CN112310430A - 一种基于迪恩涡流场的燃料电池双极板及用途 - Google Patents

一种基于迪恩涡流场的燃料电池双极板及用途 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于迪恩涡流场的燃料电池双极板及用途，涉及燃料电池技术领域，包括流体分配流场、流体进口和流体出口，流体从所述流体进口进入，经过所述流体分配流场并最终从所述流体出口流出，所述流体分配流场包括若干并联设置的流体流道，每一所述流体流道包括从所述流体进口到所述流体出口方向的若干圆弧段，相邻两所述圆弧段沿连接点中心对称且相邻两所述圆弧段以连接点为切点相切。本发明对流道进行合理设计，利用迪恩涡产生的二次流，在层流条件下提高流体的传质和传热特性，有效减小脊的传质阻碍作用，从而获得更均匀的浓度和温度分布。

Description

一种基于迪恩涡流场的燃料电池双极板及用途
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种基于迪恩涡流场的燃料电池双极板及用途。
背景技术
燃料电池将燃料化学能直接转化为电能，具有能量转化效率高、噪音低、零排放等优点，是理想的可移动电源，在汽车、无人机、船舶、电子产品等领域具有广泛的应用前景。双极板是燃料电池电堆的核心组件之一，其设计应满足均匀分配燃料和氧化剂，以及良好的冷却散热性能、导电性、排水性、结构稳定性等。为了同时满足这些要求，常见的流场设计采用蛇形、平行结构、交叉结构、针式结构等。由于燃料电池内流体的流速较低，流道形状的优化设计，比如蜿蜒流道、三维流道、挡板结构或仿生结构等可以用来强化传质传热过程。
公布号为CN106816610A的发明专利“一种基于迷宫挡板结构流场的质子交换膜燃料电池双极板”的反应气进出口在矩形气体流场内的两端对角分布，气体流场内的脊将气体流场分隔为多条宽度相同的流道，在对角线上布置挡板，增加了气体的强制对流能力。然而该结构对加工精度要求高，且当流场面积较大时非进出口的两个对角位置仍存在气体分布不均匀的问题。
公布号为CN101587964B的发明专利“一种基于板内逆流流场的燃料电池”分别设有两组燃料进出口和两组空气进出口，两组进出口构成两组逆流的流道。其优点是：在一个流道内流体各组分浓度的降低被与其紧邻的流道内流体各组分浓度的逐渐增加所平均，实现流体各组分浓度在整个活性区域基本保持相同。然而该多组进出口设计增加了结构的复杂性，不利于密封，且出口需布置在双极板中与入口相反的一侧，增加了双极板的厚度。
公布号为CN104900886A的发明专利“一种具有对流式冷却液流场的金属双极板”通过YSY型冷却液流场设计，当冷却液从冷却通道入口进入后分为两股，一股由氢板冷却液流道入口流入，沿蛇形流道流动带走热量后，经氢板冷却液流道出口流出至冷却液出口；另一股由氧板冷却液流道入口流入，沿与氢板一侧反向的蛇形流道流动后，经氧板冷却液流道出口流出至冷却液出口，并与氢板冷却液汇合后流出双极板。相比传统单蛇形流道设计，冷却液双向对流流动减小了双极板两端的温度不均匀性，然而对于双极板中部以及冷却液流场脊下区域的散热性能提升的作用较小。
现有的双极板流场设计，主要存在以下几点问题：1、流场内脊的存在增加了反应气体进入膜电极内脊下区域的传质阻力，导致膜电极内反应气体浓度分布不均匀，从而降低电池性能；2、流道的弯折拐角处流动阻力大，不利于将反应产生的液滴排出，很有可能导致阴极“水淹”，同样降低电池性能，甚至对电极造成破坏；3、冷却效果不好，导致电池内部温差较大，局部的“热点”现象会严重影响电池寿命。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种基于迪恩涡流场的燃料电池双极板，对流道进行合理设计，利用迪恩涡产生的二次流，在层流条件下提高流体的传质和传热特性，有效减小脊的传质阻碍作用，从而获得更均匀的浓度和温度分布。
同时，提供该燃料电池双极板的两种用途。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于迪恩涡流场的燃料电池双极板，包括流体分配流场、流体进口和流体出口，流体从所述流体进口进入，经过所述流体分配流场并最终从所述流体出口流出，所述流体分配流场包括若干并联设置的流体流道，每一所述流体流道包括从所述流体进口到所述流体出口方向的若干圆弧段，相邻两所述圆弧段沿连接点中心对称且相邻两所述圆弧段以连接点为切点相切。
