CN114050282A - 具有液态水自适应组合导流结构的燃料电池流场板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有液态水自适应组合导流结构的燃料电池流场板，流场板的结构包括：反应物进口和出口，流场板上分布的若干脊和流道，流道上的若干组合导流结构，组合导流结构由挡块和自适应结构组成。当流道中有积存的液态水时，组合导流结构中的自适应结构吸水膨胀，使流道局部截面积进一步缩小。当流道中不再有积存的液态水时，自适应结构能够在电池自身运行温和反应气体吹扫下脱水收缩，流道横截面积变大。本发明添加的组合导流结构在吸水膨胀前已具备促进反应物向扩散层传输和液态水的排出的功能，自适应结构吸水膨胀后，流道面积进一步缩小，进一步促进传质，提升电池性能；流道中含水量降低时，减小流体流动阻力，促进小液滴排出。
Description
技术领域：
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种具有液态水自适应组合导流结构的燃料电池流场板。
背景技术：
质子交换膜燃料电池，由于其高能量转换效率和零碳排放，已被认为是最具有前景的发电设备中的一种。质子交换膜燃料电池已成功应用于许多领域，如军事、航空航天和车辆。为了进一步促进质子交换膜燃料电池的应用，如何进一步提高质子交换膜燃料电池的输出性能是其研究的最重要问题之一。
过去几十年里，研究人员研究了不同流场的质子交换膜燃料电池的传质和性能，如平行流场、蛇形流场和交指流场，发现流场设计影响质子交换膜燃料电池的物料输运和电池性能，良好的流场结构能够增强反应物传输并促进电化学反应。近年来研究发现，在流道中添加挡板能够改变气体反应物在流道中的流动方向，使其传输向扩散层，促进电化学反应的进行，同时由于挡板使得流道局部的截面积减小，增大了局部气流速度，促进反应副产物液态水的排除，从而提高了电池性能。
但挡板的存在也会产生气体流动阻力且对液态水的排除也有阻碍。尤其是当电流密度较低时，挡板阻碍小液滴的排出，对电池性能的提升作用较小。对挡板的研究集中在挡板的大小、形状、数量和排列方式等，目前具有挡块的流场板在电池运行过程中不能随工况发生自适应变化，进一步提升电池性能。
发明内容：
本发明的目的在于，针对以上不足，提出了一种具有组合导流结构的流场板结构，能够根据流道内液态水含量发生自适应变化，达到提升电池性能目的。
具体技术方案如下：
本发明为一种具有液态水自适应组合导流结构的燃料电池流场板，包括反应物的进口和出口，流场板上设有若干的脊和流道，流道上用胶固定的自适应结构与若干挡块组成的自适应组合导流结构。
进一步，在流场板中添加自适应结构，当流道中有积存的液态水时，自适应结构吸水膨胀，使自适应结构与挡块处的流道横截面积之差发生改变，促进排水；当流道中不再有积存的液态水时，自适应结构能够在电池运行温度下加热或者反应气体吹扫的情况下脱水收缩，使自适应结构与挡块处的流道横截面积之差恢复常态，从而使流阻回落。通过以上过程实现组合式导流结构对不同工况的自动适应，以提升电池性能。
进一步，挡块与流场板加工为一体。
进一步，挡块在脊侧面上的投影为矩形、梯形、三角形、半圆形、波浪形、流线型或以上形状的组合形状。
进一步，自适应结构在电池工作温度下，不会溶解。自适应结构采用湿敏材料对膜电极无害的材料，在水淹环境中6min～8min内达到吸水饱和，在80℃的条件下完全吸水的线膨胀度为40％～260％。
进一步，挡块和自适应结构的高度不超过流道深度的2/5；二者的宽度与流道宽度相等；二者的长度与流道长度的比值为1/50～1/10。
进一步，自适应结构在流道中含水量较低时，内部水分能够在电池自身运行温度作用下或者反应气体吹扫下快速蒸发，使其脱水收缩。
进一步，相邻挡块之间具有凹槽结构，自适应结构的一部分是与凹槽相吻合的凸起结构，自适应结构的凸起结构使用对膜电极无害的胶粘到流道的凹槽结构上。
进一步，凹槽结构的最佳尺寸为：长度为0.3mm～5mm，宽度为0.3mm～0.5mm，深度为0.1mm～0.4mm。
