CN109921056A - 一种网格流场 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种降低直接甲醇燃料电池阴极传质极化的网格流场，该流场能促进电极轴向传质，降低阴极传质极化，提高燃料电池性能，便于大规模生产。流场结构是分段式结构，每段设置网格结构用作气体通道，上下游结构作为一组，呈周期性排列，每个锥台型腔体的尾端，设置收敛通道，使气体产生一个法向速度分量，吹扫扩散层，有利于传质和排水，同时提高气体分布的均匀性。网格流场将燃料电池阴极水气分离，水从极板背面疏导出去。

Description

一种网格流场
技术领域
本发明属于燃料电池装置的改进技术。确切的说，属于直接甲醇燃料电池的阴极流场改进技术。
背景技术
直接甲醇燃料电池在高电密下出现阴极传质极化现象，其中一个重要的原因就是阴极流场脊下团聚大量的水，被称为水淹现象。直接醇燃料电池阴极传输更多的水，包括阴极反应生成水、阳极水渗透，还有电渗拖曳，甲醇燃料电池的1个氢离子携带约3个水分子，直接醇燃料电池净水传输系数是氢氧燃料电池的两到三倍，解决阴极水淹问题是提高甲醇燃料电池性能面临的一大难题。
甲醇燃料电池为了强制排水，采用压力降较高的蛇形流场，较大的沿程损失导致压力降偏高，这样会给阴极供气的气泵带来较大负担，而且较长的脊对水滴有较大粘附力，使水滴容易聚集在脊下的扩散层难以排出，导致阴极轴向传质效果较差。诸多学者尝试用新型流场如工字型和仿生的叶脉型流场，但为从根本上解决水淹问题。如果将三维网格流场应用到直接醇燃料电池，其性能有较大提升，甲醇燃料电池阴极不仅水量大，气量也仅是氢氧燃料电池的三分之一，这样流场的排水能力提出要求更高，因此有必要研究一种直接甲醇燃料电池用三维网格流场。
发明内容
本发明的目的在于提供一种降低直接甲醇燃料电池阴极传质极化的网格流场，该流场能促进电极轴向传质，降低阴极传质极化，提高燃料电池性能，便于大规模生产。
本发明是通过下述方案加以实现的。极板以不锈钢薄板为原料，可利用冲压工艺制造。
本发明结构如下：
一种网格流场，包括分别为1个或2个以上的二种条形板，二种条形板沿条形板宽度方向顺序交替平行、间隔构成；
第一种为左右边之间宽度a的条形板，沿长度方向是由右端和下端开口的锥台形腔体和梯形平板作为重复单元依次顺序连接而成，连接时是通过腔体下开口端的侧边与梯形平板(右侧为下底边、左侧为上底边)的侧边相连；腔体平行于梯形平板表面的截面为梯形(左侧为下底边、右侧为上底边)，梯形截面上底边侧的腔体侧壁面为与梯形平板表面垂直的梯形面，梯形面即为腔体右端的开口端面；于靠近腔体右端开口端面的腔体外部设有梯形挡板，梯形挡板下底边二端与梯形面下底边的二端固接，梯形挡板上底边二端与梯形面上底边间留有间隙；
第二种为左右边之间宽度b的条形板，沿长度方向是由上底边在左侧的梯形平板、右端和下端开口的锥台形腔体、上底边在右侧的梯形平板、右端和下端开口的锥台形腔体作为重复单元依次顺序连接而成，连接时是通过腔体下开口端的侧边与梯形平板的侧边相连；腔体平行于梯形平板表面的截面为长方形，长方形截面右边侧的腔体侧壁面为与梯形平板表面垂直的梯形面，梯形面即为腔体右端的开口端面；于靠近腔体右端开口端面的腔体外部设有梯形挡板，梯形挡板下底边二端与梯形面下底边的二端固接，梯形挡板上底边二端与梯形面上底边间留有间隙。
第二种条形板重复单元中上底边在左侧的梯形平板上底边面向与其相邻的第一种条形板重复单元中的梯形平板下底边。
第二种条形板重复单元中上底边在右侧的梯形平板下底边面向与其相邻的第一种条形板重复单元中的锥台形腔体右开口端。
第二种条形板重复单元中上底边在左侧的梯形平板上底边面向与其相邻的第一种条形板重复单元中的梯形平板下底边，沿条形板宽度方向形成快速疏水通道，快速疏水通道的中轴线在一条直线上。
a等于b，二种条形板沿条形板宽度方向顺序交替平行、等间距排布。
a和b分别为0.5～10mm，锥台形腔体的高度可以设置0.2～4mm。
本发明有益效果为
1.网格流场将燃料电池阴极水气分离，水从极板背面疏导出去。
2.锥台型腔体尾端迎风面的倾斜角会对气体产生下压力，使气体产生一个法向速度分量，吹扫扩散层，有利于传质和排水；同时提高气体分布的均匀性。
3.网格流场结构的分段结构有利于阴极水沿间隙排出，被疏导到网格结构背面排出。
4.梯形平板形成快速疏水通道，扩散层的水在气体的推动下沿疏水槽排除，一旦疏水槽阻塞，上游的网格尾端收敛通道的压力激增，会将阻塞区域的水冲开，让疏水槽恢复畅通。
附图说明
图1.网格流场；
1.锥台型腔体；2.梯形平板；3.快速疏水通道。
具体实施方式
二种条形板沿条形板宽度方向顺序交替平行、间隔构成；
第一种为左右边之间一定宽度的条形板，沿长度方向是由右端和下端开口的锥台形腔体和梯形平板作为重复单元依次顺序连接而成，连接时是通过腔体下开口端的侧边与梯形平板(右侧为下底边、左侧为上底边)的侧边相连；腔体平行于梯形平板表面的截面为梯形(左侧为下底边、右侧为上底边)，梯形截面上底边侧的腔体侧壁面为与梯形平板表面垂直的梯形面，梯形面即为腔体右端的开口端面；于靠近腔体右端开口端面的腔体外部设有梯形挡板，梯形挡板下底边二端与梯形面下底边的二端固接，梯形挡板上底边二端与梯形面上底边间留有间隙；
第二种为左右边之间一定宽度的条形板，沿长度方向是由上底边在左侧的梯形平板、右端和下端开口的锥台形腔体、上底边在右侧的梯形平板、右端和下端开口的锥台形腔体作为重复单元依次顺序连接而成，连接时是通过腔体下开口端的侧边与梯形平板的侧边相连；腔体平行于梯形平板表面的截面为长方形，长方形截面右边侧的腔体侧壁面为与梯形平板表面垂直的梯形面，梯形面即为腔体右端的开口端面；于靠近腔体右端开口端面的腔体外部设有梯形挡板，梯形挡板下底边二端与梯形面下底边的二端固接，梯形挡板上底边二端与梯形面上底边间留有间隙。
第二种条形板重复单元中上底边在左侧的梯形平板上底边面向与其相邻的第一种条形板重复单元中的梯形平板下底边。
第二种条形板重复单元中上底边在右侧的梯形平板下底边面向与其相邻的第一种条形板重复单元中的锥台形腔体右开口端。
第二种条形板重复单元中上底边在左侧的梯形平板上底边面向与其相邻的第一种条形板重复单元中的梯形平板下底边。
实施例
1.极板以不锈钢薄板为原料，可利用冲压工艺制造。
2.流场结构是分段式结构设置20组，呈周期性排列，每段设置20个锥台型腔体用作气体通道，锥台型腔体高度0.5mm，每两个相向设置，且每个锥台型腔体的尾端，设置收敛通道，两个锥台型腔体宽度10mm与下游梯形开口宽度相等，梯形平板中轴线在一条直线上，形成快速疏水通道；梯形平板背面与扩散层接触。

