CN113675424B - 一种基于正弦波纹的衍生型波纹流场板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于正弦波纹的衍生型波纹流场板，用于主动式直接甲醇燃料电池的阳极流场板，所述的衍生型波纹流场板设置有流道，所述的流道内设置有扰流结构。所述的扰流结构为规律分布的波纹结构，形成波纹流道。所述波纹结构由两个及以上标准的正弦函数线性相加构成。本发明克服了标准正弦波纹流场存在速度死区的缺陷，提出的衍生型波纹流场增加了扰流结构迎风面的长度，降低了迎风面的曲率变化，减少了背风面的长度，使得CO₂气柱能够充分地贴合壁面，减少了流场内的速度死区，降低了流体动能的耗散和阻力。因此，衍生型波纹流场板中的扰流结构更有利于传质过程的进行，从而提高电池的输出性能。

Description

一种基于正弦波纹的衍生型波纹流场板

技术领域

本发明涉及直接甲醇燃料电池技术领域，具体涉及一种基于正弦波纹的衍生型波纹流场板。

背景技术

直接甲醇燃料电池以甲醇为阳极燃料，因其工作温度低(一般在室温工作)、理论比能量高、携带方便和使用安全等特点，应用前景广阔，被业界认为是最有希望率先实现市场化的一类燃料电池。

直接甲醇燃料电池的阳极产物二氧化碳气体，通过多孔气体扩散层进入到流道，若流场内的气体产物未能及时有效脱离和排出，将会直接影响反应物的分布和供给，进而导致电池性能下降，甚至停止工作。因此，产物管理问题一直是直接甲醇燃料电池亟待解决的技术难题，不容忽视。

目前，绝大多数研究人员在解决产物管理问题时都是从催化层、扩散层的结构着手解决。对于流场板的研究大部分集中于流场宏观形状和整体分布的优化，较少涉及流道本身的几何构型。

现有的一种波纹流场板(CN109390603A)，该波纹流场板中的扰流结构使得流道的壁面速度梯度增加，进而增加了璧面的剪切速率，加速了阳极侧的生成物——二氧化碳气体的排放，缓解阳极侧因二氧化碳气体堵塞所导致的燃料供给不足,电池性能下降的情况。然而，该波纹流道的壁面轮廓函数为标准的正弦式表达式，即A·sin(ωt+φ)，通过可视化实验研究发现，标准正弦流场会不可避免地出现气泡轮廓不贴合流道壁面的情况，产生了较大范围的速度死区。针对上述缺陷，使用数码显微镜对流场中间处的气柱拍摄记录，然后选取部分CO₂气柱轮廓变形明显的区域，作为改进设计的依据。对此段轮廓进行等距取点，每两点间的相隔距离为0.06mm，最终得到一系列离散点的坐标值。利用C语言编写拟合运行脚本，使用1stopt软件对离散点进行曲线拟合。气柱轮廓的拟合目标方程函数如下：

是由两个及以上标准的正弦函数线性相加构成的。拟合结果中，残差平方和均小于4·10^-6，残差平方和的值是通过拟合数据和原始数据之间误差的平方求和得出的。同时，相关系数均大于0.9999，表明了拟合数据和原始数据高度相关性，表明拟合出的函数方程对原CO₂气柱轮廓离散点的解析能力较强。

发明内容

为了有效缓解主动式直接甲醇燃料电池阳极侧产物气体堵塞流场的现象，强化传质过程，进一步提高电池的输出性能。本发明公开了一种基于正弦波纹的衍生型波纹流场板。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种基于正弦波纹的衍生型波纹流场板，用于主动式直接甲醇燃料电池的阳极流场板，所述的衍生型波纹流场板设置有流道，所述的流道内设置有扰流结构，所述扰流结构为波纹结构。

