CN112968191B - 风冷燃料电池的阴极流场板结构和风冷燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风冷燃料电池的阴极流场板结构和燃料电池，阴极流场板结构中，至少一个气体通道导入气体以提供反应气体，膜电极盖合于所述气体通道以接触所述气体通道中导入的反应气体，至少一个冷却通道导入气体以冷却散热，所述气体通道与冷却通道交替排列以构成沟脊结构，所述气体通道与冷却通道的入口侧朝向第一方向以同步导入气体，所述气体通道与冷却通道的出口侧朝向相反于第一方向的第二方向，阻流单元设在所述气体通道的出口侧以阻流气体通道内的反应气体。

Description

风冷燃料电池的阴极流场板结构和风冷燃料电池
技术领域
本发明属于风冷燃料电池技术领域，特别是一种风冷燃料电池的阴极流场板结构和风冷燃料电池。
背景技术
小型移动电力设备，如无人机、自动送货机和园区通勤车等，因其工作性质，需要较长的续航时间与快速充电特性。传统充电电池能量密度较低，充电时间太久无法满足这一需求。质子交换膜燃料电池因其较高的能量密度与较快的充气速度在这一领域具有优势，可以作为替代能源。在质子交换膜燃料电池中，风冷燃料电池相比传统水冷电池，减少了水泵等循环系统，结构紧凑，系统简单，质量更轻，成本低，续航时间长，被认为是作为无人机等设备动力源的一项有前景的技术，但风冷燃料电池比功率密度仍需进一步提高。风冷是＜5kW的燃料电池的主流冷却技术。阴极反应气与冷却气均通过风扇提供，反应气在催化层进行反应，产生的热量不断被空气吸收，沿着气体流动方向膜电极中的温度不断升高，高温会导致燃料电池膜干，进而使得燃料电池性能迅速衰减。为了保证电堆运行在合适的温度，需要提供过量的空气进行冷却，而由于空气比热容低，需要非常高的过量系数。风冷燃料电池的阴极流场板可以分为气体通道与冷却通道共用同一通道，以及气体通道与冷却通道分离两种结构。对于气体通道与冷却通道共用同一通道的结构，虽然其具有结构简单易于加工的优点，但高流速空气直接与膜电极接触，将水分携带出膜电极，会加剧膜电极水分蒸发，导致膜电极脱水，质子电导率下降，这会显著降低电池性能，存在散热与膜电极保水之间的矛盾，导致其水热管理的控制较为困难，严重限制风冷燃料电池的应用。对于气体通道与冷却通道分离的结构，其结构稍微复杂，但是因为气体流道与冷却通道分离，可以将更多不需要参与反应的气体分配至冷却通道中，满足散热需求，为此一个较为朴素的不增加极板厚度的设计为：增加冷却通道的宽度，减小气体流道的宽度，使更多的空气进入冷却通道中，但是该设计必然增加肋宽(冷却通道的宽度)，减少了空气与膜电极的接触面积，增加了反应气的传质阻力，使得电池电流密度下降。在燃料电池中，流场板在燃料电池中起支撑组件，分配反应气，散热、导电等作用。燃料电池的散热、反应气与冷却气的分配依赖于流场板的设计，因为气体通道与冷却通道分离的结构易于对反应气与冷却气的分配进行控制，可以通过对阴极流场板进行合理设计以有效对电池进行散热，又不削减膜电极的保水特性，进而提高燃料电池的性能。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
针对现有技术中存在的风冷电池难以兼顾散热与保水等技术问题，本发明提出一种风冷燃料电池的阴极流场板结构和燃料电池，在保证气体通道与膜电极接触面积的基础上，通过对阴极气体流道出口进行局部封堵设计，使得分配到气体通道的空气量减小，更多的空气进入冷却通道。提出的结构强化了冷却效果，减小了气体流道中的风速，提高了保水性能；同时气体通道出口局部封堵提高了气体通道中的压力，对提升气体通道反应气浓度有利；最后局部封堵所用封堵物质量轻，也起到节省材料，提高移动设备的续航能力的作用。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，风冷燃料电池的阴极流场板结构包括
至少一个气体通道，其导入气体以提供反应气体，
膜电极，其盖合于所述气体通道以接触所述气体通道中导入的反应气体，
至少一个冷却通道，其导入气体以冷却散热，所述气体通道与冷却通道交替排列以构成沟脊结构，所述气体通道与冷却通道的入口侧朝向第一方向以同步导入气体，所述气体通道与冷却通道的出口侧朝向相反于第一方向的第二方向，
阻流单元，其设在所述气体通道的出口侧以阻流气体通道内的反应气体。
所述的风冷燃料电池的阴极流场板结构中，所述阻流单元为可调节阻流单元，所述可调节阻流单元调节所述气体通道的出口侧的开度。
所述的风冷燃料电池的阴极流场板结构中，所述阻流单元包括多孔介质封堵结构。
所述的风冷燃料电池的阴极流场板结构中，所述多孔介质封堵结构在所述气体通道自出口侧朝入口侧延伸预定距离。
所述的风冷燃料电池的阴极流场板结构中，所述多孔介质封堵结构的渗透率与孔隙率可调。
