CN110400943A - 可视化燃料电池装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池领域，其公开了一种可视化燃料电池装置，包括：阴极流场单元，所述阴极流场单元导电；MEA膜电极，所述MEA的上表面与所述阴极流场单元的底面贴合；和阳极流场单元，所述阳极流场单元的顶面与所述MEA的下表面贴合，所述阳极流场单元导电，所述阳极流场单元和所述阴极流场单元至少一个透明，并所述阳极流场单元的顶面和所述阴极流场单元的底面分别开有沟槽以形成流道，并形成脊。本发明通过将阴极流场单元和阳极流场单元至少一个设置为透明，使得流道成为透明流道，然后使用装有显微镜头的高速摄像机对准待拍摄区域，从而可实现流道的顶部或底部以及侧面的可视化，从而实现燃料电池内部两相流的流动状态和分布的可视化。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种可视化燃料电池装置。
背景技术
质子交换膜燃料电池具有工作温度低、高效、环保等优点，是未来车用动力系统的重要一员。然而质子交换膜燃料电池由于水管理问题，制约其耐久性和性能的进一步提升。尤其在大电流密度工况下，电化学反应的产物水会大量产生，若此时水不能快速排出，则会阻塞流道和扩散层的孔隙，造成反应气不能到达反应界面发生反应以及流道阻力加大等问题。
而燃料电池可视化装置是一种成本低，观测直观，可用来研究水管理问题的装置。可用于研究的对象包括流道中反应气的分布均匀性、流道中液态水的观测(流型及其分布)、扩散层表面的液态水分布情况等。因此更大范围的可视化一直是此类装置的关键需求。
申请号为：201510919434.6，发明名称为一种燃料电池双极板流场流体分布的可视化装置及方法的中国专利中公开了一种技术方案：将镂空流道与透明端板结合实现燃料电池流道顶端的可视化，并通过高速分辨摄像机实现可视化现象的捕捉，但是这种发明无法看到脊下的流道，也无法观测到流道侧面。申请号为：200710012312.4，发明名称为双极板流场流体可视化装置和方法的中国专利中公开的技术方案也存在上述同样的问题。
申请号为：201810186909.9，发明名称为一种燃料电池装置及其极板流道气体分布的模拟方法的中国专利中，公开一种技术方案：将流道与透明盖板或底板结合，并在流道和透明盖板或底板之间设置重氨晒图纸，在实施过程中将氮气中添加氨气，并通过人眼或高速摄像机分辨颜色变化过程得到气体分布情况，显然这种方式只能用于反应气在流道中分布均匀性的可视化，无法观测到水等液体，也无法看到脊下和流道侧面。
发明内容
为了至少解决现有技术中存在的流道侧面无法可视化的问题，本发明提供了一种可视化燃料电池装置，其包括：阴极流场单元，所述阴极流场单元导电；MEA膜电极，所述MEA的上表面与所述阴极流场单元的底面贴合；和阳极流场单元，所述阳极流场单元的顶面与所述MEA的下表面贴合，所述阳极流场板导电，所述阳极流场单元和所述阴极流场单元至少一个透明，并所述阳极流场单元的顶面和所述阴极流场单元的底面分别开有沟槽以形成流道，并形成脊。
在如上所述的可视化燃料电池装置中，优选地，所述阳极流场单元的结构和大小与所述阴极流场单元的结构和大小关于所述MEA所在的平面对称。
在如上所述的可视化燃料电池装置中，优选地，所述阴极流场单元包括：第一阴极流场板，所述第一阴极流场板的材质为导电透明材料，所述第一阴极流场板的底面开有所述沟槽以形成所述流道，并形成所述脊。
在如上所述的可视化燃料电池装置中，优选地，所述阴极流场单元包括：第二阴极流场板，所述第二阴极流场板的材质为非导电透明材料，所述第二阴极流场板的底面开有所述沟槽以形成所述流道，并形成所述脊；和第一阴极集电板，所述第一阴极集电板的材质为导电透明材料，并开有镂空部，所述镂空部的大小和位置与所述沟槽相对，所述第一阴极集电板的顶面与所述第二阴极流场板的底面贴合，所述第一阴极集电板的底面与所述MEA的上表面贴合。
在如上所述的可视化燃料电池装置中，优选地，所述阴极流场单元包括：第二阴极流场板，所述第二阴极流场板的材质为非导电透明材料，所述第二阴极流场板的底面开有所述沟槽以形成所述流道，并形成所述脊；和第二阴极集电板，所述第二阴极集电板的材质为导电材料，并开有中空部，所述中空部与所述沟槽相对，所述脊穿过所述中空部与所述MEA的上表面贴合，且所述中空部的大小为所述可视化燃料电池装置的活性面积大小，所述第二阴极集电板的顶面与所述第二阴极流场板的底面贴合，所述第二阴极集电板的底面与所述MEA的上表面贴合。
