CN111092243B - 一种燃料电池用鱼鳞仿生结构的流道 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池用鱼鳞仿生结构的流道，它属于燃料电池技术领域。本发明的目的是解决现有燃料电池流道存在的排水不畅导致电池性能降低的技术问题。本发明采用的技术方案是：一种燃料电池用鱼鳞仿生结构的流道，其包括极板主体、气体流道、脊、装配孔、反应气体入口、冷却液入口、冷却液出口、反应气体出口、气体扩散层和若干鱼鳞仿生导流板。所述气体扩散层上表面与蛇形流道相对应的表面上设置有凸起的若干鱼鳞仿生导流板，所述若干鱼鳞仿生导流板均匀的设置在蛇形流场中；所述鱼鳞仿生导流板的排列方式为相邻两排交错排列。本发明具有提高电池的性能和稳定性的优点。

Description

一种燃料电池用鱼鳞仿生结构的流道

技术领域

本发明涉及一种燃料电池用鱼鳞仿生结构的流道，它属于燃料电池技术领域。

背景技术

传统能源结构与利用越来越难以适应现代人类的生存需求。面对能源危机的严重挑战，世界各国都投入巨资进行清洁能源的研究与开发。研究人员们发现氢能源将是未来代替汽油、柴油等的理想清洁能源。

燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。这种装置的最大特点是由于反应过程中不涉及到燃烧，因此其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，其能量转换效率高达60％～80％，实际使用效率则是普通内燃机的2～3倍。另外，它还具有燃料多样化、排气干净、噪音低、对环境污染小、可靠性及维修性好等优点。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是燃料电池分支中的一种，其最大优越性体现在工作温度低，其最佳工作温度为80℃左右，但在室温也能正常工作，适宜于较频繁启动的场合，而且启动快，具有比其他类型的燃料电池更高的功率密度以及比蓄电池电动车连续行驶更长的距离等优点。它可在较大电流密度下工作，既可用作固定电站又可作为移动运输工具的电源。特别是近几年，由于人们环保意识的增强以及对化石燃料有限性取得的共识，世界上掀起了研究和开发PEMFC的热潮，PEMFC有望成为取代目前汽车动力的最有竞争力的动力源之一。

气体扩散层与燃料电池的极板紧密相连，构成了传质通道，是质子交换膜燃料电池的重要组成部件，气体扩散层的主要功能是支撑催化剂层、稳定电极结构、为电极反应提供气体通道、电子通道和排水通道，极板的主要功能是均匀分配反应气体、实现阴阳两极电子传导、及时散热等，燃料电池的生成物水在催化层中生成并通过气体扩散层到达流场中，流场结构形式与水在流场内的流动状态密切相关，若流场内的水不能及时排出，将会出现“水淹现象”，使得电池性能降低，因此，可以通过优化流场结构使燃料电池的生成物水更快排出，从而提升电池的性能。

发明内容

本发明的目的是解决现有燃料电池流道存在的上述技术问题，提供一种燃料电池用鱼鳞仿生结构的流道。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种燃料电池用鱼鳞仿生结构的流道，其包括极板主体、气体流道、脊、装配孔、反应气体入口、冷却液入口、冷却液出口、反应气体出口、气体扩散层和若干鱼鳞仿生导流板；其中，所述极板主体为平板，在极板主体的表面横向设有若干凹槽形长直流道，在极板主体的表面竖向设有若干凹槽形短直流道，所述长直流道和短直流道相连构成传质和排出反应物水的蛇形流道；相邻两长直流道之间形成脊，脊的宽度相同；所述蛇形流道一端为反应气体入口，另一端为反应气体出口，反应气体入口和反应气体出口分别位于极板主体的对角上；所述极板主体设有蛇形流道的主表面与气体扩散层的上表面紧密相连共同构成气体流道；所述气体扩散层为均匀的多孔质材料的平板，所述气体扩散层上表面与蛇形流道相对应的表面上设置有凸起的若干鱼鳞仿生导流板，所述若干鱼鳞仿生导流板均匀的设置在蛇形流场中；所述鱼鳞仿生导流板的排列方式为相邻两排交错排列。