Claims (6)

1.一种网格流场，其特征在于：包括分别为1个或2个以上的二种条形板，二种条形板沿条形板宽度方向顺序交替平行、间隔构成；
第一种为左右边之间宽度a的条形板，沿长度方向是由右端和下端开口的锥台形腔体和梯形平板作为重复单元依次顺序连接而成，连接时是通过腔体下开口端的侧边与梯形平板(右侧为下底边、左侧为上底边)的侧边相连；腔体平行于梯形平板表面的截面为梯形(左侧为下底边、右侧为上底边)，梯形截面上底边侧的腔体侧壁面为与梯形平板表面垂直的梯形面，梯形面即为腔体右端的开口端面；于靠近腔体右端开口端面的腔体外部设有梯形挡板，梯形挡板下底边二端与梯形面下底边的二端固接，梯形挡板上底边二端与梯形面上底边间留有间隙；
第二种为左右边之间宽度b的条形板，沿长度方向是由上底边在左侧的梯形平板、右端和下端开口的锥台形腔体、上底边在右侧的梯形平板、右端和下端开口的锥台形腔体作为重复单元依次顺序连接而成，连接时是通过腔体下开口端的侧边与梯形平板的侧边相连；腔体平行于梯形平板表面的截面为长方形，长方形截面右边侧的腔体侧壁面为与梯形平板表面垂直的梯形面，梯形面即为腔体右端的开口端面；于靠近腔体右端开口端面的腔体外部设有梯形挡板，梯形挡板下底边二端与梯形面下底边的二端固接，梯形挡板上底边二端与梯形面上底边间留有间隙。
2.按照权利要求1所述的网格流场，其特征在于：
第二种条形板重复单元中上底边在左侧的梯形平板上底边面向与其相邻的第一种条形板重复单元中的梯形平板下底边。
3.按照权利要求1或2所述的网格流场，其特征在于：
第二种条形板重复单元中上底边在右侧的梯形平板下底边面向与其相邻的第一种条形板重复单元中的锥台形腔体右开口端。
4.按照权利要求2所述的网格流场，其特征在于：
第二种条形板重复单元中上底边在左侧的梯形平板上底边面向与其相邻的第一种条形板重复单元中的梯形平板下底边，沿条形板宽度方向形成快速疏水通道，快速疏水通道的中轴线在一条直线上。
5.按照权利要求1所述的网格流场，其特征在于：a等于b，二种条形板沿条形板宽度方向顺序交替平行、等间距排布。
6.按照权利要求1或5所述的网格流场，其特征在于：a和b分别为0.5～10mm，锥台形腔体的高度可以设置0.2～4mm。
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