CN113675421B - 一种双重强化对流的质子交换膜燃料电池流道 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种双重强化对流的质子交换膜燃料电池流道，包括置于流场板上的电池流道，所述电池流道两侧设有若干个弧形缺口单元阵列，每个弧形缺口单元的一侧为斜面，两侧相邻的两个弧形缺口单元通过斜面形成通道；在流道入口处，气体经过弧形缺口在横向上强化对流传递，同时在纵向的斜面通道强化向下层催化层的传递效应，使得催化层内氧气的分布更为充分，显著增强了流道中气体的速度，有利于气体的扩散传输和产物水的排出，从而提高了电池性能。

Description

一种双重强化对流的质子交换膜燃料电池流道
技术领域
本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种双重强化对流的质子交换膜燃料电池流道。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种高效节能的能量转化装置，其使用氢气和空气(氧气)作为燃料，将储蓄其中的化学能转化为电能。
质子交换膜燃料电池的基本反应原理：在阳极氢气从流道经由扩散层扩散至催化层，在催化层内被催化离解为质子和电子，质子通过质子交换膜达到阴极，电子通过外电路达到阴极；阴极的空气或氧气从流道经由扩散层达到催化层，在催化剂的作用下在催化层表面与质子、电子发生反应，产生水和热。
在质子交换膜燃料电池中，当阳极为氢气，阴极为空气时，按照化学计量比设定的氢气一般是充足的，因此质子交换膜燃料电池的性能在很大程度上取决于阴极催化层的氧气浓度分布情况。在高电流密度下，随着氧气的大量消耗，电池出口端附近的催化层往往会出现供气不足的问题，影响电池的性能。通过检测催化层的氧气分布可以在一定程度上判别电池性能的优劣。
最常见的流场类型是直流道，它具有较多的相互平行的流场通道，流程距离短，同时直流道结构简单。但是，直流道流场在高电流密度时氧气容易供应不足，限制电池性能进一步提升。通过改进电池流道结构，可以改善阴极催化层中的氧气分布，从而提高了电池的性能。
一种质子交换膜燃料电池流道(CN108550875A)，该发明通过在阴极流道中间隔设置不同数量的堵块，使得在堵块处流道的截面积，进而增大气体在通过流道过程中的速度，达到气体更易传递到扩散层的效果，提高了气体的利用率，提高了电池的整体性能水平。但是并没有展现出对电池性能的具体提升，缺乏性能数据的支撑。本发明针对流道的横向和纵向设计了一种双重强化对流的流道，对气体的浓度和速度分布进行了分析，并且配有相关的性能对比，对该发明能够有效提升电池性能提供了有力的支撑。
发明内容
本发明提供了一种双重强化对流的质子交换膜燃料电池流道，针对流道的横向和纵向设计一种双重强化对流的流道，对气体的浓度和速度分布进行了分析，并且配有相关的性能对比，对该发明能够有效提升电池性能提供了有力的支撑。
本发明至少通过如下技术方案之一实现。
一种双重强化对流的质子交换膜燃料电池流道，包括置于流场板上的电池流道，所述电池流道两侧设有若干个弧形缺口单元阵列，每个弧形缺口单元的一侧为斜面，两侧相邻的两个弧形缺口单元通过斜面形成通道；在流道入口处，气体经过弧形缺口在横向上强化对流传递，同时在纵向的斜面通道强化向下层催化层的传递效应，使得催化层内氧气的分布更为充分。
优选的，电池流道两侧的弧形缺口单元错位分布排列。
优选的，所述弧形缺口单元的弧形缺口为椭圆弧形缺口。
优选的，椭圆弧半长轴长度为0.1～0.5mm，短轴半长度为0.1～0.6mm。
优选的，弧形缺口单元之间的线段长度与椭圆弧半长轴保持一致。
优选的，所述通道的形状在纵向上表现为下沉式三角形阵列。
优选的，所述通道的宽度为0.5～2mm，高为0.5～2mm。
优选的，下沉式三角形阵列周期与椭圆弧阵列周期保持一致。
优选的，所述通道的形状在纵向上表现为下沉式矩形。
