CN112993308A - 一种梯度蛇形流场结构 - Google Patents

一种梯度蛇形流场结构 Download PDF

Info

Publication number
CN112993308A
CN112993308A CN201911287494.5A CN201911287494A CN112993308A CN 112993308 A CN112993308 A CN 112993308A CN 201911287494 A CN201911287494 A CN 201911287494A CN 112993308 A CN112993308 A CN 112993308A
Authority
CN
China
Prior art keywords
flow field
field structure
ridges
gradient
shaped
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201911287494.5A
Other languages
English (en)
Inventor
侯明
邵志刚
何良
王朋豪
艾军
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Original Assignee
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian Institute of Chemical Physics of CAS filed Critical Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority to CN201911287494.5A priority Critical patent/CN112993308A/zh
Publication of CN112993308A publication Critical patent/CN112993308A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0263—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant having meandering or serpentine paths
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/026—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0265—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant the reactant or coolant channels having varying cross sections
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

本发明涉及一种梯度蛇形流场结构，属于燃料电池领域。本发明所述流场结构的中央区域设有多个蛇形脊Ⅱ，所述蛇形脊Ⅱ由多个s形单元首尾相接构成，且所述蛇形脊Ⅱ的高度呈线性变化，相邻所述蛇形脊Ⅱ之间形成蛇形气体流道。本发明所述梯度蛇形流场结构能够对电池产生较大的性能改变，同时，加工简单，具有大规模应用的条件。

