设计。
进一步地，所述波浪形曲线采用余弦函数y＝0.3*cos(pi*x)设计。
进一步地，所述分支流道的最大高度为1mm，最小高度为0.4mm。
进一步地，所述分支流道为两条及两条以上，其中任意相邻两条分支流道之间的间距为1mm。
进一步地，所述分支流道的宽度为1mm。
进一步地，所述分支流道的长度为70mm。
进一步地，所述分支流道设置有25条。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
本发明的分支流道由于三维波浪形结构的存在会引入强制对流，在垂直于整个电池平面的方向产生速度，其可以迫使更多的反应气体进入气体扩散层并最终到达催化层，极大程度地提升了反应气体的利用率。并且，波浪形结构的流道会使更多的气体进入多孔层，将聚集在多孔层中的液态水带入分支流道中并经出口流道排出去，因此能够有效避免阴极流场水淹问题。更高效的气体利用率以及更少的液态水聚集能够大幅提升燃料电池的整体性能。
附图说明
图1是传统的平行流场板的结构示意图；
图2是本发明实施例波浪形流场板的结构示意图；
图3是本发明实施例波浪形流道和对比例直流道的性能比较图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步详细说明。
如图2所示，本发明实施例质子交换膜燃料电池平行三维波浪形流场，包括入口流道1、出口流道4以及与入口流道1和出口流道4相连通的若干条分支流道3。
其中，若干条分支流道3可以为一条或两条及两条以上，当分支流道3设计有两条及两条以上时，以平行方式进行排列。分支流道3的上表面的纵向截面的形状为波浪形曲线，波浪形曲线的线型采用余弦函数设计，优选采用余弦函数y＝0.3*cos(pi*x)设计，其中pi为圆周率π。气体经入口流道1进入分支流道3后在波浪形结构的影响下通过引入强制对流迫使更多的反应气体经气体扩散层进入到催化层当中，显著提升了燃料电池的性能。
分支流道3之间的结构为肋2，相邻两条分支流道3之间的间距为1mm。分支流道3的顶部与肋2的顶部相平，分支流道3的底部之间设有供反应气体通过的空间。分支流道3的最大高度为1mm，最小高度为0.4mm。其中，分支流道 3的高度指上下表面之间的距离，波浪形上表面的波峰处即为最大高度处，波浪形上表面的波谷处即为最小高度处。本实施例中分支流道3设置有25条，分支流道的长度为70mm，宽度为1mm，整个分支流道区域形成70mm*50mm的矩形。
对比例：采用传统的直流道设计，参数与本实施例流道相同，分支流道长度为70mm，宽度为1mm，高度为1mm，肋宽为1mm。
将本实施例和对比例的传统直流道在相同操作条件下进行了性能比较，试验条件为：空气加湿度100％，操作压力3atm，操作温度353K，H2O和O2组分的质量分数分别为0.103、0.208。性能比较结果如图3所示，采用本实施例流场板的质子交换膜燃料电池在高电流密度区的电流密度明显高于应用对比例直流道流场板的电池。这是因为在高电流密度下对比例中多孔层中的液态水明显高于实施例，严重阻碍了反应气体进入催化层进行反应。而且，实施例的最大功率密度为0.66W/cm2，而对比例的最大功率密度是0.6W/cm2，因此实施例相比对比例性能有了明显提升。
上述实施例仅为优选实施例，并不用以限制本发明的保护范围，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种质子交换膜燃料电池平行三维波浪形流场，其特征在于，所述流场包括入口流道、出口流道以及与所述入口流道和所述出口流道相连通的若干条分支流道，所述分支流道以平行方式排列，所述分支流道的上表面的纵向截面的形状为波浪形曲线。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池平行三维波浪形流场，其特征在于，所述波浪形曲线的线型采用余弦函数设计。
3.根据权利要求1或2所述的质子交换膜燃料电池平行三维波浪形流场，其特征在于，所述波浪形曲线的线型采用余弦函数y=0.3*cos(pi*x)设计。
4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池平行三维波浪形流场，其特征在于，所述分支流道的最大高度为1mm，最小高度为0.4mm。
5.根据权利要求4所述的质子交换膜燃料电池平行三维波浪形流场，其特征在于，所述分支流道为两条及两条以上，其中任意相邻两条分支流道之间的间距为1mm。
6.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池平行三维波浪形流场，其特征在于，所述分支流道的宽度为1mm。
7.根据权利要求6所述的质子交换膜燃料电池平行三维波浪形流场，其特征在于，所述分支流道的长度为70mm。
8.根据权利要求7所述的质子交换膜燃料电池平行三维波浪形流场，其特征在于，所述分支流道设置有25条。
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