CN114050284B - 一种在阴极流道中加装涡流发生器的燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种在阴极流道中加装涡流发生器的燃料电池，包含双极板，扩散层，催化层以及质子交换膜，流道采用蛇形流道中的一段直流道，还包括空气入口，氢气入口，空气出口，氢气出口，氢气入口与空气入口设置在燃料电池的同侧；在阴极流道中安装有涡流发生器。本发明克服了现有技术存在的不足，利用涡流发生器对工质进行导流，提高工质进入扩散层的扩散速度，增强了流体工质的扰动，提高了工质利用效率。同时使工质自身携带的水气和电化学反应生成的水更易被工质带走，减轻了水淹现象，一定程度上杜绝了阳极侧氢气缺乏的情况，防止发生反极现象，提高了传质效率，并且多孔曲面矩形结构的涡流发生器对于燃料电池性能的提升最大。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池领域，特别涉及一种在阴极流道中加装涡流发生器的燃料电池。
背景技术
在我国氢气主要由天然气蒸汽重整产生。其他主要来源包括炼油厂或其他工业废气中的石脑油或是油料的重整，以及煤和其他碳氢化合物的部分氧化。少部分通过水电解和其他来源获得。2010年以来，氢能逐步成为国家科技创新战略及能源战略的重要组成部分，氢能产业总体有序发展，氢能也成为最受欢迎的环保能源。其中质子交换膜燃料电池作为一种新型燃料利用形式，利用氢能作为燃料工质，拥有许多其他能量利用方式所不具备的优点，首先，质子交换膜燃料电池使用氢作为燃料，具有来源广泛、可再生、利用率高、清洁环保等优势。其次，质子交换膜燃料电池具有无污染的特点，其化学反应为氢气与氧气反应生成水，没有其他的物质产生，高效无污染，有利于环境保护。最后质子交换膜燃料电池相比于其他能量利用转换设备具有较高的能量密度和极快的启动速度。因此质子交换膜燃料电池具有极高的开发潜力，被看作最有可能成为车用能源的能量转换设备。目前，燃料电池由于使用成本偏高，利用率还不是很高，但是由于传统化石燃料短缺、消费者环保需求提升及燃料电池技术不断进步等原因，燃料电池在电动汽车、移动电源、不间断电源、潜艇及空间电源等方面有着广泛的应用前景。目前针对质子交换膜燃料电池的改良都是针对阴极流道进行改良。本设计同样对其进行了创新研究。
目前阴极流道有几大缺陷；一是阴极流道较为狭窄且曲折处较多，工质中自身携带的水气和反应不断生成的水气易凝结于流道壁面且不易排出，容易产生水淹现象，阻塞扩散层孔隙，降低扩散层导气效率，严重影响燃料电池的效率；二由于氢气的扩散速率远高于氧气的扩散速率，所以在阴极流道处氧气向扩散层及催化层的扩散速率较低，为满足电化学反应所需，通常需要加大进口处工质流量，这也降低了燃料电池的效率；三是工质在阴极流道中流动时，工质分布不均匀，入口处浓度较高，使入口反应迅速，易产生热点，尾端浓度变低，降低了反应速率且会导致出口处工质浓度仍然较高，造成了工质的浪费。针对上述缺陷，现有技术中采用在阴极流道中加装涡流发生器，可以在不改变阴极流道的形状和截面积的情况下，增强阴极流道的导气疏水能力，均匀工质在流道内的分布。
然而，在此基础上，涡流发生器的形状、材料以及排布等依然对电池性能的影响很大。因此，需要寻求一种最优的涡流发生器，可以使电池的性能最优。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明，以便提供解决上述问题的一种在阴极流道中加装涡流发生器的燃料电池。
一种在阴极流道中加装涡流发生器的燃料电池，其特征在于，流道采用蛇形流道中的一段直流道，流道从上到下包括阳极极板，阳极流道，阳极扩散层，阳极催化层，质子交换膜，阴极催化层，阴极扩散层，阴极流道，涡流发生器，阴极极板；还包括空气入口，氢气入口，空气出口，氢气出口，氢气入口与空气入口设置在燃料电池的同侧；在阴极流道中安装有涡流发生器。