Description

一种梯度蛇形流场结构
技术领域
本发明涉及一种梯度蛇形流场结构，属于燃料电池领域。
背景技术
质子交换膜燃料电池由于其具有能量转换效率高、工作温度低、环境友好等特点，在交通运输、便携式电源以及航空航天领域有着广泛的应用前景，特别是自2015年丰田推出燃料电池车Mirai之后，车用燃料电池成为当下的研究热点。而怎样提升车用燃料电池功率，减小发动机体积，延长其寿命，是当下亟待解决的问题，特别是对于乘用车来说，其狭小的空间，决定了其对于堆体积的高要求。
为了提升电池的功率密度，目前主要从两方面入手：研发性能更好的膜电极以及开发传质效果更好的流场。膜电极方面，电极结构从最开始的GDE型膜电极到现在广泛使用的CCM型膜电极，再到下一代的有序化膜电极以及纺丝膜电极，电池性能从1W/cm2上升到后来的2W/cm2，丰田未来更是计划做到5W/cm2乃至更高；而膜也由原先的Nafion膜到现在的增强复合膜，膜厚度由上百微米降低到15微米左右，耐久性却提升至上万小时。双极板方面，材料由开始的石墨板到现在的金属板，电池的体积功率密度由原先的1W/L上升到现在的3.1W/L，未来有希望做到更高；而结构也由原先的平行沟槽流场以及蛇形流场等平面结构发展到现在的三维结构，特别是自Mirai的三维流场出世之后，对于三维扰动流场的研究越来越热。
发明内容
基于空间限制，一些场合下燃料电池需要工作在较高的电流密度下才能满足该场合对于功率的需求，例如车载条件下。然而，在大电流密度下，电池面临着反应气不足、反应物不能及时排出等问题。针对上述问题，本发明设计一种新型流场结构，能够促进电池在高电流密度工作下气体从流道向活性位点的传递以及反应物从活性位点的排出，进而提升电池性能。
本发明提供了一种梯度蛇形流场结构，所述流场结构的中央区域设有多个蛇形脊Ⅱ，所述蛇形脊Ⅱ由多个s形单元首尾相接构成，且所述蛇形脊Ⅱ的高度呈线性变化，相邻所述蛇形脊Ⅱ之间形成蛇形气体流道。
本发明优选为所述s形单元两端之间的直线距离为2-10mm。
本发明优选为所述s形单元的圆弧半径为0.5-20mm。
本发明优选为所述s形单元的高度为0.2-2mm。
本发明优选为相邻所述蛇形脊Ⅱ的高度相同。
本发明优选为多个所述蛇形脊Ⅱ平行布置。
本发明优选为所述流场结构设有多个脊Ⅰ，相邻所述脊Ⅰ之间形成气体入口通道，所述气体入口通道与蛇形气体流道连通。
本发明优选为多个所述脊Ⅰ平行布置。
本发明优选为所述流场结构设有多个脊Ⅲ，相邻所述脊Ⅲ之间形成气体出口通道，所述气体出口通道与蛇形气体流道连通。
本发明优选为多个所述脊Ⅲ平行布置。
通过调节本发明所述s形单元两端之间的直线距离、s形单元的圆弧半径、s形单元的高度三个参数来控制气体在其中的湍动程度，进而调节其传质能力，改变电池性能。
本发明有益效果为：
本发明所述梯度蛇形流场结构能够对电池产生较大的性能改变，同时，加工简单，具有大规模应用的条件。
附图说明
本发明附图3幅，
图1为本发明所述梯度蛇形流场结构的结构示意图；
图2为本发明所述s形单元的结构示意图；
图3为实施例1-4的电池I-V曲线图；
其中：1、脊Ⅰ，2、蛇形脊Ⅱ，3、蛇形气体流道，4、脊Ⅲ，5、s形单元。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
一种梯度蛇形流场结构，所述流场结构的中央区域设有多个蛇形脊Ⅱ2，多个所述蛇形脊Ⅱ2平行布置，所述蛇形脊Ⅱ2由多个s形单元5首尾相接构成，所述s形单元5两端之间的直线距离L为2mm，所述s形单元5的圆弧半径R为2mm，靠近气体入口端的所述s形单元5高度为0.3mm，靠近气体出口端的所述s形单元5高度为0.5mm，使所述蛇形脊Ⅱ2的高度呈线性增大，且相邻所述蛇形脊Ⅱ2的高度相同，相邻所述蛇形脊Ⅱ2之间形成蛇形气体流道3；
所述流场结构设有多个脊Ⅰ1，多个所述脊Ⅰ1平行布置，相邻所述脊Ⅰ1之间形成气体入口通道，所述气体入口通道与蛇形气体流道3连通；
所述流场结构设有多个脊Ⅲ4，多个所述脊Ⅲ4平行布置，相邻所述脊Ⅲ4之间形成气体出口通道，所述气体出口通道与蛇形气体流道3连通。
本实施例在0.1MPa、80℃、阳极100％增湿、阴极50％增湿、阳极计量比1.5、阴极计量比2.5的条件下测试的极化曲线见图3。由图3得，相比于没有梯度的情况，本实施例能够提升电池性能。
实施例2
一种梯度蛇形流场结构，所述流场结构的中央区域设有多个蛇形脊Ⅱ2，多个所述蛇形脊Ⅱ2平行布置，所述蛇形脊Ⅱ2由多个s形单元5首尾相接构成，所述s形单元5两端之间的直线距离L为2mm，所述s形单元5的圆弧半径R为2mm，靠近气体入口端的所述s形单元5高度为0.3mm，靠近气体出口端的所述s形单元5高度为0.4mm，使所述蛇形脊Ⅱ2的高度呈线性增大，且相邻所述蛇形脊Ⅱ2的高度相同，相邻所述蛇形脊Ⅱ2之间形成蛇形气体流道3；
所述流场结构设有多个脊Ⅰ1，多个所述脊Ⅰ1平行布置，相邻所述脊Ⅰ1之间形成气体入口通道，所述气体入口通道与蛇形气体流道3连通；
所述流场结构设有多个脊Ⅲ4，多个所述脊Ⅲ4平行布置，相邻所述脊Ⅲ4之间形成气体出口通道，所述气体出口通道与蛇形气体流道3连通。
本实施例在0.1MPa、80℃、阳极100％增湿、阴极50％增湿、阳极计量比1.5、阴极计量比2.5的条件下测试的极化曲线见图3。由图3得，相比于没有梯度的情况，本实施例能够提升电池性能。
实施例3
一种梯度蛇形流场结构，所述流场结构的中央区域设有多个蛇形脊Ⅱ2，多个所述蛇形脊Ⅱ2平行布置，所述蛇形脊Ⅱ2由多个s形单元5首尾相接构成，所述s形单元5两端之间的直线距离L为2mm，所述s形单元5的圆弧半径R为2mm，靠近气体入口端的所述s形单元5高度为0.5mm，靠近气体出口端的所述s形单元5高度为0.3mm，使所述蛇形脊Ⅱ2的高度呈线性减小，且相邻所述蛇形脊Ⅱ2的高度相同，相邻所述蛇形脊Ⅱ2之间形成蛇形气体流道3；
所述流场结构设有多个脊Ⅰ1，多个所述脊Ⅰ1平行布置，相邻所述脊Ⅰ1之间形成气体入口通道，所述气体入口通道与蛇形气体流道3连通；
所述流场结构设有多个脊Ⅲ4，多个所述脊Ⅲ4平行布置，相邻所述脊Ⅲ4之间形成气体出口通道，所述气体出口通道与蛇形气体流道3连通。
本实施例在0.1MPa、80℃、阳极100％增湿、阴极50％增湿、阳极计量比1.5、阴极计量比2.5的条件下测试的极化曲线见图3。由图3得，相比于没有梯度的情况，本实施例能够大幅度提升电池性能。
实施例4
一种梯度蛇形流场结构，所述流场结构的中央区域设有多个蛇形脊Ⅱ2，多个所述蛇形脊Ⅱ2平行布置，所述蛇形脊Ⅱ2由多个s形单元5首尾相接构成，所述s形单元5两端之间的直线距离L为2mm，所述s形单元5的圆弧半径R为2mm，靠近气体入口端的所述s形单元5高度为0.5mm，靠近气体出口端的所述s形单元5高度为0.4mm，使所述蛇形脊Ⅱ2的高度呈线性减小，且相邻所述蛇形脊Ⅱ2的高度相同，相邻所述蛇形脊Ⅱ2之间形成蛇形气体流道3；
所述流场结构设有多个脊Ⅰ1，多个所述脊Ⅰ1平行布置，相邻所述脊Ⅰ1之间形成气体入口通道，所述气体入口通道与蛇形气体流道3连通；
所述流场结构设有多个脊Ⅲ4，多个所述脊Ⅲ4平行布置，相邻所述脊Ⅲ4之间形成气体出口通道，所述气体出口通道与蛇形气体流道3连通。
本实施例在0.1MPa、80℃、阳极100％增湿、阴极50％增湿、阳极计量比1.5、阴极计量比2.5的条件下测试的极化曲线见图3。由图3得，相比于没有梯度的情况，本实施例能够大幅度提升电池性能。