在如上所述的可视化燃料电池装置中，优选地，所述第二阴极流场板的材质为透明树脂玻璃。
在如上所述的可视化燃料电池装置中，优选地，当所述第二阴极集电板的材质为导电非透明材料时，所述第二阴极集电板为镀金的铜片。
在如上所述的可视化燃料电池装置中，优选地，所述可视化燃料电池装置还包括：阴极压板和阳极压板；所述阴极压板和所述阳极压板通过连接件夹紧设置在所述阴极流场单元的顶面和所述阳极流场单元的底面；在各所述压板上与所述沟槽相对的位置开有镂空孔以方便可视化。
在如上所述的可视化燃料电池装置中，优选地，所述可视化燃料电池装置还包括：阴极密封圈和阳极密封圈；所述阴极密封圈设置在所述阴极流场单元的底面开设的第一环形凹槽内，所述第一环形凹槽内为所述阴极流场单元的所述沟槽；所述阳极密封圈设置在所述阳极流场单元的顶面开设的第二环形凹槽内，所述第二环形凹槽内为所述阳极流场单元的所述沟槽。
在如上所述的可视化燃料电池装置中，优选地，所述可视化燃料电池装置还包括：配有显微镜头的高速摄像机，用于对所述可视化燃料电池装置的待可视化区域进行拍摄以实现可视化。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
1)加工制作简单，成本低；
2)实现燃料电池流道和脊下的MEA(尤其扩散层)表面的可视化；
3)实现流道顶部和侧面的可视化；
4)改善可视化燃料电池的受力均匀性问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种可视化燃料电池装置的爆炸示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种可视化燃料电池装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的又一种可视化燃料电池装置的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的再一种可视化燃料电池装置的结构示意图；
图中符号说明如下：
1-MEA、2-第一阴极流场板、3-第二阴极流场板、4-第一阴极集电板、5-第二阴极集电板、6-阴极压板、7-阳极压板、8-阴极密封圈、9-阳极密封圈、10-沟槽、11-脊、12-镂空部、13-中空部、14-螺栓、15-阴极流道进口、16-阴极流道出口、17-阳极流道进口、18-阳极流道出口、19-第一阳极流场板、20-第二阳极流场板、21-第一阳极集电板、22-第二阳极集电板。
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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
参见图1～4，本发明实施例提供了一种可视化燃料电池装置，其包括：阴极流场单元、MEA1(Membrane Electrode Assembly，膜电极)和阳极流场单元。
具体而言，阴极流场单元导电，在其底面开有沟槽10，该沟槽10用于形成流道，相邻沟槽10之间的凸起称之为脊11。MEA1的结构与现有的结构一样，本发明未对其进行改进，其可以是阳极、阴极和膜热压到一起，组成电极-膜-电极的“三合一”组件。MEA1的上表面与阴极流场单元的底面贴合，MEA1的下表面与阳极流场单元的顶面贴合。阳极流场单元导电，在其顶面开有沟槽10，该沟槽10也用于形成流道，相邻沟槽10之间的凸起也称之为脊11。沟槽的形成可以通过刻蚀的方法实现。在阴极流场单元的两侧设置有阴极流道进口15和阴极流道出口16。在阳极流场单元的两侧设置有阳极流道进口17和阳极流道出口18。阳极流场单元和阴极流场单元至少一个透明，即可以是阳极流场单元透明，阴极流场单元为现有技术中的结构，不透明；还可以是阴极流场单元透明，阳极流场单元为现有技术中的结构，不透明；又可以是阳极流场单元和阴极流场单元均透明。通过将阴极流场单元和阳极流场单元至少一个设置为透明，进而使得设置为透明的流程单元的流道成为透明流道，然后使用装有显微镜头的高速摄像机对准待拍摄区域，即直拍，从而可实现流道(相对阴极流场单元)的顶部和侧面的可视化和/或流道(相对阳极流场单元)的底部和侧面的可视化，从而实现燃料电池内部两相流的流动状态和分布的可视化。