所述的风冷燃料电池的阴极流场板结构中，所述阻流单元包括挡板，所述挡板由所述气体通道侧壁和/或顶壁朝气体通道内延伸。
所述的风冷燃料电池的阴极流场板结构中，所述挡板相对于所述出口侧的开度可调。
所述的风冷燃料电池的阴极流场板结构中，所述气体通道的截面尺寸不等于所述冷却通道的截面尺寸。
所述的风冷燃料电池的阴极流场板结构中，所述气体通道与冷却通道的入口侧至出口侧呈直线状或曲线状。
所述的风冷燃料电池的阴极流场板结构中，风冷燃料电池包括所述风冷燃料电池的阴极流场板结构。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明采用在阴极流场板气体流道出口进行阻流封堵实现了多重功能，一、增加气体通道的流动阻力，使更多的空气进入冷却通道，提高了燃料电池的冷却特性；二、减小了气体流道中的风速同时也确保电池电化学反应所需要的氧气；三、降低了膜电极中水分流失，提高的了膜电极中质子电导率；四、增加了气体通道中的压力，提高了气体通道中的氧浓度；五、相比于增加冷却通道宽度的方案，本发明提供的技术方案未增加气体通道内的传质阻力。综合上述有益影响，实现了风冷电池的高效水热管理，显著提高电池的性能。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是本发明的气体通道出口侧采用多孔介质封堵结构的流场板示意图；
图2是本发明的气体通道出口侧采用挡板封堵结构的流场板示意图；
图3是本发明的气体通道出口侧采用局部封堵结构(多孔介质在气体通道出口侧封堵)与现有技术的性能对比图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图1至图3更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
为了更好地理解，如图1至图2所示，风冷燃料电池的阴极流场板结构包括，
至少一个气体通道，其导入气体以提供反应气体，
膜电极，其盖合于所述气体通道以接触所述气体通道中导入的反应气体，
至少一个冷却通道，其导入气体以冷却散热，所述气体通道与冷却通道交替排列以构成沟脊结构，所述气体通道与冷却通道的入口侧朝向第一方向以同步导入气体，所述气体通道与冷却通道的出口侧朝向相反于第一方向的第二方向，
阻流单元，其设在所述气体通道的出口侧以阻流气体通道内的反应气体。
本发明的阴极流场板包括交替布置的气体通道与冷却通道，气体通道与冷却通道呈沟脊结构从入口侧向出口侧延伸，冷却通道中的气流通过流场板与膜电极隔开，气体通道中的气流与膜电极直接接触；每个气体通道出口处均设有局部封堵结构，该局部封堵结构自气体通道出口延伸至气体通道内，或者以挡板构成出口突缩等形式；该结构对气体通道产生阻流效果，使入口工质更多的分配至冷却通道中，但同时保证气体通道内有足够的反应气进入膜电极参与反应。该结构起到流量分配，增强燃料电池散热，提高气体通道压力和氧气反应浓度，减轻膜水分流失提高电导率，并最终提高燃料电池性能的作用。该流场板结构可装配于风冷燃料电池堆中，适用于无人机，自动送货机和园区通勤车等移动电力设备。
所述的风冷燃料电池的阴极流场板结构的优选实施例中，
所述阻流单元为可调节阻流单元，所述可调节阻流单元调节所述气体通道的出口侧的开度。
所述的风冷燃料电池的阴极流场板结构的优选实施例中，所述阻流单元包括多孔介质封堵结构。
所述的风冷燃料电池的阴极流场板结构的优选实施例中，所述多孔介质封堵结构在所述气体通道自出口侧朝入口侧延伸预定距离。
所述的风冷燃料电池的阴极流场板结构的优选实施例中，所述多孔介质封堵结构的渗透率与孔隙率可调。
所述的风冷燃料电池的阴极流场板结构的优选实施例中，所述阻流单元包括挡板，所述挡板由所述气体通道侧壁和/或顶壁朝气体通道内延伸。
所述的风冷燃料电池的阴极流场板结构的优选实施例中，所述挡板相对于所述出口侧的开度可调。
所述的风冷燃料电池的阴极流场板结构的优选实施例中，所述气体通道的截面尺寸不等于所述冷却通道的截面尺寸。
所述的风冷燃料电池的阴极流场板结构的优选实施例中，
所述气体通道与冷却通道的入口侧至出口侧呈直线状或曲线状。
本发明的风冷燃料电池散热保水阴极流场板结构实现流量分配，提高散热与保水性能。流场板气体通道出口侧封堵可以通过以下方式获得。
在一个实施例中，采用多孔介质进行气体通道出口侧封堵
