CN113659167B - 一种提升水去除效果的质子交换膜燃料电池的阴极流道 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提升水去除效果的质子交换膜燃料电池的阴极流道，气体扩散层为靠近双极板一侧的基底层，通过在阴极流道的气体扩散层表面加工了微凸起织构，利用该微凸起织构消除液体反应产物水淹现象。该微凸起织构是相互平行的正弦波微织构，沿流向的所述正弦波微织构横截面面积保持不变。还可以在阴极流道顶部加工了亲水管结构，利用亲水管用于去除气体扩散层表面液体反应物，沿流向的所述亲水管横截面为圆形且横截面面积保持不变。两种结构可强化液态水离开气体扩散层表面的功能，显著改善质子交换膜燃料电池阴极“水淹”现象允许适量的水润湿气流，保持膜电极的润湿。除此之外，在控制流道内压降升高率，减小功率损耗方面具有一定的优势。

Description

一种提升水去除效果的质子交换膜燃料电池的阴极流道
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及能实现水去除的质子交换膜燃料电池的阴极流道结构。
背景技术
随着能源与环境问题的日益严重，清洁能源技术受到了世界各国的关注与重视。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种直接将化学能转化为电能的发电装置，具有零排放、无污染、效率高、噪声低等优点，在交通领域具有广阔的应用前景和巨大的市场潜力。目前质子交换膜燃料电池性能及寿命还存在很大的提升空间，其中水管理是影响PEMFC性能、成本、耐久性和可靠性的关键问题之一。
气体扩散层(GDL)位于催化剂层(CL)和双极板之间，是PEMFC最为重要的零部件之一。PEMFC在运行过程中，阴极侧发生电化学反应生成液态水，液态水最终经过迁移突破至气体扩散层表面，在高功率情况下，生成水的速率越来越快，若生成物水无法及时排出，将会引起水淹现象，影响气体扩散层内的气体传输，限制反应气体与催化层的接触反应，增加了电堆的活化极化过电位与浓差极化过电位，从而导致燃料电池性能和寿命降低。因此，通过对质子交换膜燃料电池的阴极气体扩散层和流道进行优化设计来促进阴极产生的液态水从气体扩散层表面去除，是提升燃料电池性能及寿命的一个关键手段。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本发明提出了一种提升水去除效果的质子交换膜燃料电池的阴极流道，通过在阴极流道的气体扩散层表面加工了正弦波纹路的微凸起织构，在阴极流道内加工了亲水管结构，利用这两种结构促进阴极流道内靠近气体扩散层表面的液态水能快速脱离气体扩散层，消除反应气体路径堵塞现象，除此之外，控制流道内压降升高率，减小功率损耗。
本发明通过下述技术方案予以实现：
一种提升水去除效果的质子交换膜燃料电池的阴极流道，燃料电池的流道被质子交换膜分割成阴极和阳极两个区域，阴极区域由极板、阴极流道、气体扩散层、阴极催化层构成，气体扩散层为阴极流道的基底层；在气体扩散层1的表面设有微凸起织构，用于强化液态水离开气体扩散层表面，改善质子交换膜燃料电池阴极“水淹”现象。
进一步，所述气体扩散层的材质为碳纤维材质或碳纸。
进一步，所述微凸起织构在气体扩散层表面为正弦波形状，所述微凸起织构的面积占所述气体扩散层表面积的15％～45％。
进一步，微凸起织构正弦波周期T＝1～6，所述微凸起织构的正弦波峰值A＝50～150μm，所述微凸起织构的间隔S＝250μm，所述微凸起织构的宽度L＝25～200μm，所述微凸起织构的高度H＝10～30μm。
进一步，所述微凸起织构的横截面为矩形。
进一步，在阴极流道的顶部设置亲水管，且所述亲水管嵌在阴极流道内，用于强化液态水离开气体扩散层表面，改善质子交换膜燃料电池阴极“水淹”现象。
进一步，所述亲水管平行分布在阴极流道的横截面方向。
进一步，沿流向，所述亲水管的横截面为圆形、椭圆、矩形或三等形，且横截面面积保持不变。
进一步，所述亲水管的结构高度H＝350～550μm，所述亲水管的直径D＝50～150μm，所述亲水管的间距S＝150～350μm，所述亲水管的接触角为10°～30°。
进一步，所述阴极流道的宽度和高度均为1.0mm，长度为6.0mm。
本发明的特点以及产生的有益效果是：
1.本发明所述的质子交换膜燃料电池气体扩散层结构，通过表面加工微凸起织构，有助于促进积聚在气体扩散层表面的液态水脱离其表面，消除液态水堵塞反应气体传输的通道。
2.本发明所述的质子交换膜燃料电池气体扩散层结构，微凸起织构可以增加气体扩散层的比表面积，有助于反应物气流润湿，提高反应的稳定性，还有助于反应气体在通道内流通均匀，增强气体扩散层到膜电极的反应气体供应。
3.本发明所述的质子交换膜燃料电池流道内部结构，在双极板顶部加工固定亲水管结构，有助于促进气体扩散层表面液态水脱离其表面，消除液态水堵塞反应气体传输的通道。
4.本发明所述的质子交换膜燃料电池气体扩散层结构，结合质子交换膜燃料电池流道内部结构，质子交换膜燃料电池的阴极流道结构简单，易于加工，阴极侧的气体扩散层为纤维材质，易于加工。正弦波微结构在保证气体扩散层表面液态水去除和控制流道内压降，减小功率损耗方面具有一定的优势。
附图说明
图1为本发明正弦波微结构结构原理示意图。
图2为本发明正弦波微结构与传统直流道内液态水行为预测对比图。
图3为本发明正弦波微结构流道中气体扩散层表面水覆盖率与传统直流道对比图。
图4为本发明正弦波微结构流道压降升高率。