进一步地，所述鱼鳞仿生导流板设在与蛇形流道延伸方向相垂直的一条线上的鱼鳞仿生导流板称作排，每排鱼鳞仿生导流板均匀的分布在气体扩散层上表面与蛇形流道相对应的表面上，每一排鱼鳞仿生导流板的分布方式为交错排列，一排的鱼鳞仿生导流板个数为x，则相邻两排的鱼鳞仿生导流板个数为x+1，每一排鱼鳞仿生导流板的个数x满足x≥2。

进一步地，所述鱼鳞仿生导流板的板面为平板或有弧度的弧度板，所述鱼鳞仿生导流板的板面为平板时，鱼鳞仿生导流板的板面与蛇形流道的延伸方向形成的倾斜角度为α，α值为15°≤α≤20°，若鱼鳞仿生导流板的板面为有弧度的弧度板时，其弧度板面的弧形开口方向迎向反应气体来流方向；蛇形流道的拐角处设置有一个弧形鱼鳞仿生导流板，该鱼鳞仿生导流板的圆弧开口方向为与反应气体来流方向呈45°。

进一步地，每一排单个鱼鳞仿生导流板的宽度u与间隔宽度v满足0.8v≤u≤1.2v，蛇形流道中所设置的每一个鱼鳞仿生导流板的形状、尺寸完全相同。

进一步地，所述鱼鳞仿生导流板的厚度不超过其宽度的1/10。

进一步地，所述鱼鳞仿生导流板设置的排数b与蛇形流道的总长l满足0.35≤l/b≤0.5，l的单位为mm。

进一步地，所述蛇形流道的宽度d与脊的宽度w满足d/3≤w≤d/2。

进一步地，所述极板主体的材料为石墨板、金属板或复合板中的任意一种。

进一步地，所述气体扩散层和鱼鳞仿生导流板的材料为碳纤维纸、碳纤维编织布、无纺布、碳黑纸或金属材料中的任意一种，且表面设有疏水材料涂层。

本发明的有益效果是：

本发明采用具有鱼鳞仿生导流板结构的气体流道，可改变化学反应生成的液态水在流道中的运动轨迹，通过给在气体扩散层表面爬行的液态水滴一个沿气流方向倾斜的爬升高度，使得液滴在脱离导流板的同时有微小向上的升力，从而使液滴跃离气体扩散层的表面，快速被流道中的反应气体带出；本发明采用的鱼鳞仿生导流板的排列方式为交错排列方式，由于矩形流道的边界层效应，流道的中间部分向流道四周形成逐渐减小的速度梯度，当反应气体流过气体扩散层时，交错排布的鱼鳞仿生导流板可减小边界层效应，降低近壁面的流动阻力，同时，鱼鳞仿生导流板的间隔处可辅助增加区域的传质效果，保证反应气体能够扩散至催化层的反应浓度，最终保证燃料电池的水管理平衡且不会降低燃料电池的传质效率，从而提高电池的性能和稳定性。

附图说明

图1是本发明的主视图；

图2是图1中的A——A剖视图；

图3是本发明极板主体的三维图；

图4是本发明设有鱼鳞仿生导流板的气体扩散层的局部三维图；

图5是本发明鱼鳞仿生导流板为弧度板的三维图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图1～图3所示，本实施例中的一种燃料电池用鱼鳞仿生结构的流道，其包括极板主体1、气体流道3、脊10、装配孔5、反应气体入口6、冷却液入口7、冷却液出口8、反应气体出口9、气体扩散层2和若干鱼鳞仿生导流板4；其中，所述极板主体1为平板，在极板主体1的表面横向设有若干凹槽形长直流道，在极板主体1的表面竖向设有若干凹槽形短直流道，所述长直流道和短直流道相连构成传质和排出反应物水的蛇形流道；相邻两长直流道之间形成脊10，脊10的宽度相同；所述蛇形流道一端为反应气体入口6，另一端为反应气体出口9，反应气体入口6和反应气体出口9分别位于极板主体1的对角上；所述极板主体1设有蛇形流道的主表面与气体扩散层2的上表面紧密相连共同构成气体流道3；所述气体扩散层2为均匀的多孔质材料的平板，所述气体扩散层2上表面与蛇形流道相对应的表面上设置有凸起的若干鱼鳞仿生导流板4，所述若干鱼鳞仿生导流板4均匀的设置在蛇形流场中；所述鱼鳞仿生导流板4的排列方式为相邻两排交错排列。在极板主体1的另一对角上设置有冷却液入口7和冷却液出口8。所述装配孔5设在极板主体1和气体扩散层2的四个边角处。