该方案是在流场板气体通道出口侧采用多孔介质进行封堵，图1为该结构的示意图，其中1-1为阴极流场板，阴极流场板上包括气体通道1-2和冷却通道1-3，气体通道1-2和冷却通道1-3交替出现，气体通道1-2中的气流与膜电极1-7直接接触，起到提供反应气的作用，冷却通道1-3中的气流通过流场板与膜电极隔开，起到冷却作用，气体通道1-2的出口侧1-6设置多孔介质封堵结构1-4，多孔介质自气体通道出口侧1-6向气体通道内延伸一段距离，反应气与冷却气通过风扇统一从入口侧1-5吹入，气流同时进入气体通道1-2与冷却通道1-3中，气体通道1-2中布置有多孔介质封堵结构1-4，其流阻较大，使得过量的空气气流进入冷却通道1-3之中，提高了燃料电池的散热性能，同时通过调控多孔介质封堵结构1-4的孔隙率与渗透率，调控进入冷却通道与气体通道的流量比例，使得流量分配满足燃料电池散热、保水同时保证有足够反应气的需求，使得风冷电池性能得到保证。
在一个实施例中，出口设置挡板进行气体通道出口侧封堵
该方案是在流场板气体通道出口侧采用挡板进行封堵，其结构示意图如图2所示，其中2-1为阴极流场板，阴极流场板上包括气体通道2-2和冷却通道2-3，气体通道2-2中的气流与膜电极2-7直接接触，充当反应气，冷却通道2-3中的气流通过流场板与膜电极隔开，起到冷却作用，反应气与冷却气通过风扇统一从入口侧2-5吹入，气体通道2-2的出口侧设置挡板2-4，该挡板2-4可由气体通道2-2的侧壁向通道内延伸，也可由气体通道2-2顶壁向气体通道2-2内收缩，其形成方式不一，在气体通道2-2的出口侧2-6形成气体通道2-2的局部封堵。通过气体通道2-2出口侧设置的挡板结构，使得气体通道2-2内的流阻增加，更多的气流进入冷却通道2-3中，提高冷却通道2-3中的流速，通过调控挡板结构的开度，可以调控冷却通道2-3与气体通道2-2的流量比例，同样使流量分配满足燃料电池散热、保水同时保证有足够反应气的需求，使得风冷电池性能得到保证。
通过数值计算，证明了气体通道出口侧封堵可以显著提高电池的性能，本次计算了气体通道未进行任何设置的基础结构，命名为Case-1，和出口侧填充多孔介质封堵结构的结构，命名为Case-2，计算了工作电压为0.6V时，依据冷却需求过量系数为17.8时两种结构的电池输出电流密度，过量系数ξ表达式如下所示：
Figure BDA0002946584780000071
其中，F为Faraday常数，96487C mol-1，U0为热力学平衡势，Vcell为输出电压，在本验证算例中，取0.6V，
Figure BDA0002946584780000073
为阴极入口氧浓度，mol m-3，Wgc与Wcc分别为气体通道与冷却通道的宽度，Cp，air为空气定压比热容，J kg-1K-1，Tout与Tin分别为阴极出口与入口温度。
计算结果如表1所示，
表1：
Figure BDA0002946584780000072
从表1可以看出Case-1催化层温度比Case-2的低了9K，但其膜态水含量与相对湿度并未因为温度降低而增加，这是因为Case-1的低温并非是因为冷却效果好导致的，而是因为其反应速率较低，其产热少，生成水少。Case-2的计算结果显示其冷却通道与气体通道的流量分配比例为19∶1，说明气体通道出口侧添加多孔介质有效起到分流作用，气体通道内的流速较低，气体通道内的压力约为冷却通道内的两倍，其反应气浓度足够反应所需，膜电极中水分产生较多，且可以得到有效的保持，所以其相对湿度较高。两种结构输出电流密度如图3所示，可以发现Case-2较Case-1电流密度提高了19.8％，该结果表明了本发明提出的风冷燃料电池散热保水阴极流场板结构，其在气体通道出口侧添加封堵结构的思想可以有效提高电池性能。
风冷燃料电池包括所述阴极流场板结构。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (5)

1.一种风冷燃料电池的阴极流场板结构，其特征在于，其包括，
至少一个气体通道，其导入气体以提供反应气体，
膜电极，其盖合于所述气体通道以接触所述气体通道中导入的反应气体，
至少一个冷却通道，其导入气体以冷却散热，所述气体通道与冷却通道交替排列以构成沟脊结构，所述气体通道与冷却通道的入口侧朝向第一方向以同步导入气体，所述气体通道与冷却通道的出口侧朝向相反于第一方向的第二方向，
阻流单元，其设在所述气体通道的出口侧以阻流气体通道内的反应气体,所述阻流单元包括多孔介质封堵结构；
所述多孔介质封堵结构在所述气体通道自出口侧朝入口侧延伸预定距离；
所述多孔介质封堵结构的渗透率与孔隙率可调。
2.根据权利要求1所述的风冷燃料电池的阴极流场板结构，其中，所述阻流单元为可调节阻流单元，所述可调节阻流单元调节所述气体通道的出口侧的开度。
3.根据权利要求1所述的风冷燃料电池的阴极流场板结构，其中，
所述气体通道的截面尺寸不等于所述冷却通道的截面尺寸。
4.根据权利要求1所述的风冷燃料电池的阴极流场板结构，其中，
所述气体通道与冷却通道的入口侧至出口侧呈直线状或曲线状。
5.一种风冷燃料电池，其特征在于，其包括根据权利要求1-4中任一项所述的风冷燃料电池的阴极流场板结构。
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