CN113571731B - 一种质子交换膜燃料电池复合仿生流场及其应用 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池复合仿生流场及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于燃料电池结构技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池流道复合仿生流场及其应用，该质子交换膜燃料电池复合仿生流场，流道入口设置在流场的中心，主流道由双极板中心延伸至流场的四个角，且逐渐线性收窄；每个主流道两侧对称排列着分支流道；整个复合仿生流场呈中心对称分布。基于该复合型仿生流场能够均匀的将反应气体扩散至电池的催化层表面，总体压降小，也有利于液态水的排出。内置的仿生流线型堵块在不大幅提高流场总体压降的前提下，进一步提高传质效率，促进反应气体在电池内的充分利用，提高电池的输出功率。

Description

一种质子交换膜燃料电池复合仿生流场及其应用
技术领域
本发明属于燃料电池结构技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池流道复合仿生流场及其应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将燃料的化学能直接转化为电能的能量转换装置。与传统的能量转换装置(如内燃机)相比，它具有高效、低工作温度、便携、零污染、适应工作环境广、功率密度高等优点，被认为是21世纪很有前途的能源设备，是电动交通工具的理想电源。
作为PEMFC的关键部件之一，双极板占电池质量的60％以上，成本的30％以上。双极板承担着导出电流、散热、为电堆提供必要的机械支撑、为膜电极提供氧化物与燃料、排出未反应的气体和反应产物等功能。双极板的流场设计是影响电池性能的重要因素之一。合理的流场设计可以促进反应气体在活性区域均匀分布，及时排出液态水，保证传质的效率与稳定性，减少反应气体的压力损失，降低寄生功率。
电流密度及输出功率是判断质子交换膜燃料电池的优劣的重要指标。传统流道,如平行直流道、蛇形流道的设计优化大多是针对其流道结构的经验改变。如流道长度，脊宽度，流道与脊的宽度比等此类流道的研究已经较为深入，缺点也比较明显。如，蛇形流场通常在膜电极组件表面上具有相对更均匀的流量分布，电池有较高的输出功率。但蛇形流场会产生较大的流场压降，产生额外的机械应力和很大的寄生功率。平行流场存在严重的流量分配不均问题，会导致热量、水和电流的不均匀产生，易造成电池性能的退化。因此，如何在提高输出功率的情况下，降低流程压降、避免产生额外的机械应力和寄生功率、促进流量均匀分布成为亟待解决的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本公开提供了一种质子交换膜燃料电池复合仿生流场及其应用，该流道结构内引入堵块能够提高流体的局部流速，基于场协同原理，将反应气体在向扩散层的传输由扩散转为对流，有助于提高传质效率。
具体地，本公开的技术方案如下所述：
在本公开的第一方面，一种质子交换膜燃料电池复合仿生流场，流道入口设置在流场的中心，主流道由双极板中心延伸至流场的四个角，且逐渐线性收窄；每个主流道两侧对称排列着分支流道；整个复合仿生流场呈中心对称分布。
在本公开的第二方面，一种质子交换膜燃料电池，包括质子交换膜以及位于质子交换膜两侧的阳极催化层、阳极扩散层、阳极流道、阳极双极板和阴极催化层、阴极扩散层、阴极流道、阴极双极板；所述阳极流道为平行流场，阴极流道为所述的质子交换膜燃料电池复合仿生流场。
在本公开的第三方面，所述的质子交换膜燃料电池复合仿生流场和/或一种质子交换膜燃料电池在新能源设备领域中的应用，所述新能源设备包括新能源汽车、新能源飞机、新能源高铁。
本公开中的一个或多个技术方案具有如下有益效果：
基于该复合型仿生流场能够均匀的将反应气体分布到各个分支流道及主流道中，进而均匀的扩散至电池的催化层表面。同时因流道入口位于流场中心，反应气体流动路径短，故总体压降小，也有利于液态水的排出。内置的仿生流线型堵块在不大幅提高流场总体压降的前提下，基于场协同原理，将反应气体在向扩散层的传输由扩散转为对流，进一步提高传质效率，促进反应气体在电池内的充分利用，提高电池的输出功率。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
以下，结合附图来详细说明本公开的实施方案，其中：
图1是实施例1的质子交换膜燃料电池结构图；
图2是实施例1的质子交换膜燃料电池复合仿生流场结构三维图；
图3是实施例1的质子交换膜燃料电池复合仿生流场结构俯视图；
图4是实施例1的质子交换膜燃料电池复合仿生流场分支流道内置的仿生流线型堵块结构三维图；
图5是实施例1的质子交换膜燃料电池复合仿生流场分支流道内置的仿生流线型堵块结构侧视图；
图6是实施例1的质子交换膜燃料电池极化曲线；
图7是实施例1的质子交换膜燃料电池输出功率曲线；