优选的，所述波纹结构包括两个及以上的标准正弦函数线性相加构成，波纹结构的几何特征函数为：

其中a、b、c、d、x₁～x₄、w₁～w₄为常数。

优选的，所述的衍生型波纹流场板的材料为导电、耐腐蚀材料。

优选的，所述的导电材料包括碳材料、金属、合金、不锈钢导电材料以及导电、耐腐蚀的复合材料。

优选的，所述衍生型波纹流场板表面的表面粗糙度最高为Ra0.4。

优选的，所述流道的表面粗糙度最高为Ra0.8。

优选的，所述的衍生型波纹流场板中的流道呈曲折形或蜿蜒形分布。

优选的，所述的衍生型波纹流场板流道的各拐角为圆角过渡。

一种含有所述的衍生型波纹流场板的主动式直接甲醇燃料电池，包括第一端板、第一PVC硅胶垫、阴极流场板、第一PTFE垫、膜电极组件、第二PTFE垫、阳极流场板、第二PVC硅胶垫、第二端板、螺栓组，所述阳极流场板为所述的衍生型波纹流场板。

优选的，所述阳极流场板两对角均开有燃料的进口圆孔和出口圆孔。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、传统的直接甲醇燃料电池中，流场板和集电板分离，使得电池整体质量增加，电池内部电阻增大。本发明设计的衍生型波纹流场板既起到均匀分布反应物和产物的作用，亦可取代集电板起到收集电流的作用。

2、对于流场板的传统研究大部分集中于流场宏观形状和整体分布的优化，较少涉及流道本身的几何构型。本发明提出在单根流道中加入扰流结构，并由此发展为结构几何特征函数为

的衍生型波纹流道。

3、本发明克服了标准正弦波纹流场存在速度死区的缺陷，提出的衍生型波纹流场增加了扰流结构迎风面的长度，降低了迎风面的曲率变化，减少了背风面的长度，使得CO₂气柱能够充分地贴合壁面，减少了流场内的速度死区，降低了流体动能的耗散和阻力。

附图说明

图1是主动式直接甲醇燃料电池正视图；

图2是本发明实施例的衍生型波纹流场板正视图；

图3是本发明实施例的标准正弦波纹流场板正视图；

图4是本发明实施例的普通直角流道流场板正视图；

图5是本发明提出的衍生型波纹流场板和标准正弦波纹流场板的流道局部放大示意图；

图6是在不同甲醇供给流量下，主动式直接甲醇燃料电池使用标准正弦波纹流场板对应的电池性能输出曲线；

图7是在不同甲醇供给流量下，主动式直接甲醇燃料电池使用衍生型波纹流场板对应的电池性能输出曲线；

图8是在不同甲醇供给浓度下，主动式直接甲醇燃料电池使用标准正弦波纹流场板对应的电池性能输出曲线；

图9是在不同甲醇供给浓度下，主动式直接甲醇燃料电池使用衍生型波纹流场板对应的电池性能输出曲线；

图中所示为：1-第一端板；2-第一PVC硅胶垫；3-阴极流场板；4-膜电极组件；5-阳极流场板；6-第二PVC硅胶垫；7-第二端板；8-螺栓组；9-第二PTFE垫；10-第一PTFE垫。

具体实施方式

为进一步理解本发明，下面结合附图对本发明做进一步说明。但是需要说明的是，本发明要求保护的范围并不局限于以下实施例表述的范围。

如图1所示，所述的主动式直接甲醇燃料电池，其组成结构从左到右依次为，第一端板1、第一PVC硅胶垫2、阴极流场板3、第一PTFE垫10、膜电极组件4、第二PTFE垫9、阳极流场板5、第二PVC硅胶垫6、第二端板7、螺栓组8，以上各部件通过8个M4螺栓构成的螺栓组锁紧，每个螺栓通过扭力扳手拧紧，扭矩为1.6N·m。

所述阳极流场板5设置有流道，所述的流道内设置有规律分布的扰流结构，流道各拐角处为圆角过渡。所述的扰流结构为规律分布的波纹结构，形成波纹流道。所述波纹结构的几何特征函数为：

