CN111613808A - 一种基于蜘蛛网衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于蜘蛛网衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构，包括双极板，所述双极板包括阴极极板和阳极极板，所述阴极极板和阳极极板上分别设有阴极气体流道和阳极气体流道，所述阴极气体流道和阳极气体流道均为形似蜘蛛网状的仿生学交指型流道。与现有技术相比，本发明质子交换膜燃料电池双极板的气体流道为基于蜘蛛网衍化的交指型仿生学流道设计，该基于蜘蛛网衍化的交指型仿生学流场设计可以使氢气和氧气在双极板流道内均匀分布，能够提高燃料利用率，并且可以使膜电流密度分布更加均匀，极大地改善电池性能。

Description

一种基于蜘蛛网衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种基于蜘蛛网衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构。
背景技术
21世纪是能源与环保的世纪，能源的充分利用与清洁能源的开发是目前国际可持续发展的重要战略。燃料电池不受卡诺循环的限制，能量转换效率达40％-60％，其反应产物只有水，不会对环境造成污染，被公认为21世纪最有发展前途的清洁能源。质子交换膜燃料电池为燃料电池中最常见的一种，通过氢气和氧气反应，直接将化学能转化为电能，具有工作温度低、无污染、无腐蚀、比功率大和启动迅速等优点，已经成为能源领域研究的热点之一。
单体质子交换膜燃料电池通常含有阴极和阳极两个流道极板，每个流道极板的一面分别形成氢气流场和氧气流场。对于质子交换膜燃料电池堆来说，普遍采用双极板，氧气流场设置在双极板的一面，双极板的另一面则设置氢气流场。质子交换膜燃料电池双极板起着隔离阴极和阳极反应物、提供反应气体流动通道、收集输出电流和提供膜电极支撑的重要作用；除此以外，燃料电池系统热量和反应生成水的排出也需要双极板。由于双极板承担着供气和排水的作用，双极板上的流道结构不仅直接影响反应气体向气体扩散层的扩散以及生成水排出的过程，还间接影响电化学反应产生的热量传递与分布过程。近些年，质子交换膜燃料电池正朝着高能量密度的方向发展，研究人员对燃料电池中双极板的研究也越来越多，并开发了多种流道模式的双极板。而且研究人员基于自然或生物结构，如树叶或肺，成功地探索了多种仿生流道设计，改善燃料电池的综合性能。
然而，质子交换膜燃料电池在技术方面仍然存在一些问题，例如氢气和氧气无法充分反应，流道设计不合理导致浓差极化现象，造成气体燃料利用率低，引起实际燃料电池效率低于理论电池的效率。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于蜘蛛网衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于蜘蛛网衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构，包括双极板，所述双极板包括阴极极板和阳极极板，所述阴极极板和阳极极板上分别设有阴极气体流道和阳极气体流道，所述阴极气体流道和阳极气体流道均为蜘蛛网状的仿生学交指型流道。
优选的，所述阴极气体流道和阳极气体流道采用相同的流道分布。
优选的，所述阴极气体流道和阳极气体流道各自的入口流道、出口流道依次交错分布，并呈几何中心对称。
优选的，所述阴极气体流道和阳极气体流道的入口流道、出口流道均包括干路流道，所述干路流道上均设有支路流道。
优选的，所述支路流道在干路流道上设有多个并分布于干路流道的两侧，位置相邻的入口流道和出口流道的支路流道相交错。
优选的，所述支路流道在干路流道上设有偶数多个并对称分布于干路流道的两侧。
优选的，所述阴极气体流道和阳极气体流道各自的各支路流道均为等距分布。
优选的，所述阴极气体流道和阳极气体流道各自的入口流道、出口流道均成对分布。
优选的，所述双极板还包括阳极扩散层、阳极催化层、阴极扩散层和阴极催化层，在所述阴极催化层与阳极催化层之间设有只允许氢离子通过的质子交换膜。