所述鱼鳞仿生导流板4设在与蛇形流道延伸方向相垂直的一条线上的鱼鳞仿生导流板称作排，每排鱼鳞仿生导流板均匀的分布在气体扩散层上表面与蛇形流道相对应的表面上，每一排鱼鳞仿生导流板的分布方式为交错排列，一排的鱼鳞仿生导流板个数为x，则相邻两排的鱼鳞仿生导流板个数为x+1，每一排鱼鳞仿生导流板的个数x满足x≥2。

所述鱼鳞仿生导流板4的板面为平板或有弧度的弧度板，所述鱼鳞仿生导流板的板面为平板时，鱼鳞仿生导流板的板面与蛇形流道的延伸方向形成的倾斜角度为α，α值为15°≤α≤20°，倾斜的方向与反应气体的流动方向一致；若鱼鳞仿生导流板的板面为有弧度的弧度板时，其弧度板面的弧形开口方向迎向反应气体来流方向；蛇形流道的拐角处设置有一个弧形鱼鳞仿生导流板，该鱼鳞仿生导流板的圆弧开口方向为与反应气体来流方向呈45°。图5中鱼鳞仿生导流板的圆弧半径为0.4mm。

每一排单个鱼鳞仿生导流板的宽度u与间隔宽度v满足0.8v≤u≤1.2v，蛇形流道中所设置的每一个鱼鳞仿生导流板的形状、尺寸完全相同。

所述鱼鳞仿生导流板的厚度不超过其宽度的1/10。

所述鱼鳞仿生导流板设置的排数b与蛇形流道的总长l满足0.35≤l/b≤0.5，l的单位为mm。

所述蛇形流道的宽度d与脊的宽度w满足d/3≤w≤d/2。

所述极板主体的材料为石墨板、金属板或复合板中的任意一种。

所述气体扩散层和鱼鳞仿生导流板的材料为碳纤维纸、碳纤维编织布、无纺布、碳黑纸或金属材料中的任意一种，且表面设有疏水材料涂层。

在本实施例中，蛇形流道的宽度为2mm，脊的宽度为1mm，高度为0.35mm，鱼鳞仿生导流板主表面与蛇形流道延伸方向的倾斜角度α为15°，蛇形流道的条数为1条，横排的导流板设置个数为2个和3个。

本发明的工作原理为：

1、燃料电池开始工作时，反应气体从反应气体入口6进入蛇形流道中，一部分气体沿着蛇形流道的延伸方向流动，并带走扩散至气体流道中的水蒸气和液态水，另一部分则穿越气体扩散层扩散至催化层，与活性位点结合，且氢气与氧气在催化层反应，生成反应物水。

2、在催化层反应生成的液态水，由于浓度梯度及毛细力作用，从催化层扩散至多孔的气体扩散层，并穿越到达扩散层表面，液态水滴逐渐汇聚并被流过扩散层表面的气流吹动，在扩散层表面爬行；在传统的燃料电池流道中，液滴在表面粗糙的扩散层表面爬行，受阻较大且易堵塞传质通道；在本发明的鱼鳞仿生流道中，液滴到达并攀爬疏水结构的鱼鳞导流板，当液滴被提供一个垂直的高度并到达导流板最高点时，在气流的剪切作用下，液滴被碎化成微小液滴，且完全跃离扩散层表面并被带至气体流道中，随蛇形流道中的反应气体气流排出，这一过程使得较大的液滴离散成微小液滴，且跃离气体扩散层不受固液粘滞力的作用，从而提高了燃料电池的排水效率，减小了由于水淹带来的燃料电池性能下降的现象，提高了燃料电池的稳定性。