对于涡流发生器，本申请中提出一种特殊的涡流发生器，其采用相奥氏体不锈钢材料抗，该材料以Fe-Cr-Ni为基本成分，在酸性条件下抗腐蚀性能尤为出色。其具有多孔结构。
进一步地，涡流发生器与入口工质流动方向的攻角为45°。本申请中，涡流发生器的攻角为曲面矩形小翼的最大曲率处的切线与流道入口工质流动方向的夹角。
进一步地，燃料电池长度为70mm，宽为2mm,其中阴极与阳极流道截面为1×1mm的正方形，阴阳极极板高为1.5mm，扩散层高为0.3mm，催化层高为0.0129mm，质子交换膜高为0.108mm。
进一步地，涡流发生器为单个曲面矩形薄片，曲面为半椭圆形截面，长轴为1mm，半短轴为0.25mm，高度为0.5mm，厚度为0.05mm，在阴极流道中布置5组矩形涡流发生器。
进一步地，首个涡流发生器距阴极流道入口5.5mm,涡流发生器下底距流道壁0.1mm，涡流发生器在质子交换膜燃料电池流道中的安装间距为8到14mm。
进一步地，涡流发生器在质子交换膜燃料电池流道中的安装间距为12mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、涡流发生器对工质进行导流，提高工质进入扩散层的扩散速度，加快电化学反应的进行，提高了燃料电池的能量密度。
2、增强了流体工质的扰动，在流道中产生纵向涡系，对下游影响范围较广，阻力更小，降低了边界层厚度，使工质分布更加均匀，不易产生热点和冷点，提高了工质利用效率。
3、使工质自身携带的水气和电化学反应生成的水更易被工质带走，减轻了水淹现象，一定程度上杜绝了阳极侧氢气缺乏的情况，防止发生反极现象，提高了传质效率。
4、降低了加工难度，无需改变流道截面积也不用对流道壁进行挖槽钻孔等加工处理，仅需要在流道壁上焊接涡流发生器，降低了成本。
5、本设计加装曲面矩形涡流发生器，对阴极流道的阻力较小，因此对于阴极空压机的加压量也降低了，提高了燃料电池的整体效率。
6、随着电流密度的逐渐增加，电压的逐渐降低，涡流发生器对于电流密度的影响开始变得十分的显著，其中多孔曲面矩形结构对于燃料电池性能的提升最大。
附图说明
图1为燃料电池不同结构；
图2为阳极催化层、质子交换膜和阴极催化层的局部放大图；
图3为燃料电池整体示意图；
图4为首个涡流发生器的位置图；
图5为四种涡流发生器示意图；
图6为不同结构涡流发生器的极化曲线；
图7为距涡流发生器不同间距处的速度云图；
图8为不同间距涡流发生器的极化曲线；
图9为涡流发生器不同攻角的极化曲线；
图10为不同涡流发生器个数的极化曲线；
图中：1、阳极极板；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、涡流发生器；10、阴极极板；11、氢气入口；12、空气入口；13、氢气出口；14、空气出口。
实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行进一步的补充说明。但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种基于燃料电池流道的新型改良控制方法，由于质子交换膜燃料电池尺寸及流道类型不同，其在流道内的工质流动特性也不相同，因此该改良方法宜根据具体情况而定。
如图1-4所示，本文提供了一种技术方案：一种质子交换膜燃料电池阴极流道改良方式，整体从上到下包括阳极极板 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，涡流发生器9，阴极极板10。工质流动方向上将氢气入口11和空气入口12安装在同侧。
对于涡流发生器，采用一种特殊的涡流发生器，其采用相奥氏体不锈钢材料，该材料以Fe-Cr-Ni为基本成分，在酸性条件下抗腐蚀性能尤为出色。并且该涡流发生器采用具有多孔结构的曲面矩形结构(如图5所示)。