所述燃料电池的阳极结构包括阳极极板、阳极扩散层和阳极催化层，所述燃料电池的阴极结构包括阴极极板、阴极扩散层和阴极催化层。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、该质子交换膜燃料电池双极板的气体流道为基于蜘蛛网衍化的交指型仿生学流道设计，该基于蜘蛛网衍化的交指型仿生学流场设计可以使氢气和氧气在双极板流道内均匀分布，能够提高燃料利用率，并且可以使膜电流密度分布更加均匀，极大地改善电池性能。
2、交指型蜘蛛网仿生学流场设计可以使氢气和氧气停留在燃料电池内的时间增加，并使反应气体均匀分布，进而氢气和氧气能够充分反应，明显提高燃料利用率，提高了反应物和生成物的传输速率，并且具有较好的排水能力，大大改善了电池性能。
附图说明
图1为实施例中基于蜘蛛网衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构示意图；
图2为实施例中基于蜘蛛网衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构的右视图；
图3为实施例中基于蜘蛛网衍化的仿生学质子交换膜燃料电池流道俯视图。
图中标注：1-第一阴极入口，2-第一阴极出口，3-第二阴极入口，4-第二阴极出口，5-第三阴极入口，6-第三阴极出口，7-第四阴极入口，8-第四阴极出口，9-阴极气体流道，10-阴极扩散层，11-阴极催化层，12-质子交换膜，13-阳极气体流道，14-阳极催化层，15-阳极扩散层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示，本申请提出一种基于蜘蛛网衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构，包括双极板，双极板包括阴极极板和阳极极板，阴极极板和阳极极板上分别设有阴极气体流道9和阳极气体流道13，阴极气体流道9和阳极气体流道13均为蜘蛛网状的仿生学交指型流道。
本申请双极板的气体流道是一种基于蜘蛛网衍化而来的仿生学流道设计，通过对蜘蛛网的整体结构进行抽象衍化，并对此加以改良，最终得到蜘蛛网衍化的仿生学流道设计。该仿生学流道均为交指型流道，交指型流道是一种间断的流道，间断流道迫使反应气体强制对流进入扩散层，带动了扩散层孔隙内液态水的流动与排出，提高了反应物和生成物的传输速率，并令其充分反应，使电池的功率密度和性能获得提升，并具有良好的排水能力。
如图2所示，燃料电池包括阳极和阴极，阳极包括有阳极极板、阳极扩散层15和阳极催化层14，阴极包括有阴极极板、阴极扩散层10和阴极催化层11，并且在阴极催化层11与阳极催化层14之间设有只允许氢离子通过的质子交换膜12。通过一定的机械组装技术将所有部件组装到一起，最后形成可正常使用的质子交换膜燃料电池。
本实施例中，阴极气体流道9和阳极气体流道13均为蜘蛛网状的仿生学交指型流道，可以使参加反应的氢气和氧气能够均匀地分布在双极板上，能够使参加反应的氢气和氧气进行充分反应，使电池的功率密度和性能获得提升。
本实施例的阴极气体流道9和阳极气体流道13采用相同的流道分布。如图3所示，以阴极气体流道9分布为例，其入口流道、出口流道依次交错分布，按照图3中为四进四出依次分布，并呈几何中心对称。入口流道包括：第一阴极入口1、第二阴极入口3、第三阴极入口5、第四阴极入口7；出口流道包括：第一阴极出口2、第二阴极出口4、第三阴极出口6、第四阴极出口8。入口流道和出口流道之间为不连续的，并且无流道连接，这样可以迫使反应气体强制对流进入扩散层，促进了扩散层孔隙内液态水的流动与排出，提高了反应物和反应产物的传输速率，提升了电池的整体性能，具有良好的排水能力。入口流道、出口流道均包括干路流道，干路流道上均设有支路流道。支路流道在干路流道上设有多个并分布于干路流道的两侧，位置相邻的入口流道和出口流道的支路流道相交错。支路流道在干路流道上可设置偶数多个并对称分布于干路流道的两侧。本实施例中，入口流道的支路流道的分支数为6个且对称分布，出口流道的支路流道的分支数为4个且对称分布。整个流道的入口和出口成对分布，入口流道和出口流道可以汇聚于中心一点。
阴极气体流道9和阳极气体流道13各自的各支路流道均为等距分布，有利于参加反应的气体在整个双极板上的均匀传输。
本申请的燃料电池结构中的仿生学流道设计可根据具体电池的尺寸设计不同的干路流道个数、流道尺寸以及支路流道个数等参数。

Claims (9)