优选的，所述弧形缺口单元的弧形缺口为圆弧形缺口。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
与传统直流道相比，本发明对流道进行了横向和纵向两个层面的结构设计。在流道入口处，气体经过弧形缺口设计在横向上强化了气体的横向对流传递，使得催化层内氧气的分布更为充分；另外在纵向上在三角形下沉设计的作用下强化了气体向下层催化层的扩散传递效应，同时组合设计使得流道内的速度增大，有利于促进气体扩散和产物水的排出，从而有效提高了电池性能。
附图说明
通过以下附图的详细描述，清晰的反映出本发明的特征与效果:
图1为传统的直流道质子交换膜燃料电池结构示意图；
图2为本发明实施例1双重强化的质子交换膜燃料电池结构示意图；
图3为本发明实施例2双重强化的质子交换膜燃料电池结构图；
图4为本发明实施例3双重强化的质子交换膜燃料电池结构图；
图5为本发明实施例4双重强化的质子交换膜燃料电池结构图；
图6为本发明实施例双重强化的质子交换膜燃料电池结构的流道速度分布图；
图7为传统的直流道质子交换膜燃料电池结构的流道速度分布图；
图8为本发明实施例4流道速度分布图；
图9为本发明实施例双重强化的质子交换膜燃料电池结构与传统的直流道质子交换膜燃料电池结构的极化曲线和功率密度图；
图10为本发明实施例双重强化的质子交换膜燃料电池结构俯视图；
图11为本发明实施例双重强化的质子交换膜燃料电池结构主视图。
具体实施方式
为使本发明实例的目的、技术方案和优点表述的更加清楚，下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和相对设置、数值不限制本发明的范围。
以下实施例有助于本领域的技术人员深入了解，但不以任何形式限制本发明。必须指出的是，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明设计思路的前提下，做出的任何变形和改进，都属于本发明的保护范围。
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
普通的直流道流场，流程距离短，同时直流道结构简单。但是，直流道流场在高电流密度时氧气容易出现供应不足的问题，限制电池性能进一步提升。通过改进电池流道的结构，可以对阴极催化层中氧气的分布进行改善提升，促进电化学反应，从而提高电池的性能。
如图11所示的一种双重强化对流的质子交换膜燃料电池流道，包括置于流场板上的电池流道，所述电池流道上下表面有对称的缺口阵列，每个缺口阵列的两侧设有若干个弧形缺口单元阵列，所述弧形缺口单元的弧形缺口为椭圆弧形缺口，椭圆弧半长轴长度为0.1～0.5mm，半短轴长度为0.1～0.6mm；电池流道两侧的弧形缺口单元错位分布排列，每个弧形缺口单元的一侧为斜面，两侧相邻的两个弧形缺口单元通过斜面形成通道，所述通道的形状为下沉式三角形，通道的宽度为0.5～2mm，高为0.5～2mm，所述通道的形状不仅限于上述形式。
针对普通的直流道型质子交换模所出现的缺点，如图10所示，所述电池流道在横向上呈类波形的弧形缺口单元阵列(椭圆弧或圆弧缺口等)，每个弧形缺口单元的一侧为斜面，在纵向上呈三角形(或矩形等)下沉阵列分布，横向与纵向组合设计。在流道入口处，气体经过弧形缺口单元在横向上强化了对流传递，同时在纵向上在三角形下沉设计的作用下强化了向下层催化层的传递效应，使得催化层内氧气的分布更为充分，从而提高了电池的性能。
如图2～图5所示是本发明的实施例双重强化流道电池的结构图(已隐藏阴极极板)，如图1所示是传统的对比例直流道电池的结构图(已隐藏阴极极板)。两极的流道结构相同。
作为实施例1，如图2所示，所述弧形缺口单元阵列为两列椭圆弧陷阱阵列，两列椭圆弧陷阱阵列的椭圆弧单元的错位分布。每个椭圆弧单元椭圆的半长轴为0.2mm，半短轴为0.5mm，三角形下沉的底边长为0.4mm，高为0.8mm，阵列数量均为36个，每个弧形缺口单元的上下椭圆弧错位分布。