3、气流在矩形的管道内流动时呈现以中心轴线向周围逐渐减小的速度梯度，当气流流过近壁面时受到壁面的摩擦阻力，流速大大减小；鱼鳞仿生导流板减小了这种边界层效应，使得扩散层表面的液滴更易跃离；且每一排间隔分布的鱼鳞仿生导流板不会阻碍反应气体的传质通道，这样的燃料电池结构在保证传质效率的同时，提高了排水效率，改善燃料电池的水管理，最终达到提高燃料电池性能和稳定性的目的。

Claims (8)

1.一种燃料电池用鱼鳞仿生结构的流道，其特征在于：包括极板主体(1)、气体流道(3)、脊(10)、装配孔(5)、反应气体入口(6)、冷却液入口(7)、冷却液出口(8)、反应气体出口(9)、气体扩散层(2)和若干鱼鳞仿生导流板(4)；其中，所述极板主体为平板，在极板主体的表面横向设有若干凹槽形长直流道，在极板主体的表面竖向设有若干凹槽形短直流道，所述长直流道和短直流道相连构成传质和排出反应物水的蛇形流道；相邻两长直流道之间形成脊，脊的宽度相同；所述蛇形流道一端为反应气体入口，另一端为反应气体出口，反应气体入口和反应气体出口分别位于极板主体的对角上；所述极板主体设有蛇形流道的主表面与气体扩散层的上表面紧密相连共同构成气体流道；所述气体扩散层为均匀的多孔质材料的平板，所述气体扩散层上表面与蛇形流道相对应的表面上设置有凸起的若干鱼鳞仿生导流板，所述若干鱼鳞仿生导流板均匀的设置在蛇形流场中；所述鱼鳞仿生导流板的排列方式为相邻两排交错排列；

所述鱼鳞仿生导流板的板面为平板或有弧度的弧度板，所述鱼鳞仿生导流板的板面为平板时，鱼鳞仿生导流板的板面与蛇形流道的延伸方向形成的倾斜角度为α，α值为15°≤α≤20°，若鱼鳞仿生导流板的板面为有弧度的弧度板时，其弧度板面的弧形开口方向迎向反应气体来流方向；蛇形流道的拐角处设置有一个弧形鱼鳞仿生导流板，该鱼鳞仿生导流板的圆弧开口方向为与反应气体来流方向呈45°。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池用鱼鳞仿生结构的流道，其特征在于：所述鱼鳞仿生导流板设在与蛇形流道延伸方向相垂直的一条线上的鱼鳞仿生导流板称作排，每排鱼鳞仿生导流板均匀的分布在气体扩散层上表面与蛇形流道相对应的表面上，每一排鱼鳞仿生导流板的分布方式为交错排列，一排的鱼鳞仿生导流板个数为x，则相邻两排的鱼鳞仿生导流板个数为x+1，每一排鱼鳞仿生导流板的个数x满足x≥2。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池用鱼鳞仿生结构的流道，其特征在于：每一排单个鱼鳞仿生导流板的宽度u与间隔宽度v满足0.8v≤u≤1.2v，蛇形流道中所设置的每一个鱼鳞仿生导流板的形状、尺寸完全相同。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池用鱼鳞仿生结构的流道，其特征在于：所述鱼鳞仿生导流板的厚度不超过其宽度的1/10。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池用鱼鳞仿生结构的流道，其特征在于：所述鱼鳞仿生导流板设置的排数b与蛇形流道的总长l满足0.35≤l/b≤0.5，l的单位为mm。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池用鱼鳞仿生结构的流道，其特征在于：所述蛇形流道的宽度d与脊的宽度w满足d/3≤w≤d/2。

7.根据权利要求1～6任意一项所述的一种燃料电池用鱼鳞仿生结构的流道，其特征在于：所述极板主体的材料为石墨板、金属板或复合板中的任意一种。

8.根据权利要求1～6任意一项所述的一种燃料电池用鱼鳞仿生结构的流道，其特征在于：所述气体扩散层和鱼鳞仿生导流板的材料为碳纤维纸、碳纤维编织布、无纺布、碳黑纸或金属材料中的任意一种，且表面设有疏水材料涂层。

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