流道采用长为70mm的直流道，在阴极流道中安装5个如图5所示的曲面矩形涡流发生器9，曲面为半椭圆形截面，长轴为1mm，半短轴为0.25mm，高度为0.5mm，厚度为0.05mm。
其中图1为本设计燃料电池主要结构图；图2为阳极催化层、阴极催化层和质子交换膜的局部放大图；图3为燃料电池整体图，图4为首个涡流发生器的位置图。
燃料电池各效率公式，通过下述公式，能更好的检测出本设计对于燃料电池性能的提升。
公式1：加热器功率：Pheat＝mair*CP*ΔT/0.7；
公式2：加湿器功率：
Phum＝(mair*ΔRH/100+0.0000003617887)*r/0.7；
公式3：空气压缩机功率：
公式4：吉布斯自由能的变化：
公式5：总效率：
本设计中研究了四种类型的涡流发生器，分别是具有多孔结构的平面三角结构(PDW)、曲面三角结构(CDW)、平面矩形结构(CRW)、曲面矩形结构(PRW)，如图5-图6对比了电压在0.4V到0.9V区间时，不加涡流发生器和四种涡流发生器(均加装5个)燃料电池的极化曲线。由图可见，随着电压的逐渐降低，电流密度的逐渐升高；在电压为0.4V时，对电流密度的提升极为明显，曲面三角小翼提升最小，也达到了17％，曲面矩形小翼最大提升32％。可以看出，在高电压低电流密度时，涡流发生器对于电流密度的增加不明显。随着电流密度的逐渐增加，电压的逐渐降低，涡流发生器对于电流密度的影响开始变得十分的显著，其中多孔曲面矩形结构对于燃料电池性能的提升最大。
并且，本申请中，对涡流发生器的材料，选择采用相奥氏体不锈钢材料，冲刷腐蚀性最好，该材料以Fe-Cr-Ni为基本成分，在酸性条件下抗腐蚀性能尤为出色。当采用空气作为阴极工质时，由于现在大气污染严重，对空气润湿后，阴极工质可能呈现弱酸性，在这种条件下，其余材料的腐蚀速率大大加快，而采用相奥氏体不锈钢材料可极大的避免这一现象。其余情况下，可根据本设计自行调整。
涡流发生器9在质子交换膜燃料电池流道中产生有利影响的安装间距为8到14mm。如图7所示，在涡流发生器9后均产生了较为明显的顺时针方向的涡旋，且随着与涡流发生器9距离的增加，速度呈现出一种降低的趋势，并且涡核呈现出一种由左向右移动的倾向，在本设计中，考虑到速度的改变对燃料电池工质的扩散乃至于燃料电池自身性能产生了重要影响，从图7中可以看出在涡流发生器9间距为12mm时，涡得到了最充分的发展，此现象在图8中也得到了体现，在间距为12mm时，对应的电流密度也最高，极化曲线高于其他间距的计划曲线，所以在本设计中按照间距为12mm布置涡流发生器9。其余情况下，可根据本设计自行调整。
涡流发生器9在燃料电池阴极流道中攻角对于燃料电池性能也有较大的影响。本申请中，涡流发生器的攻角为曲面矩形结构的最大曲率处的切线与流道入口工质流动方向的夹角。
涡流发生器9按照攻角为0°，15°，30°，45°安装在流道中，经过模拟实验后发现，在本设计的条件下，攻角为45°时，对于燃料电池性能的提升最大，如图9所示，电流密度提升较不加装涡流发生器达到16.79％，极化曲线也明显高于其他攻角的极化曲线。在其余条件下，可根据本设计自行调整。
在本设计中，一个涡流发生器9显然无法满足燃料电池正常的生产生活需要，选取多孔曲面矩形结构涡流发生器9，间距12mm，攻角为45°的情况下，加装一至五个涡流发生器9时，发现加装五个涡流发生器9，对于本设计中的燃料电池性能提升最大，如图9所示，相比不加装涡流发生器9，电流密度提升达到了16.8％。极化曲线也高于其余个数的极化曲线。其余情况下，可根据本设计自行调整。
综上,首个涡流发生器9距空气入口12为5.5mm，涡流发生器9下底距流道壁0.1mm，顺着工质流动方向左侧贴壁，右侧间隔0.5mm，在首个涡流发生器9之后每间隔12mm安装一个攻角为45°的涡流发生器9，共安装5个，最后一个涡流发生器9距阴极流道14出口为16.5mm。