阳极流场单元的结构和大小与阴极流场单元的结构和大小关于MEA所在的平面对称，此时方便阳极流场单元和阴极流场单元的统一制造，在其他的实施中，两者的结构和大小也可以不同，即不关于MEA所在的平面对称。
当阳极流场单元和阴极流场单元的结构相同时，下面以阴极流场单元的结构进行说明，当描述阳极流场单元的结构时，仅需将下面部件中的“阴极”替换成“阳极”，如阴极流场单元包括第一阴极流场板2时，对应地，阳极流场单元包括：第一阳极流场板19；阴极流场单元包括第二阴极流场板3和第一阴极集电板4时，对应地，阳极流场单元包括第二阳极流场板20和第一阳极集电板21；阴极流场单元包括第二阴极流场板3和第二阴极集电板5时，对应地，阳极流场单元包括第二阳极流场板20和第二阳极集电板22。
参见图2，阴极流场单元可以包括：第一阴极流场板2，其材质为导电透明材料，即其材质既导电又透明，如此可以省掉设置导电的阴极集电板。在第一阴极流场板2的底面开有沟槽10以形成流道，并形成脊11。为了便于描述，可将该方案称之为无集电板方案。
在其他的实施例中，参见图3，阴极流场单元可以包括：第二阴极流场板3和第一阴极集电板4。第二阴极流场板3的材质为非导电透明材料，即其材质非导电且透明，第二阴极流场板3的底面开有沟槽10以形成流道，并形成脊11。由于第二阴极流场板3为非导电材料，所以需要设置导电的阴极集电板，即第一阴极集电板4为导电透明材料，并开有镂空部12，此时可将第一阴极集电板4称之为镂空集电板，镂空部12的大小和位置与沟槽10相对，即镂空的部位刚好能和流道配合，第一阴极集电板4的顶面与第二阴极流场板3的底面贴合，第一阴极集电板4的底面与MEA1的上表面贴合，如此使得与MEA1与第一阴极集电板4的接触面积大，达到降低阻抗的目的，同时该结构简单。为了便于描述，可将该方案称之为有集电板的第一种方案。
在其他的实施例中，参见图4，阴极流场单元可以包括：第二阴极流场板3和第二阴极集电板5。第二阴极流场板3的材质为非导电透明材料，第二阴极流场板3的底面开有沟槽10以形成流道，并形成脊11。第二阴极集电板5的材质为导电材料，并开有中空部13，此时可将第二阴极集电板5称之为中空集电板，中空部13与所有的沟槽10相对，脊11穿过中空部13与MEA1的上表面贴合，且中空部13的大小为可视化燃料电池装置的活性面积大小，第二阴极集电板5的顶面与第二阴极流场板3底面贴合，第二阴极集电板5的底面与MEA1的上表面贴合。由于脊11穿过中空部13与MEA1接触，并未阻挡脊下的可视化，可实现脊下与流道的同时可视化。由于设置了中空部13，因此第二阴极集电板5的材质可以为导电透明材料，又可以为导电非透明材料。应用中，使用尺寸相对较大的MEA1，通过MEA1的外围与中空集电板接触实现导电。为了便于描述，可将该方案称之为有集电板的第二种方案。
为了增强阴极集电板的导电性，当第二阴极集电板5的材质为导电非透明材料时，其为镀金的铜片。当第二阴极集电板5的材质为导电透明材料时，其为导电玻璃。第一阴极集电板4的材质也可以为导电玻璃。为了提高第二阴极流场板3的强度，第二阴极流场板3的材质为透明树脂玻璃。
当阴极流场单元与阳极流场单元的结构不同时，阴极流场单元和阳极流场单元的结构可选自上面三种方案中的两种，可以是：阴极流场单元选择无集电板方案，阳极流场单元选择有集电板的第一种方案；还可以是：阴极流场单元选择有集电板的第一种方案，阳极流场单元选择有集电板的第二种方案；又可以是：阴极流场单元选择有集电板的第二种方案，阳极流场单元选择无集电板方案；在其他的实施例中，还可以为其他方案的组合，本实施例对此不进行限定。
由于透明材料的刚度较小，这会使得燃料电池的受力不均匀，甚至会导致漏气，在透明材料外增加压板，即在阴极流场单元的顶面增加阴极压板6，在阳极流场单元的底面增加阳极压板7，并通过连接件，如螺栓14，贯穿阳极压板7和阴极压板6以及两个压板之间的部件，来紧固增强透明材料的刚度。各压板材料可以选用钢等刚度大的材料。在各压板上与沟槽相对的位置开有镂空孔以不阻挡观察视线，避免妨碍可视化。
