CN110429295A - 质子交换膜燃料电池的混合波浪形阴极流道 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池的混合波浪形阴极流道，其结构是：阴极流道的顶面和底面为平板形，流道的两个侧壁具有相同的正弦波曲线相对应的结构，N段正弦波光滑连接在一起，在波峰和波谷均具有相同的幅度和半径。流道的两端分别作为流体入口和出口，流体入口和出口的面积与流道截面积相同。流道侧壁的正弦波曲线由长、短两节波峰段组成，阴极流道的长度决定总节距数。波浪形侧壁会造成流道内的二次流，能够增加气流速度并加速液滴。本发明在保证压降尽量减小流动阻力的基础上，具有良好的排水能力，从而改善对流。在流道内产生的高速气流会使液滴移至侧壁甚至在侧壁接触角作用下到达顶壁。

Description

质子交换膜燃料电池的混合波浪形阴极流道
技术领域
本发明属于电化学燃料电池领域，具体涉及到质子交换膜燃料电池的流道结构。
背景技术
PEMFC(质子交换膜燃料电池)是一种电化学能转换装置，以清洁，无噪声的方式将化学能转化为电能。目前PEMFC已应用在汽车，分布式动力系统，潜艇和航空航天应用等领域。PEMFC具有高功率密度，轻便，低工作温度，零污染，快速启动等优点，因此具有广阔的应用空间。尽管PEMFC有很多优势，在性能，成本和耐久性方面仍存在一些技术缺陷。其中电池流道结构的改进是提升电池效能的主要着眼点之一，可以通过优化流场或新型流道的设计来改善电池性能。在PEMFC中流道结构极大地影响反应物的利用效率、传递、水管理乃至整体电池性能。例如电池内积聚过量的液态水会导致“水淹”现象，这种情况会直接影响反应物的运输及电池性能。由于电化学反应，当蒸汽压力高于饱和压力值，蒸汽就冷凝成液态水，如果凝结水过多将对电池寿命产生不利影响。因此，阴极侧流道设计成为提高燃料电池效能的关键技术。
发明内容
本发明的目的是，提出一种新型的质子交换膜燃料电池混合波浪形流道结构，能够改善电池阴极流道氧气输送和分配，加速水的排出。
本发明的技术原理与结构是，质子交换膜燃料电池的混合波浪形阴极流道，其结构是：阴极流道的顶面和底面为平板形，流道的两个侧壁具有相同的正弦波曲线相对应的结构，N段正弦波光滑连接在一起，在波峰和波谷均具有相同的幅度和半径。阴极流道的两端分别作为流体入口和出口，流体入口和出口的面积与流道截面积相同。
质子交换膜燃料电池的混合波浪形阴极流道，还有一个鲜明的特征是：阴极流道侧壁的正弦波曲线由长、短两节波峰段组成，阴极流道的长度决定总节距数。这种新颖的设计主要是针对电池阴极侧，因为液态水是PEMFC中阴极的产物。氧气作为反应物进入流道发生反应生成水，水在流道压差作用下被排出。混合波浪流道包含两种波峰距，在流道弯曲处幅度相同，波峰距布置有规律。流道侧壁是波浪形，顶壁和底部是平的，假设底部壁面是气体扩散层，液滴在底壁上。波浪形侧壁会造成流道内的二次流，能够增加气流速度并加速液滴。本发明在保证压降尽量减小流动阻力的基础上，具有良好的排水能力。流道的设计符合US DOE(美国能源部)的基本车用流道尺寸指标600×400μm。
本发明的特点以及产生的有益效果是：结构简单，方便加工，可以优化流道内两相输运过程。所产生的有益效果是：(1)流道内的气流会使液滴向壁面方向运动，最终达到流道的顶层壁面；而不会像目前流道结构容易堵住底层流道的孔隙，阻碍传质。(2)可以更快地排出液态水提升流道内垂直方向速度，从而改善对流。波浪形侧壁会促进流道中反应物的自由流动和增强的对流，促进氧气向扩散层的方向扩散。(3)流道内压降与传统流道相似，并不会带来额外的传质损失。
附图说明
图1是混合波浪形流道外观结构示意图。
图2是混合波浪形流道的尺寸结构图。
图3是常规流道和混合波浪形流道的压降对比图。
图4是常规流道和混合波浪形流道的排水时间对比图。
具体实施方式
以下结合附图并通过具体实施例，对本发明的原理与结构作进一步的说明。
质子交换膜燃料电池的混合波浪形阴极流道其几何结构如图1所示：阴极流道的顶面1和底面2为平板形，流道的两个侧壁3具有相同的正弦波曲线相对应的结构，N段正弦波光滑连接在一起，在波峰和波谷均具有相同的幅度和半径。阴极流道的两端分别作为流体入口和出口，流体入口和出口的面积与流道截面积相同。阴极流道入口和出口的投影面积为：高0.4mm×宽0.7mm。