如上所述的基于迪恩涡流场的燃料电池双极板，进一步地：所述圆弧段的横截面为三段封闭的槽型，所述圆弧段的中心曲率半径R、圆弧段横截面的水力直径de、截面长宽比d/w等以及流体雷诺数Re以使流体在流道中形成迪恩涡二次流为基准进行控制，迪恩数K表示为：
Figure BDA0002740609830000021
当迪恩数K控制在大于临界值Kc时，可使流道中出现强化传质传热效果的迪恩涡二次流，临界值Kc取值范围50-450。
如上所述的基于迪恩涡流场的燃料电池双极板，进一步地：所述圆弧段的圆心角范围为180～270°。
如上所述的基于迪恩涡流场的燃料电池双极板，进一步地：所述圆弧段的横截面为矩形或梯形，其一端敞开。
一种基于迪恩涡流场的燃料电池双极板的用途，其采用如上所述的基于迪恩涡流场的燃料电池双极板，所述燃料电池双极板用于作为反应物的流动通道。
一种基于迪恩涡流场的燃料电池双极板的用途，其采用如上所述的基于迪恩涡流场的燃料电池双极板，所述燃料电池双极板用于作为冷却介质的流动通道。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
1、基于迪恩涡设计的流道设计，在离心力的作用下形成流道内外侧流体的径向二次流动，强化流动介质的传质传热过程，使得膜电极内流动介质的浓度和温度分布更均匀，从而提升电堆性能。
2、流道圆弧段设计避免了弯折拐角导致的液滴滞留，有利于将反应产生的液态水快速排出，减少液滴对反应气体传输的阻塞作用。
3、双极板结构简单，适用于石墨、金属或复合材料等材质，加工制造工艺简单，更便于规模化生产和加工，制造成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于迪恩涡流场的燃料电池双极板实施例一的示意图；
图2为圆弧段结构示意图；
图3为本发明基于迪恩涡流场的燃料电池双极板实施例二的示意图；
图4为迪恩数为70的流道横截面流体矢量图；
图5为迪恩数为500的流道截面流体矢量图；
其中：1、燃料分配流场；2、燃料进口；3、燃料出口；4、冷却剂分配流场；5、冷却剂进口；6、冷却剂出口；11、流体流道；12、圆弧段。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例：
需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供一种基于迪恩涡流场的燃料电池双极板，对流道进行合理设计，利用迪恩涡产生的二次流，在层流条件下提高流体的传质和传热特性，有效减小脊的传质阻碍作用，从而获得更均匀的浓度和温度分布，同时，提供该燃料电池双极板的两种用途。
参见图1至图5，图1为本发明基于迪恩涡流场的燃料电池双极板实施例一的示意图；图2为圆弧段结构示意图；图3为本发明基于迪恩涡流场的燃料电池双极板实施例二的示意图；图4为迪恩数为70的流道横截面流体矢量图；图5为迪恩数为500的流道截面流体矢量图。
一种基于迪恩涡流场的燃料电池双极板，包括流体分配流场、流体进口和流体出口，流体从所述流体进口进入，经过所述流体分配流场并最终从所述流体出口流出，其特征在于：所述流体分配流场包括若干并联设置的流体流道11，每一所述流体流道11包括从所述流体进口到所述流体出口方向的若干圆弧段12，相邻两所述圆弧段12沿连接点中心对称且相邻两所述圆弧段12以连接点为切点相切。基于迪恩涡设计的流道设计，在离心力的作用下形成流道内外侧流体的径向二次流动，强化流动介质的传质传热过程，使得膜电极内流动介质的浓度和温度分布更均匀，从而提升电堆性能。流道圆弧段12设计避免了弯折拐角导致的液滴滞留，有利于将反应产生的液态水快速排出，减少液滴对反应气体传输的阻塞作用。