图5为本发明亲水管流道结构原理示意图。
图6为本发明亲水管流道与传统直流道内液态水行为预测对比图。
图7为本发明亲水管流道中气体扩散层表面水覆盖率与传统直流道对比图。
图8为本发明亲水管流道的压降升高率。
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。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例1：
质子交换膜燃料电池气体扩散层表面水去除的优化结构，燃料电池的流道被质子交换膜分割成阴极和阳极两个区域，阴极区域由极板、阴极流道2、阴极气体扩散层、阴极催化层构成，气体扩散层1位于阴极流道2的下方。如图1所示，一种质子交换膜燃料电池气体扩散层结构，气体扩散层1为阴极流道的基底层，该气体扩散层1的材料为碳纤维，在气体扩散层1表面设有微凸起织构3，用于强化液态水离开气体扩散层1表面，改善质子交换膜燃料电池阴极“水淹”现象。阴极流道2宽度和高度均为1.0mm，长度为6.0mm。微凸起织构3的面积占所述气体扩散层1表面积的15％～45％。微凸起织构3在气体扩散层1表面为正弦波形状。微凸起织构3横截面为矩形。微凸起织构3正弦波周期T＝1～6，微凸起织构正弦波峰值A＝50～150μm，微凸起织构间隔S＝250μm，微凸起织构宽度L＝25～200μm，微凸起织构高度H＝10～30μm。优选微凸起织构3正弦波周期T为1.5，峰值A为75μm，间隔S为250μm，宽度L为25μm，高度H为15μm。
如图2、3所示，本发明正弦波微结构与传统直流道内液态水行为预测对比图和本发明正弦波微结构流道中气体扩散层表面水覆盖率与传统直流道对比图，该结构在气体扩散层表面液态水去除方面具有一定的优势。图4为本发明正弦波微结构流道压降升高率，压降升高率PDR通过如下公式计算得到：
Figure BDA0003155537860000031
P1(Pa)是本发明正弦波微结构流道压降，P2(Pa)是传统直流道压降。图中x轴为时间步，Y轴为压降升高率。正弦波微结构压降升高率整体在11％～21％间，压降升高率较小，有利于减少功率损耗，提高燃料电池整体工作性能。
实施例2：
如图5所示，一种质子交换膜燃料电池流道内部结构，阴极流道2宽度和高度均为1.0mm，长度为6.0mm，阴极流道2选取真实流道中一段进行仿真。亲水管4嵌入在阴极流道2内并固定在阴极流道2顶部，亲水管4平行分布在流道横截面方向，沿流向，亲水管2横截面为圆形且横截面面积保持不变，用于强化液态水离开气体扩散1表面，改善质子交换膜燃料电池阴极“水淹”现象。亲水管4结构高度H＝350～550μm，亲水管4直径D＝50～150μm，亲水管4间距S＝150～350μm，亲水管4接触角为10°～30°。亲水管4高度H为400μm，直径D为75μm，间距S为300μm，接触角为30°。如图6、7所示，本发明亲水管流道与传统直流道内液态水行为预测对比图和本发明亲水管流道中气体扩散层表面水覆盖率与传统直流道对比图，该结构在气体扩散层表面液态水去除方面具有一定的优势。图8为本发明亲水管流道压降升高率，相较于图4中正弦波微结构压降升高率，亲水管流道压降升高率数值较大，说明正弦波微结构流道在气体扩散层表面液态水去除和减小功率损耗方面具有一定的优势。
实施例3：在阴极流道2的顶部装有实施例2中的亲水管4，在阴极流道2的底部装有实施例1中的微凸起织构3，利用亲水管4和微凸起织构3联合作用实现气体扩散层表面液态水去除和减小功率损耗。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种提升水去除效果的质子交换膜燃料电池的阴极流道，燃料电池的流道被质子交换膜分割成阴极和阳极两个区域，阴极区域由极板、阴极流道（2）、气体扩散层（1）、阴极催化层构成，气体扩散层（1）为阴极流道（2）的基底层；其特征在于，在气体扩散层（1）的表面设有微凸起织构（3），用于强化液态水离开气体扩散层表面，改善质子交换膜燃料电池阴极“水淹”现象；所述微凸起织构（3）在气体扩散层（1）表面为正弦波形状，所述微凸起织构（3）的面积占所述气体扩散层（1）表面积的15%～45%；微凸起织构（3）正弦波周期T=1～6，所述微凸起织构（3）的正弦波峰值A=50～150μm，所述微凸起织构（3）的间隔S=250μm，所述微凸起织构（3）的宽度L=25～200μm，所述微凸起织构（3）的高度H=10～30μm；
在阴极流道（2）的顶部设置亲水管（4），且所述亲水管（4）嵌在阴极流道（2）内，用于强化液态水离开气体扩散层表面，改善质子交换膜燃料电池阴极“水淹”现象；所述亲水管（4 ）平行分布在阴极流道（2）的横截面方向；所述亲水管（4 ）的结构高度H=350～550μm，所述亲水管（4 ）的直径D=50～150μm，所述亲水管（4 ）的间距S=150～350μm，所述亲水管（4 ）的接触角为10°～30°；所述阴极流道（2）的宽度和高度均为1.0mm，长度为6.0mm。
2.根据权利要求1所述的阴极流道，其特征在于，所述气体扩散层（1）的材质为碳纤维材质或碳纸。
3.根据权利要求1所述的阴极流道，其特征在于，所述微凸起织构（3）的横截面为矩形。
4.根据权利要求1所述的阴极流道，其特征在于，沿流向，所述亲水管（4）的横截面为圆形、椭圆、矩形或三角形，且横截面面积保持不变。
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