Claims (10)

1.一种梯度蛇形流场结构，其特征在于：所述流场结构的中央区域设有多个蛇形脊Ⅱ，所述蛇形脊Ⅱ由多个s形单元首尾相接构成，且所述蛇形脊Ⅱ的高度呈线性变化，相邻所述蛇形脊Ⅱ之间形成蛇形气体流道。
2.根据权利要求1所述的梯度蛇形流场结构，其特征在于：所述s形单元两端之间的直线距离为2-10mm。
3.根据权利要求2所述的梯度蛇形流场结构，其特征在于：所述s形单元的圆弧半径为0.5-20mm。
4.根据权利要求3所述的梯度蛇形流场结构，其特征在于：所述s形单元的高度为0.2-2mm。
5.根据权利要求4所述的梯度蛇形流场结构，其特征在于：相邻所述蛇形脊Ⅱ的高度相同。
6.根据权利要求5所述的梯度蛇形流场结构，其特征在于：多个所述蛇形脊Ⅱ平行布置。
7.根据权利要求6所述的梯度蛇形流场结构，其特征在于：所述流场结构设有多个脊Ⅰ，相邻所述脊Ⅰ之间形成气体入口通道，所述气体入口通道与蛇形气体流道连通。
8.根据权利要求7所述的梯度蛇形流场结构，其特征在于：多个所述脊Ⅰ平行布置。
9.根据权利要求8所述的梯度蛇形流场结构，其特征在于：所述流场结构设有多个脊Ⅲ，相邻所述脊Ⅲ之间形成气体出口通道，所述气体出口通道与蛇形气体流道连通。
10.根据权利要求9所述的梯度蛇形流场结构，其特征在于：多个所述脊Ⅲ平行布置。
CN201911287494.5A 2019-12-14 2019-12-14 一种梯度蛇形流场结构 Pending CN112993308A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911287494.5A CN112993308A (zh) 2019-12-14 2019-12-14 一种梯度蛇形流场结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911287494.5A CN112993308A (zh) 2019-12-14 2019-12-14 一种梯度蛇形流场结构

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112993308A true CN112993308A (zh) 2021-06-18

Family

ID=76342673

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911287494.5A Pending CN112993308A (zh) 2019-12-14 2019-12-14 一种梯度蛇形流场结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112993308A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113764681A (zh) * 2021-08-25 2021-12-07 厦门大学 一种自适应流场调控式燃料电池极板结构