为了提高本装置的密封性，本装置还包括：阴极密封圈8和阳极密封圈9。阴极密封圈8设置在阴极流场单元的底面开设的第一环形凹槽内，第一环形凹槽内为阴极流场单元的沟槽，即阴极流场单元的所有沟槽外环绕着第一环形凹槽。阳极密封圈9设置在阳极流场单元的顶面开设的第二环形凹槽内，第二环形凹槽内为阳极流场单元的沟槽，即阳极流场单元的所有沟槽外环绕着第二环形凹槽。具体地，以阴极流场单元的结构为例进行说明，当阴极流场单元采用无集电板方案时，第一环形凹槽设置在第一阴极流场板2上；当阴极流场单元采用有集电板的第一种方案时，第一环形凹槽设置在第一阴极集电板4上；当阴极流场单元采用有集电板的第二种方案时，第一环形凹槽设置在第二阴极集电板5上。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (10)
1.一种可视化燃料电池装置，其特征在于，所述可视化燃料电池装置包括：
阴极流场单元，所述阴极流场单元导电；
MEA膜电极，所述MEA的上表面与所述阴极流场单元的底面贴合；和
阳极流场单元，所述阳极流场单元的顶面与所述MEA的下表面贴合，所述阳极流场单元导电；
所述阳极流场单元和所述阴极流场单元至少一个透明，并所述阳极流场单元的顶面和所述阴极流场单元的底面分别开有沟槽以形成流道，并形成脊。
2.根据权利要求1所述的可视化燃料电池装置，其特征在于，所述阳极流场单元的结构和大小与所述阴极流场单元的结构和大小关于所述MEA所在的平面对称。
3.根据权利要求1所述的可视化燃料电池装置，其特征在于，所述阴极流场单元包括：第一阴极流场板，所述第一阴极流场板的材质为导电透明材料，所述第一阴极流场板的底面开有所述沟槽以形成所述流道，并形成所述脊。
4.根据权利要求1所述的可视化燃料电池装置，其特征在于，所述阴极流场单元包括：
第二阴极流场板，所述第二阴极流场板的材质为非导电透明材料，所述第二阴极流场板的底面开有所述沟槽以形成所述流道，并形成所述脊；和
第一阴极集电板，所述第一阴极集电板的材质为导电透明材料，并开有镂空部，所述镂空部的大小和位置与所述沟槽相对，所述第一阴极集电板的顶面与所述第二阴极流场板的底面贴合，所述第一阴极集电板的底面与所述MEA的上表面贴合。
5.根据权利要求1所述的可视化燃料电池装置，其特征在于，所述阴极流场单元包括：
第二阴极流场板，所述第二阴极流场板的材质为非导电透明材料，所述第二阴极流场板的底面开有所述沟槽以形成所述流道，并形成所述脊；和
第二阴极集电板，所述第二阴极集电板的材质为导电材料，并开有中空部，所述中空部与所述沟槽相对，所述脊穿过所述中空部与所述MEA的上表面贴合，且所述中空部的大小为所述可视化燃料电池装置的活性面积大小，所述第二阴极集电板的顶面与所述第二阴极流场板的底面贴合，所述第二阴极集电板的底面与所述MEA的上表面贴合。
6.根据权利要求4或5所述的可视化燃料电池装置，其特征在于，所述第二阴极流场板的材质为透明树脂玻璃。
7.根据权利要求5所述的可视化燃料电池装置，其特征在于，当所述第二阴极集电板的材质为导电非透明材料时，所述第二阴极集电板为镀金的铜片。
8.根据权利要求1所述的可视化燃料电池装置，其特征在于，所述可视化燃料电池装置还包括：阴极压板和阳极压板；
所述阴极压板和所述阳极压板通过连接件夹紧设置在所述阴极流场单元的顶面和所述阳极流场单元的底面；
在各所述压板上与所述沟槽相对的位置开有镂空孔以方便可视化。
9.根据权利要求1所述的可视化燃料电池装置，其特征在于，所述可视化燃料电池装置还包括：阴极密封圈和阳极密封圈；
所述阴极密封圈设置在所述阴极流场单元的底面开设的第一环形凹槽内，所述第一环形凹槽内为所述阴极流场单元的所述沟槽；
所述阳极密封圈设置在所述阳极流场单元的顶面开设的第二环形凹槽内，所述第二环形凹槽内为所述阳极流场单元的所述沟槽。
10.根据权利要求1所述的可视化燃料电池装置，其特征在于，所述可视化燃料电池装置还包括：配有显微镜头的高速摄像机，用于对所述的可视化燃料电池装置待可视化区域进行拍摄以实现可视化。
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