作为实施例2，如图3所示，所述弧形缺口单元阵列为两列椭圆弧陷阱阵列，两列椭圆弧陷阱阵列的椭圆弧单元的错位分布。每个椭圆弧单元椭圆的半长轴为0.1mm，半短轴为0.5mm，三角形下沉的底边长为0.4mm，高为0.6mm，阵列数量均为72个，每个弧形缺口单元的上下椭圆弧错位分布。
作为实施例3，如图4所示，所述弧形缺口单元阵列为两列椭圆弧陷阱阵列，两列椭圆弧陷阱阵列的椭圆弧单元的错位分布。每个椭圆弧单元椭圆的半长轴为0.1mm，半短轴为0.5mm，三角形下沉的底边长为0.4mm，高为0.9mm，阵列数量均为72个，每个弧形缺口单元的上下椭圆弧错位分布。
作为优选的实施例4，如图5所示，所述弧形缺口单元阵列为两列椭圆弧陷阱阵列，两列椭圆弧陷阱阵列的椭圆弧单元的错位分布。每个椭圆弧单元椭圆的半长轴为0.1mm，半短轴为0.5mm，三角形下沉的底边长为0.4mm，高为0.8mm，阵列数量均为72个，上下椭圆弧错位分布。
本发明采用有限元分析的方法对实施例与对比例的性能进行数值模拟分析，从而做出评估。有限元分析采用的软件为COMSOL。实施例与对比例的仿真参数保持一致。
如图6所示，是实施例1～4与对比例在催化层的氧气分布情况。可以看出本发明的双重强化对流的质子交换膜燃料电池流道实施例4中的氧气在催化层中的整体浓度更大，分布更加均匀。改善了电池催化层供气不足、反应气体分布不均匀的情况，更多的氧气促进了电化学反应进程，对电池性能有着提升作用，实施例3虽然入口端催化层中氧气浓度更大，但整体分布较为不均，因此在对电池性能的提升上并不如实施例4。
如图7、图8所示，是实施例4与对比例在流道中的速度分布情况。可以看出本发明的一种双重强化对流的质子交换膜燃料电池流道的实施例4，实现了在流道速度上的显著提升，这有助于促进气体的扩散和产物水的排出，从而有益于电池性能的提升，
如图9所示，是实施例1～4和对比例的极化曲线与功率密度图，从图中可以看出在同样的条件下，实施例4双重强化流道的功率密度能达到0.58W/cm2，相比对比例直流道(0.47W/cm2)而言提高了23.5％。从而证明了本发明的流道结构在提升电池性能上的有效性。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围内。

Claims (7)

1.一种双重强化对流的质子交换膜燃料电池流道，其特征在于：包括置于流场板上的电池流道，所述电池流道在横向上表现为两侧设有若干个弧形缺口单元阵列，在纵向表现为每个弧形缺口单元的一侧为斜面，两侧相邻的两个弧形缺口单元通过斜面形成通道；在流道入口处，气体经过弧形缺口在横向上强化对流传递，同时在纵向的斜面通道强化向下层催化层的传递效应，使得催化层内氧气的分布更为充分；电池流道两侧的弧形缺口单元错位分布排列。
2.根据权利要求1所述的双重强化对流的质子交换膜燃料电池流道，其特征在于：所述弧形缺口单元的弧形缺口为椭圆弧形缺口。
3.根据权利要求2所述的双重强化对流的质子交换膜燃料电池流道，其特征在于：椭圆弧半长轴长度为0.1~0.5mm，短轴半长度为0.1~0.6mm。
4.根据权利要求3所述的双重强化对流的质子交换膜燃料电池流道，其特征在于：弧形缺口单元之间的线段长度与椭圆弧半长轴保持一致。
5.根据权利要求4所述的双重强化对流的质子交换膜燃料电池流道，其特征在于：所述通道的形状在纵向上表现为下沉式三角形阵列。
6.根据权利要求5所述的双重强化对流的质子交换膜燃料电池流道，其特征在于：所述通道的宽度为0.5~2mm，高为0.5~2mm。
7.根据权利要求6所述的双重强化对流的质子交换膜燃料电池流道，其特征在于：下沉式三角形阵列周期与椭圆弧阵列周期保持一致。
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