涡流发生器9攻角为45°，因此会迫使流体工质强制对流进入阴极扩散层7，提高了流体工质在扩散层中的扩散速度，带动扩散层孔隙中电化学反应生成的液态水的流动和排出，使阴极工质与阳极工质间的反应速率大大加快。在涡流发生器9后，流体工质会产生部分涡旋，可以使流体工质更将均匀的分散在流道中，并使工质流动速度加快，有利于流道内积水的排出，避免水淹现象。在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种，但是不排除包含至少一种的情况。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。对于所述领域技术人员而言，在上述发明的基础上海可以做出其他变化或变形，并且这些变化或变形仍处于本发明的范围内。
Claims (6)
1.一种在阴极流道中加装涡流发生器的燃料电池，流道采用蛇形流道中的一段直流道，燃料电池结构从上到下包括阳极极板(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)，涡流发生器(9)，阴极极板(10)；还包括空气入口(12)，氢气入口(11)，空气出口(14)，氢气出口(13)，氢气入口(11)与空气入口(12)设置在燃料电池的同侧；在阴极流道中安装有涡流发生器，其特征在于：涡流发生器(9)为具有多孔结构的曲面矩形结构；涡流发生器为单个曲面矩形薄片，曲面为半椭圆形截面，长轴为1mm，半短轴为0.25mm，高度为0.5mm，厚度为0.05mm，在阴极流道中布置5组涡流发生器，间距12mm，涡流发生器与入口工质流动方向的攻角为45°。
2.根据权利要求1所述的一种在阴极流道中加装涡流发生器的燃料电池，其特征在于：所述涡流发生器采用相奥氏体不锈钢材料，该材料以Fe-Cr-Ni为基本成分，在酸性条件下具有抗腐蚀性能。
3.根据权利要求1所述的一种在阴极流道中加装涡流发生器的燃料电池，其特征在于，燃料电池长度为70mm，宽为2mm，其中阴极与阳极流道截面为1×1mm的正方形，阳极极板(1)和阴极极板(10)高为1.5mm，阳极扩散层(3)和阴极扩散层(7)高为0.3mm，阳极催化层(4)和阴极催化层(6)高为0.0129mm，质子交换膜(5)高为0.108mm。
4.根据权利要求3所述的一种在阴极流道中加装涡流发生器(9)的燃料电池，其特征在于，首个涡流发生器(9)距空气入口(12)5.5mm，涡流发生器(9)下底距流道壁0.1mm，涡流发生器(9)在质子交换膜燃料电池流道中的安装间距为8到14mm。
5.根据权利要求1所述的一种在阴极流道中加装涡流发生器(9)的燃料电池，其特征在于，涡流发生器(9)在质子交换膜燃料电池流道中的安装间距为12mm。
6.根据权利要求1所述的一种在阴极流道中加装涡流发生器(9)的燃料电池，其特征在于，燃料电池的性能，通过如下公式检测：
加热器功率：
Pheat＝mair*CP*ΔT/0.7 (1)
加湿器功率：
Phum＝(mair*ΔRH/100+0.0000003617887)*r/0.7 (2)
空气压缩机功率：
吉布斯自由能的变化：
总效率：
其中，Pheat为加热器功率，mair为空气的质量流量，CP为定压比热容，ΔT为入口所需温度与大气温度之差，Phum为加湿器功率，ΔRH为入口所需湿度与大气湿度之差，r为水的潜热，PCA为空气压缩机功率，T为入口处温度，P为入口处压力，Pair为大气压力，
为单位时间内吉布斯自由能的变化量，ξa为阳极化学计量比，
为氢摩尔吉布斯自由能，
为氢循环效率，
为反应的氢气质量流量，S为燃料电池极板面积，V为电压，
为氢吉布斯自由能。
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