其中a、b、c、d、x₁～x₄、w₁～w₄为常数。

所述波纹流道呈曲折形或蜿蜒形分布。

所述阳极流场板5材料为导电、耐腐蚀材料。所述的导电材料包括碳材料、金属、合金、不锈钢导电材料以及导电、耐腐蚀的复合材料。

所述衍生型波纹流场板表面的表面粗糙度为Ra0.4，所述流道的表面粗糙度为Ra0.8。

所述阳极流场板5两对角均开有燃料的进口圆孔和出口圆孔。

其中第一端板1和第二端板7材料均采用高透光率的透明亚克力板，可实现可视化，其长宽为60mm×60mm，厚度为15mm，四周加工有8个直径5mm的螺栓孔。

其中，所述的膜电极组件4包括膜电极和PTFE密封垫(厚度为0.2mm)。本实例中自制的所有膜电极均为气体扩散电极，主要包括阳极气体扩散电极、阴极气体扩散电极和质子交换膜。

其中，气体扩散电极包括基底和催化层，所述基底包括支撑层和微孔层。支撑层采用日本Toray公司的TGP-H-060型号燃料电池专用碳纸。微孔层主要成分为导电炭黑(Vulcan XC72，美国E-TEK)，形成于支撑层一侧表面。催化剂粉末(美国Johnson Matthey)和适量异丙醇分析纯试剂混合、悬浮均匀后，形成催化剂浆料，将其均匀喷涂在微孔层表面，形成催化层。

阳极催化层使用Pt-Ru催化剂，载量为4mg·cm^-2，阴极催化层使用Pt催化剂，载量为2mg·cm^-2。

质子交换膜采用美国DuPont公司的商用Nafion 117型电解质膜。质子交换膜在使用前需要进行预处理，依次浸泡于体积分数5％的双氧水，去离子水，0.5mol·L^-1的稀硫酸溶液和去离子水中各1h，浸泡期间各溶液都处在80℃，以分别去除质子交换膜表面的有机物杂质、残留的双氧水试剂、金属杂质和残留的硫酸。预处理好后的质子交换膜浸泡于去离子水中保存，使用时取出放于空气中自然晾干。

制备好的阳极气体扩散电极和阴极气体扩散电极将各自催化层一侧面对质子交换膜，各端对齐放置后放入热压机中，热压后形成膜电极，热压压力为10Mpa，温度为120℃，时间为2min。制备后的膜电极放入密封样品袋中保存。

在不同的甲醇供给流量下，研究本发明提出的衍生型波纹流场板与标准正弦式波纹流场板的电池输出性能。如图2所示，在实验组中，主动式直接甲醇燃料电池阳极侧的流场板采用本发明的衍生型波纹流场板。在本实施例中，其波纹特征呈基于正弦函数0.15sin(5x)拟合得到的函数

拟合结果如表1所示。主动式直接甲醇燃料电池阴极侧的流场板采用传统直角流场板，如图4所示。设立实验对照组，对照组中的主动式直接甲醇燃料电池阳极侧的流场板采用标准正弦式波纹流场板，其波纹几何特征函数为Asin(ωx)，其中A取0.15，ω取5，如图3所示，其阴极侧的流场板仍采用传统直角流场板，如图4所示。阳极流场板中的流道宽度为1.2mm，阳极流场板左下和右上均开有燃料的进口圆孔和出口圆孔，其半径为1mm，阳极流场板厚度为1.5mm。甲醇供给浓度设置为2M，甲醇供给流量值共设置5组，分别为0.2mL·min^-1、0.5mL·min^-1、1mL·min^-1、2mL·min^-1、4mL·min^-1。阴极氧气供给流量均为100sccm。两者的电池输出性能如图6和图7所示。由对应的性能输出曲线得知，衍生型波纹流场在每一个甲醇供给速率下，电池性能均高于A＝0.15和ω＝5的标准正弦流场，且两种波纹流场板对应的电池均在甲醇供给速率为1mL·min^-1时取得最佳的输出性能。其中，标准正弦式波纹流场功率密度为17.12mW·cm^-2，优化后的衍生型波纹流场功率密度为19.7mW·cm^-2，相比前者提升了15.07％。明显可见，衍生型波纹流场板可以有效缓解标准正弦式波纹流场板存在速度死区的问题，进而提升电池性能。