图8是实施例1的质子交换膜燃料电池流场压降曲线；
其中，1-阳极双极板、2-阳极流道、3-阳极扩散层、4-阳极催化层、5-质子交换膜、6-阴极催化层、7-阴极扩散层、8-阴极流道、9-阴极双极板。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本公开。应理解，这些实施例仅用于说明本公开而不用于限制本公开的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。
目前，蛇形流场会产生极大的流场压降，产生额外的机械应力和很大的寄生功率；平行流场存在严重的流量分配不均问题，会导致热量、水和电流的不均匀产生，易造成电池性能的退化，为了解决这些问题，本公开提供了一种质子交换膜燃料电池流道复合仿生流场及其应用。
在本公开的一种实施方式中，一种质子交换膜燃料电池复合仿生流场，流道入口设置在流场的中心，主流道由双极板中心延伸至流场的四个角，且逐渐线性收窄；每个主流道两侧对称排列着分支流道；整个复合仿生流场呈中心对称分布。
将仿生学的思想运用到PEMFC流道设计中，将植物的叶脉网络结构同鲨鱼、鸟类等动物的流线型体态结合起来，设计了一种叶脉仿生流场与仿生流线型堵块相结合的新型复合仿生流场。复合仿生流场整体的叶脉结构能促进反应气体分布在PEMFC活性区域的均匀分布。
进一步地，所述分支流道内布置仿生流线型堵块。流道中的仿生流线型堵块在不产生较大局部阻力的前提下，使得流动方向与扩散方向形成一定的夹角迫使更多的反应气体进入扩散层及催化层，提高电池的传质效率。总的来说，这种新型复合仿生流场具有压损小，输出功率高，排水能力强的优点。
进一步地，每个主流道两侧对称排列着6-15个分支流道；优选的，为10个分支流道，此时，能够进一步促进反应气体的均匀分布，并有利于提高电池的传质效率。
进一步地，各个分支流道宽度、高度一致，为0.4-1.0mm；优选的，为0.6mm，最佳的分支流道尺寸有利于提高排水能力，降低压损。
进一步地，分支流道间的脊宽度一致，为0.2-0.6mm；优选的，为0.36mm。脊宽度保持一致，并处于优选的范围内，有利于发挥场协同原理，提高传质效率。
进一步地，从流场中心到流场的四个角方向，分支流道内的仿生流线型堵块的数量呈减小的趋势。对于仿生流线型堵块的数量进行优化，如图3所示，沿着主流道从流场中心到流场四角的方向，将分支流道依次分为分支流道(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)、(i)、(j)，分支流道(a)-(j)中，仿生流线型堵块的数量依次为3-7、1-5、1-5、1-3、1-3、1-3、1-3、1-3、0-2、0-2；优选的，为3、2、2、1、1、1、1、1、0、0。流场内其他分支流道内仿生流线型堵块的布置与其一致。
仿生流线型堵块能够保持总体压降处于平衡状态，通过与其他部件之间的配合作用，有利于促进反应气体的均匀扩散，使得反应气体在向扩散层的传输由扩散转为对流，充分提高电池的性能，避免产生额外的机械应力和寄生功率。
进一步地，分支流道(a)-(j)中，仿生流线型堵块与分支流道进口的距离依次为1-2mm、1-3mm、1-2mm、1-3mm、1-3mm、0.5-1.5mm、0.5-1.5mm、0.1-1.0mm、0-0.5mm、0-0.5mm；优选的，为1.5mm、2mm、1.5mm、2mm、2mm、1.3mm、0.7mm、0.3mm、0、0；或，分支流道(a)、(b)和(c)中，仿生流线型堵块间距为1mm。进一步调整仿生流线型堵块和其他结构之间的位置关系，能够进一步促进气体的均匀分布，均匀的扩散到催化剂层表面，降低总体压降。
在本公开的一种实施方式中，一种质子交换膜燃料电池，包括质子交换膜以及位于质子交换膜两侧的阳极催化层、阳极扩散层、阳极流道、阳极双极板和阴极催化层、阴极扩散层、阴极流道、阴极双极板；所述阳极流道为平行流场，阴极流道为所述的质子交换膜燃料电池复合仿生流场。
因阴极流道进口被设置在流场中心，反应气体流动路径短，有助于将反应气体均匀地分布到各个分支流道及主流道中，且流场总体压降较小。内置的仿生流线型堵块在不大幅提高流场总体压降的前提下，基于场协同原理，促进反应气体向催化层扩散，进一步提高传质效率，提高电池性能。
在本公开的一种实施方式中，所述的质子交换膜燃料电池复合仿生流场和/或所述的一种质子交换膜燃料电池在新能源设备领域中的应用，所述新能源设备包括新能源汽车、新能源飞机、新能源高铁。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本公开的技术方案。
实施例1
如图1，一种质子交换膜燃料电池，质子交换膜燃料电池整体结构从上到下依次为阳极双极1、阳极流道2、阳极扩散层3、阳极催化层4、质子交换膜5、阴极催化层6、阴极扩散层7、阴极流道8和阴极双极板9，其中，阳极流道为平行流场，阴极流道为复合仿生流场。其中，复合仿生流场的结构如图2、3所示，每个主流道两侧对称排列着10个分支流道，各个分支流道宽度、高度一致，为0.6mm，分支流道间的脊宽度一致，为0.36mm，关于具体的仿生流线型堵块在分支流道中的布置方式，如表1所示：