阴极流道侧壁的正弦波曲线由长、短两节波峰段组成，其中长波峰段的节距为5mm；短波峰段的节距为2.5mm，阴极流道的长度决定总节距数。
混合波浪流道具有两个波峰距。波峰距组合根据流道的长度以规则的方式重复排列(图1)。与传统设计相比，这种新型的流道可以在相同的压降下加速排水。
作为实施例，混合波浪流道长度为25mm，共有7个(N＝7)波峰距组合，包括4个短波峰距(2.5mm)和3个长波峰距(5mm)。混合型波浪流道的振幅为0.1mm，弯曲处的曲率半径为1.0mm(图2)。
流道宽度为0.6毫米，高度为0.4毫米，符合US DOE(美国能源部)流道设计规范。波浪形侧壁的优势是可以引起流道中的二次流，从而增强对流以优化氧气输运以及向气体扩散层(流动流道的底壁表面)方向的扩散。
当燃料电池工作时，加湿空气(氧气)从阴极侧入口进入流动流道，然后通过气体扩散层到达催化层进而参与反应。反应的产物是液态水。优化的波状侧壁由于二次流的效应有助于排水，同时可以增强氧气传输并改善电池性能。该设计的固有特性将改善氧气输送和分配，加速水排出。
在实施例中，对本发明和普通流道两种流道进行了对比测试，对照例与本发明的测试况相同：测试温度为80℃，测试压力为101325 Pa，电流密度为1(Acm-2)，电池大小为25cm2。图3与图4给出对比效果图。
流道壁面边界条件设定为无滑移边界。进气速度恒定，入口距离液滴12mm，当进气接触液滴时已经充分发展。通过在壁面设定不同的接触角来调节流道的表面润湿性。对于测试的工况，底部表面的静态接触角设定为120°，而侧壁和顶壁分别为82°和45°。出口设定为恒压出口。并且考虑了Y方向重力。
与传统流道相比，混合波浪形流道产生了更高的气体速度和V方向速度(垂直分量速度)。V方向速度能够增强对流传质。传统流道中的V速度仅在距离入口几毫米处达到峰值，在流道下游处则很低。这是因为流道内只存在层流。然而，波浪流道的弯曲壁面改善了速度的垂直分量，使对流更强并沿流道路径分布，在侧壁弯曲处有峰值。这是由于波浪流道中的二次流引起的。与传统流道相比，设计的弯曲壁面使阴极流道压降稍微增加并提高气流速度。
图3显示了流动时间为2.5-16ms的压降波动的对比图。对于混合波浪形流道，在6ms后，压降波动与传统流道类似，变得稳定。在液滴破裂后，与侧壁接触后运动到顶壁，引起了轻微的压降波动。直流道压降最低，混合波浪形流道和直流道相似。这表明混合波浪形流道与传统流道压降很相似，这种特性会加速排水，改善氧气分布和电池性能。
图4展示了不同壁面接触角下的排水时间。可以看出，在不同侧壁和顶壁接触角条件下，混合波浪形流道在排水方面表现更好，进而改善整体电池性能。
波浪形侧壁的创造性在于可以引起流道中的二次流作用。这种效果可以增强对流以帮助更好的氧气输送，和通过气体扩散层(流道的底壁表面)方向的扩散，促进更快的排水并改善电池性能。

Claims (4)

1.质子交换膜燃料电池的混合波浪形阴极流道，其特征是：阴极流道的顶面(1)和底面(2)为平板形，流道的两个侧壁(3)具有相同的正弦波曲线相对应的结构，N段正弦波光滑连接在一起，在波峰和波谷均具有相同的幅度和半径，阴极流道的两端分别作为流体入口和出口，流体入口和出口的面积与流道截面积相同。
2.按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的混合波浪形阴极流道，其特征是：所述阴极流道侧壁的正弦波曲线由长、短两节波峰段组成，其中长波峰段的节距为5mm；短波峰段的节距为2.5mm，阴极流道的长度决定总节距数。
3.按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的混合波浪形阴极流道，其特征是：所述阴极流道波峰和波谷的幅度为0.1mm，半径为1.0mm。
4.按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的混合波浪形阴极流道，其特征是：所述阴极流道入口和出口的投影面积为：高0.4mm×宽0.7mm。
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