1.一种基于蜘蛛网衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构，包括双极板，所述双极板包括阴极极板和阳极极板，所述阴极极板和阳极极板上分别设有阴极气体流道(9)和阳极气体流道(13)，其特征在于，所述阴极气体流道(9)和阳极气体流道(13)均为蜘蛛网状的仿生学交指型流道。
2.根据权利要求1所述的一种基于蜘蛛网衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述阴极气体流道(9)和阳极气体流道(13)采用相同的流道分布。
3.根据权利要求1所述的一种基于蜘蛛网衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述阴极气体流道(9)和阳极气体流道(13)各自的入口流道、出口流道依次交错分布，并呈几何中心对称。
4.根据权利要求1所述的一种基于蜘蛛网衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述阴极气体流道(9)和阳极气体流道(13)的入口流道、出口流道均包括干路流道，所述干路流道上均设有支路流道。
5.根据权利要求4所述的一种基于蜘蛛网衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述支路流道在干路流道上设有多个并分布于干路流道的两侧，位置相邻的入口流道和出口流道的支路流道相交错。
6.根据权利要求5所述的一种基于蜘蛛网衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述支路流道在干路流道上设有偶数多个并对称分布于干路流道的两侧。
7.根据权利要求4所述的一种基于蜘蛛网衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述阴极气体流道(9)和阳极气体流道(13)各自的各支路流道均为等距分布。
8.根据权利要求1所述的一种基于蜘蛛网衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述阴极气体流道(9)和阳极气体流道(13)各自的入口流道、出口流道均成对分布。
9.根据权利要求1所述的一种基于蜘蛛网衍化的仿生学质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述双极板还包括阳极扩散层(15)、阳极催化层(14)、阴极扩散层(10)和阴极催化层(11)，在所述阴极催化层(11)与阳极催化层(14)之间设有只允许氢离子通过的质子交换膜(12)。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113851668A (zh) * 2021-10-29 2021-12-28 山东建筑大学 一种质子交换膜燃料电池波浪型流场结构
CN114497615A (zh) * 2022-01-21 2022-05-13 吉林大学 一种仿生流场的燃料电池双极板及其实现方法
CN116111128A (zh) * 2023-03-30 2023-05-12 福州大学 一种以氢氮混合气体为燃料的质子交换膜燃料电池

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104821407A (zh) * 2015-01-30 2015-08-05 浙江工业大学 叶脉状燃料电池流场结构、燃料电池双极板及燃料电池
CN109301282A (zh) * 2018-10-31 2019-02-01 温州大学激光与光电智能制造研究院 一种主动排水叶脉状交指型流场燃料电池双极板
CN109326802A (zh) * 2018-10-31 2019-02-12 温州大学激光与光电智能制造研究院 一种圆盘形叶脉状交指型质子交换膜燃料电池双极板
CN109980241A (zh) * 2019-04-30 2019-07-05 肇庆学院 液体燃料电池中具有太极图状流场结构双极板及设计方法
US10601054B2 (en) * 2018-07-14 2020-03-24 Amir Hossein Zare Fuel cell with impingement jet flow field

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104821407A (zh) * 2015-01-30 2015-08-05 浙江工业大学 叶脉状燃料电池流场结构、燃料电池双极板及燃料电池
US10601054B2 (en) * 2018-07-14 2020-03-24 Amir Hossein Zare Fuel cell with impingement jet flow field
CN109301282A (zh) * 2018-10-31 2019-02-01 温州大学激光与光电智能制造研究院 一种主动排水叶脉状交指型流场燃料电池双极板
CN109326802A (zh) * 2018-10-31 2019-02-12 温州大学激光与光电智能制造研究院 一种圆盘形叶脉状交指型质子交换膜燃料电池双极板
CN109980241A (zh) * 2019-04-30 2019-07-05 肇庆学院 液体燃料电池中具有太极图状流场结构双极板及设计方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113851668A (zh) * 2021-10-29 2021-12-28 山东建筑大学 一种质子交换膜燃料电池波浪型流场结构
CN114497615A (zh) * 2022-01-21 2022-05-13 吉林大学 一种仿生流场的燃料电池双极板及其实现方法
CN114497615B (zh) * 2022-01-21 2023-11-03 吉林大学 一种仿生流场的燃料电池双极板及其实现方法
CN116111128A (zh) * 2023-03-30 2023-05-12 福州大学 一种以氢氮混合气体为燃料的质子交换膜燃料电池

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