进一步，自适应结构部分覆盖或者完全覆盖在同一条流道上两个相邻的挡块之间的流道平面区域，在相邻流道相对或交错布置。
进一步，自适应组合导流结构的电池流道适用于径向流场、点状流场、交指流场、蛇形流场、平行流场、仿生流场、组合流场。
本发明的优点在于：当流道中有积存的液态水时，自适应组合导流结构中的湿敏材料吸水膨胀，使流道局部面积进一步缩小，提高流速，促进传质，提升电池性能。当流道中不再有积存的液态水时，自适应结构在燃料电池自身运行温度和反应气体的吹扫下脱水收缩，流道局部面积增大，减少两相流动阻力，提升流场的排水能力，同时减少泵功消耗，提升电池净功率。
附图说明：
图1是实施例一中自适应结构吸水膨胀前的燃料电池流场板结构示意图；
图2是实施例一中自适应结构吸水膨胀前的燃料电池流场板结构轴测图；
图3是实施例一中自适应结构饱和吸水后的燃料电池流场板结构示意图；
图4是实施例一中自适应结构饱和吸水后的燃料电池流场板结构轴测图；
图5是实施例一中A区域自适应结构饱和吸水膨胀前后局部对比图(左图：吸水前；右图：饱和吸水后)；
图6是实施例一中自适应结构吸水前的固定方式示意图；
图7是实施例二中自适应结构吸水膨胀前的燃料电池流场板结构示意图；
图8是实施例二中自适应结构吸水膨胀前的燃料电池流场板结构轴测图；
图9是实施例二中自适应结构饱和吸水后的燃料电池流场板结构示意图；
图10是实施例二中自适应结构饱和吸水后的燃料电池流场板结构轴测图；
图11是实施例二中D区域自适应结构饱和吸水膨胀前后局部对比图(左图：吸水前；右图：饱和吸水后)；
图12是实施例二中自适应结构吸水前的固定方式示意图；
图中：1反应物进口、2反应物出口、3脊、4流道、5挡块、6自适应结构、7胶。
具体实施方式：
以下结合附图与案例对本发明的具体实施方式做进一步的描述：
实施例一：
如图1和图2所示，将自适应结构6布置在挡块5背风面的一侧并与挡块5形成自适应组合导流结构，从而使流场具有一定的液态水自适应能力。反应物从进口1进入相邻脊3之间形成的流道4，沿流道4水平传输，在流经挡块5时，产生向扩散层传输的速度分量。反应物进入扩散层，到达催化层进行电化学反应，生成的液态水通过扩散层进入流道4，并随反应气体一起从出口2流出。自适应组合导流结构吸水膨胀前，其迎风侧为流线型的挡块5，流线型能够减小流动阻力，使沿流道4水平传输的反应物产生向扩散层传输的速度分量，促进电化学反应的进行，提升电池性能；背风侧为的自适应结构6，流线型或倾斜形状的设置能够减小背风侧涡流，从而减少泵功消耗。
如图3和图4所示，当电池在高电流密度下运行时，流道4中开始出现积存的液态水，自适应组合导流结构中的自适应结构6吸水逐渐膨胀，体积变大。流道4的中设置自适应组合导流结构处的局部横截面积进一步减小，产生二次扰动，反应物浓度增大，气流速度增加，促进液态水的排出和反应物向扩散层的传质，进一步提升电池性能。
如图5所示，当流道4中不再有积存的液态水时，在电池的反应温度和反应气体的吹扫下，自适应结构6内部的水分快速蒸发，使其脱水收缩，流道4横截面积增大，能够降低流道4中两相流动阻力，减小泵功消耗，提升电池性能。
如图6所示，以吸水前的单个流道4结构为例，使用对膜电极无害的胶7将自适应结构6固定在其与挡块5的接触面上。同时，流道4在靠近挡块5处具有凹槽结构，自适应结构6的一部分是与凹槽相吻合的凸起结构，使用同样对膜电极无害的胶7将凸起结构粘在凹槽上，起固定作用且便于自适应结构6整体吸水膨胀。
实施例二：
如图7和图8所示，将自适应结构6覆盖在两个梯形挡块5之间的整个流道4平面区域并与挡块5形成自适应组合导流结构，从而使流场具有一定的液态水自适应能力。反应物从进口1进入相邻脊3之间形成的流道4，沿流道4水平传输，在流经梯形挡块5时，产生向扩散层传输的速度分量。反应物进入扩散层，到达催化层进行电化学反应，生成的液态水通过扩散层进入流道4，并随反应气体一起从出口2流出。
如图9和图10所示，当电池在高电流密度下运行时，流道4中开始出现积存的液态水，自适应组合导流结构中的自适应结构6吸水逐渐膨胀，体积变大。相邻两个挡块5间的流道4横截面积减小，会使气体流速增加，使进入扩散层和催化层的气体浓度增加，也增强了流场的排水性能。