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19835759A1 (de) * 1998-08-07 2000-02-17 Opel Adam Ag Brennstoffzelle
US20050271909A1 (en) * 2004-06-07 2005-12-08 Hyteon Inc. Flow field plate for use in fuel cells
CN2796117Y (zh) * 2005-05-20 2006-07-12 上海神力科技有限公司 一种适合常压或低压运行的燃料电池氢气导流极板
DE102008033210A1 (de) * 2008-07-15 2010-01-21 Daimler Ag Bipolarplatte für eine Brennstoffzellenanordnung, insbesondere zur Anordnung zwischen zwei benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen
CN207463949U (zh) * 2017-09-08 2018-06-08 徐煜 质子交换膜燃料电池的金属流场板的冲压组合式模具
CN108695524A (zh) * 2018-07-03 2018-10-23 武汉轻工大学 质子交换膜燃料电池双极板
CN108963297A (zh) * 2018-06-29 2018-12-07 上海交通大学 一种强化脊下对流的波浪形质子交换膜燃料电池流道
CN208385532U (zh) * 2018-07-03 2019-01-15 武汉轻工大学 质子交换膜燃料电池双极板
US20190020041A1 (en) * 2016-03-22 2019-01-17 Loop Energy Inc. Fuel Cell Flow Field Design For Thermal Management
CN109390603A (zh) * 2018-11-15 2019-02-26 华南理工大学 一种波纹流场板
CN208806305U (zh) * 2018-09-17 2019-04-30 重庆宗申氢能源动力科技有限公司 一种燃料电池阳极流场板
CN110391436A (zh) * 2019-08-07 2019-10-29 上海电气集团股份有限公司 一种质子交换膜燃料电池金属双极板

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19835759A1 (de) * 1998-08-07 2000-02-17 Opel Adam Ag Brennstoffzelle
US20050271909A1 (en) * 2004-06-07 2005-12-08 Hyteon Inc. Flow field plate for use in fuel cells
CN2796117Y (zh) * 2005-05-20 2006-07-12 上海神力科技有限公司 一种适合常压或低压运行的燃料电池氢气导流极板
DE102008033210A1 (de) * 2008-07-15 2010-01-21 Daimler Ag Bipolarplatte für eine Brennstoffzellenanordnung, insbesondere zur Anordnung zwischen zwei benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen
US20190020041A1 (en) * 2016-03-22 2019-01-17 Loop Energy Inc. Fuel Cell Flow Field Design For Thermal Management
CN207463949U (zh) * 2017-09-08 2018-06-08 徐煜 质子交换膜燃料电池的金属流场板的冲压组合式模具
CN108963297A (zh) * 2018-06-29 2018-12-07 上海交通大学 一种强化脊下对流的波浪形质子交换膜燃料电池流道
CN108695524A (zh) * 2018-07-03 2018-10-23 武汉轻工大学 质子交换膜燃料电池双极板
CN208385532U (zh) * 2018-07-03 2019-01-15 武汉轻工大学 质子交换膜燃料电池双极板
CN208806305U (zh) * 2018-09-17 2019-04-30 重庆宗申氢能源动力科技有限公司 一种燃料电池阳极流场板
CN109390603A (zh) * 2018-11-15 2019-02-26 华南理工大学 一种波纹流场板
CN110391436A (zh) * 2019-08-07 2019-10-29 上海电气集团股份有限公司 一种质子交换膜燃料电池金属双极板

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113764681A (zh) * 2021-08-25 2021-12-07 厦门大学 一种自适应流场调控式燃料电池极板结构

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110380077B (zh) 一种组合式流道燃料电池双极板
KR102055514B1 (ko) 전지 시스템용 조립 방법과 배열체
US10644330B2 (en) Bipolar plate structure having optimized gas flow channels
CN105895938A (zh) 一种质子交换膜燃料电池电堆的活化方法
US10756357B2 (en) Bipolar plate with coolant flow channel
CN104900894A (zh) 燃料电池的金属极板、燃料电池的金属双极板、燃料电池
CN112615020B (zh) 一种波浪形燃料电池单电池及电堆
CN109904483B (zh) 燃料电池双极板流场、双极板及电堆结构
US11626609B2 (en) Contacting method and arrangement for fuel cell or electrolyzer cell stack
US20050208364A1 (en) Fuel cell
KR20150113126A (ko) 모듈식 기초 활성 영역을 갖는 연료 전지
CN114361505A (zh) 三流道固体氧化物燃料电池单元结构及电池堆
CN112993308A (zh) 一种梯度蛇形流场结构
CN210866380U (zh) 一种质子交换膜燃料电池单体和质子交换膜燃料电池电堆
KR101534940B1 (ko) 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지
KR101926454B1 (ko) 연료전지 분리판 및 이를 갖는 연료전지 스택
CN112993303B (zh) 一种波纹状流场结构
CN112993304B (zh) 一种梯度波纹状流场结构
KR100488723B1 (ko) 요철구조의 기체유로를 갖는 연료 전지용 분리판
CN104937760A (zh) 燃料电池系统
CN216084950U (zh) 一种蛇形流场结构的质子交换膜燃料电池装置
CN111326763A (zh) 一种类蜂巢形流场的金属双极板
CN209929409U (zh) 一种低温型燃料电池金属双极板
KR100829897B1 (ko) 절곡막을 가진 양성자교환막 연료전지
CN2904316Y (zh) 一种燃料电池流场板

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20210618

RJ01 Rejection of invention patent application after publication