在不同的甲醇供给浓度下，研究本发明提出的衍生型波纹流场板与标准正弦式波纹流场板的电池输出性能。如图2所示，在实验组中，主动式直接甲醇燃料电池阳极侧的流场板采用本发明的衍生型波纹流场板。在本实施例中，其波纹特征呈基于正弦函数0.15sin(5x)拟合得到的函数

拟合结果如表1所示。主动式直接甲醇燃料电池阴极侧的流场板采用传统直角流场板，如图4所示。设立实验对照组，对照组中的主动式直接甲醇燃料电池阳极侧的流场板采用标准正弦式波纹流场板，其波纹几何特征函数为Asin(ωx)，其中A取0.15，ω取5，如图3所示，其阴极侧的流场板仍采用传统直角流场板，如图4所示。阳极流场板中的流道宽度为1.2mm，阳极流场板左下和右上均开有燃料的进口圆孔和出口圆孔，其半径为1mm，阳极流场板厚度为1.5mm。甲醇供给流量设置为实施例一中，性能输出最优时对应的甲醇供给流量，即为1mL·min^-1。甲醇供给浓度设置6组，分别为0.5mol·L^-1、1mol·L^-1、2mol·L^-1、4mol·L^-1、6mol·L^-1、8mol·L^-1。阴极氧气供给流量均为100sccm。两者的电池输出性能如图8和图9所示。由对应的性能输出曲线得知，在各个甲醇浓度供给条件下，改进型波纹流场电池性能均高于A＝0.15和ω＝5的标准正弦波纹流场。在6M下，优化后的衍生型波纹流场功率为37.07mW·cm^-2，而标准的正弦流场则为32.34mW·cm^-2，相比之下，优化后的电池性能升了14.63％。尤其是在甲醇浓度为4M时，电池性能提升更为明显。标准的正弦流场DMFC功率密度峰值为25.21mW·cm^-2，而优化后的衍生型波纹流场DMFC功率密度峰值为32.97mW·cm^-2，后者性能提升了30.78％。明显可见，衍生型波纹流场板可以有效缓解标准正弦式波纹流场板存在速度死区的问题，进而提升电池性能。

表1衍生型波纹流场流道壁面函数拟合结果

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.一种基于正弦波纹的衍生型波纹流场板，用于主动式直接甲醇燃料电池的阳极流场板，其特征在于，所述的衍生型波纹流场板设置有流道，所述的流道内设置有扰流结构，所述扰流结构为波纹结构；

所述波纹结构包括两个及以上的标准正弦函数线性相加构成，波纹结构的几何特征函数为：

其中a、b、c、d、x₁～x₄、w₁～w₄为常数，拟合出的特征函数对反应产物CO₂气柱轮廓离散点相关系数大于0.9999。

2.根据权利要求1所述的衍生型波纹流场板，其特征在于：所述的衍生型波纹流场板的材料为导电且耐腐蚀材料。

3.根据权利要求2所述的衍生型波纹流场板，其特征在于：所述的导电且耐腐蚀材料包括碳材料、金属、合金、不锈钢导电材料。

4.根据权利要求3所述的衍生型波纹流场板，其特征在于：所述衍生型波纹流场板表面的表面粗糙度最高为Ra0.4。

5.根据权利要求4所述的衍生型波纹流场板，其特征在于：所述流道的表面粗糙度最高为Ra0.8。

6.根据权利要求5所述的衍生型波纹流场板，其特征在于：所述的衍生型波纹流场板中的流道呈曲折形或蜿蜒形分布。

7.根据权利要求1～6任一项所述的衍生型波纹流场板，其特征在于：所述的衍生型波纹流场板流道的各拐角为圆角过渡。

8.一种含有权利要求7所述的衍生型波纹流场板的主动式直接甲醇燃料电池，包括第一端板、第一PVC硅胶垫、阴极流场板、第一PTFE垫、膜电极组件、第二PTFE垫、阳极流场板、第二PVC硅胶垫、第二端板、螺栓组，其特征在于，所述阳极流场板为所述的衍生型波纹流场板。

9.根据权利要求8所述的主动式直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述阳极流场板两对角均开有燃料的进口圆孔和出口圆孔。

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