表1仿生流线型堵块布置
Figure GDA0003933169060000071
实施例2
基于实施例1的燃料电池进行模拟实验，电池工作压力均为一个标准大气压，工作温度为343.15K。阳极通入加湿的氢气，其相对湿度为100％，质量流量为5.38×10-7kg/s；阴极通入加湿的空气，其相对湿度为100％，进气质量流量为4.69×10-6kg/s，通过CFD模拟，得出结果。
PEMFC的性能曲线如图6-8所示。由图可知，该实施例1的质子交换膜燃料电池的电流密度随电压的下降而增加。在电压为0.4V时，得到最大电流密度为1.735A/cm2,得到最大输出功率为2.774W。同时，该复合仿生流场的总体压降不随电流密度的增加大幅变化，均维持在10.1Pa-10.3Pa的较低的水平下，说明该复合仿生流场在帮助质子交换膜燃料电池得到较高的输出功率的同时，未造成较大的流动阻力。仿生流线型堵块在促进传质的同时，未造成较大的局部损失。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种质子交换膜燃料电池复合仿生流场，其特征是，流道入口设置在流场的中心，主流道由双极板中心延伸至流场的四个角，且逐渐线性收窄；每个主流道两侧对称排列着多个分支流道；整个复合仿生流场呈中心对称分布；
所述分支流道内布置仿生流线型堵块；
从流场中心到流场的四个角方向，分支流道内的仿生流线型堵块的数量呈减小的趋势；
各个分支流道宽度、高度一致；分支流道间的脊宽度一致。
2.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池复合仿生流场，其特征是，每个主流道两侧对称排列着6-15个分支流道。
3.如权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池复合仿生流场，其特征是，所述每个主流道两侧对称排列着10个分支流道。
4.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池复合仿生流场，其特征是，各个分支流道宽度、高度一致，为0.4-1.0mm。
5.如权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池复合仿生流场，其特征是，各个分支流道宽度、高度一致，为0.6mm。
6.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池复合仿生流场，其特征是，分支流道间的脊宽度一致，为0.2-0.6mm。
7.如权利要求6所述的一种质子交换膜燃料电池复合仿生流场，其特征是，分支流道间的脊宽度一致，为0.36mm。
8.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池复合仿生流场，其特征是，沿着主流道从流场中心到流场四角的方向，将分支流道依次分为分支流道(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)、(i)、(j)。
9.如权利要求8所述的一种质子交换膜燃料电池复合仿生流场，其特征是，分支流道(a)-(j)中，仿生流线型堵块的数量依次为3-7、1-5、1-5、1-3、1-3、1-3、1-3、1-3、0-2、0-2。
10.如权利要求9所述的一种质子交换膜燃料电池复合仿生流场，其特征是，所述仿生流线型堵块的数量依次为3、2、2、1、1、1、1、1、0、0。
11.如权利要求8所述的一种质子交换膜燃料电池复合仿生流场，其特征是，分支流道(a)-(j)中，仿生流线型堵块与分支流道进口的距离依次为1-2mm、1-3mm、1-2mm、1-3mm、1-3mm、0.5-1.5mm、0.5-1.5mm、0.1-1.0mm、0-0.5mm、0-0.5mm。
12.如权利要求11所述的一种质子交换膜燃料电池复合仿生流场，其特征是，分支流道(a)-(j)中，所述仿生流线型堵块与分支流道进口的距离依次为1.5mm、2mm、1.5mm、2mm、2mm、1.3mm、0.7mm、0.3mm、0、0；或，分支流道(a)、(b)和(c)中，仿生流线型堵块间距为1mm。
13.一种质子交换膜燃料电池，其特征是，包括质子交换膜以及位于质子交换膜两侧的阳极催化层、阳极扩散层、阳极流道、阳极双极板和阴极催化层、阴极扩散层、阴极流道、阴极双极板；所述阳极流道为平行流场，阴极流道为权利要求1～12任一项所述的质子交换膜燃料电池复合仿生流场。
14.权利要求1～12任一项所述的质子交换膜燃料电池复合仿生流场和/或权利要求13所述的一种质子交换膜燃料电池在新能源设备领域中的应用，其特征是，所述新能源设备包括新能源汽车、新能源飞机、新能源高铁。
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