下面以燃料电池双极板用于作为反应物的流动通道为例进行详细说明，如图1所示，一种基于迪恩涡流场的燃料电池燃料板，包括燃料分配流场1、燃料进口2、燃料出口3，所述燃料分配流场1为多条流体流道11并联组成，流体流道11为逆向相切的圆弧段12周期排列而成，燃料从所述燃料进口2进入，流经所述燃料分配流场1，从所述燃料出口3流出。如图2所示，所述圆弧段12的中心曲率半径R和圆弧段横截面矩形的长宽比w/d基于迪恩数设计，迪恩数大于临界值Kc＝50-450，其中Re为流体雷诺数，de为圆弧段12横截面的水力直径。所述圆弧段12的角度φ为270°。所述圆弧段12的横截面为矩形。所述燃料分配流场1用于燃料，即反应物的流量分配。
下面以燃料电池双极板用于作为冷却介质的流动通道为例进行详细说明，如图3所示，一种基于迪恩涡流场的燃料电池双极板，包括冷却剂分配流场4、冷却剂进口5、冷却剂出口6，所述冷却剂分配流场4为多条流体流道11并联组成，流体流道11为逆向相切的圆弧段12周期排列而成，冷却剂从所述冷却剂进口5进入，流经所述冷却剂分配流场4，从所述冷却剂出口6流出。与实施例一相同，所述圆弧段12的中心曲率半径R和圆弧段横截面矩形的长宽比w/d基于迪恩数设计，迪恩数大于临界值Kc＝50-450，其中Re为流体雷诺数，de为圆弧段12横截面的水力直径。所述圆弧段12的角度
Figure BDA0002740609830000054
为270°。所述圆弧段12的横截面为矩形。所述冷却剂分配流场4用于冷却剂流量分配。
参见图4，对迪恩涡流场进行了数值仿真计算，迪恩数为70的流道横截面流体矢量图如图4所示，在圆弧
Figure BDA0002740609830000055
和90°的截面位置流道内存在一对两个反向旋转的涡，带动圆弧内侧和外侧流体的径向流动，加强传质和传热特性。在
Figure BDA0002740609830000056
和270°的截面没有形成涡，而是在离心力的作用下向圆弧外侧流动。尽管只在部分流道存在迪恩涡，其传质和传热效果相比直管道层流流动有了明显提升。
参见图5，迪恩数为500的流道截面流体矢量图如图5所示，流道截面内存在两对反向旋转的涡，较大的一对涡位于圆弧段上下壁面，较小的一对涡靠近中心。在
Figure BDA0002740609830000051
截面，较小的一对涡靠近圆弧段内侧，而在
Figure BDA0002740609830000052
和180°截面，较小的一对涡运动至圆弧段外侧，两对涡周期性的交替形成了混沌流动，大大加强传质和传热特性。在270°的截面进入下一个圆弧，内侧和外侧转换，涡的分布时
Figure BDA0002740609830000053
截面的镜像。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于迪恩涡流场的燃料电池双极板，包括流体分配流场、流体进口和流体出口，流体从所述流体进口进入，经过所述流体分配流场并最终从所述流体出口流出，其特征在于：所述流体分配流场包括若干并联设置的流体流道，每一所述流体流道包括从所述流体进口到所述流体出口方向的若干圆弧段，相邻两所述圆弧段沿连接点中心对称且相邻两所述圆弧段以连接点为切点相切。
2.根据权利要求1所述的基于迪恩涡流场的燃料电池双极板，其特征在于：所述圆弧段的横截面为三段封闭的槽型，所述圆弧段的圆弧段的中心曲率半径R、圆弧段横截面的水力直径de、截面长宽比d/w等以及流体雷诺数Re以使流体在流道中形成迪恩涡二次流为基准进行控制，迪恩数K表示为：
Figure FDA0002740609820000011
当迪恩数K控制在大于临界值Kc时，可使流道中出现强化传质传热效果的迪恩涡二次流，临界值Kc取值范围50-450。
3.根据权利要求2所述的基于迪恩涡流场的燃料电池双极板，其特征在于：所述圆弧段的圆心角范围为180～270°。
4.根据权利要求2所述的基于迪恩涡流场的燃料电池双极板，其特征在于：所述圆弧段的横截面为矩形或梯形，其一端敞开。
5.一种基于迪恩涡流场的燃料电池双极板的用途，其采用如权利要求1至4所述的基于迪恩涡流场的燃料电池双极板，其特征在于：所述燃料电池双极板用于作为反应物的流动通道。
6.一种基于迪恩涡流场的燃料电池双极板的用途，其采用如权利要求1至4所述的基于迪恩涡流场的燃料电池双极板，其特征在于：所述燃料电池双极板用于作为冷却介质的流动通道。
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