如图11所示，当流道4中不再有积存的液态水时，在电池的反应温度和反应气体的吹扫下，自适应结构6内部的水分快速蒸发，使其脱水收缩，降低两相流动阻力，促进此工况下液态水的排出，流道4横截面积增大，减小泵功消耗，提升电池性能。
如图12所示，以吸水前的单个流道4结构为例，流道4上具有凹槽结构，自适应结构6的一部分是与凹槽相吻合的凸起结构，使用对膜电极无害的胶7将凸起结构粘在凹槽上，起固定作用且便于自适应结构6整体吸水膨胀。
Claims (10)
1.一种具有液态水自适应组合导流结构的燃料电池流场板，其特征在于：包括反应物的进口(1)和出口(2)，流场板上设有若干的脊(3)和流道(4)，流道(4)上用胶(7)固定的自适应结构(6)与若干挡块(5)组成的自适应组合式导流结构；在流场板中添加自适应结构(6)，当流道(4)中有积存的液态水时，自适应结构(6)吸水膨胀，使自适应结构(6)与挡块(5)处的流道(4)横截面积之差发生改变，促进排水；当流道(4)中不再有积存的液态水时，自适应结构(6)能够在电池运行温度下加热或者反应气体吹扫的情况下脱水收缩，使自适应结构(6)与挡块(5)处的流道(4)横截面积之差恢复常态，从而使流阻回落。
2.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于：所述挡块(5)与流场板加工为一体。
3.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于：所述挡块(5)在脊(3)侧面上的投影为矩形、梯形、三角形、半圆形、波浪形、流线型或以上形状的组合形状。
4.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于：所述自适应结构(6)在电池工作温度下，不会溶解；自适应结构(6)采用湿敏材料对膜电极无害的材料，在水淹环境中6min～8min内达到吸水饱和，在80℃的条件下完全吸水的线膨胀度为40％～260％。
5.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于：所述挡块(5)和自适应结构(6)的高度均不超过流道(4)深度的2/5；挡块(5)和自适应结构(6)的宽度均与流道宽度相等；挡块(5)和自适应结构(6)的长度与流道长度的比值均为1/50～1/10。
6.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于：所述自适应结构(6)在流道(4)中含水量较低时，内部水分能够在电池自身运行温度作用下或者反应气体吹扫下蒸发，使其脱水收缩。
7.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于：所述相邻挡块(5)之间具有凹槽结构，自适应结构(6)的一部分是与凹槽相吻合的凸起结构，自适应结构(6)的凸起结构使用对膜电极无害的胶(7)粘到流道(4)的凹槽结构上。
8.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于：所述凹槽结构的尺寸为：长度为0.3mm～5mm，宽度为0.3mm～0.5mm，深度为0.1mm～0.4mm。
9.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于：所述自适应结构(6)部分覆盖或者完全覆盖在同一条流道(4)上两个相邻的挡块(5)之间的流道(4)平面区域，在相邻流道(4)相对或交错布置。
10.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于：所述自适应组合导流结构的电池流道(4)适用于径向流场、点状流场、交指流场、蛇形流场、平行流场、仿生流场或组合流场。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |