CN114068977A - 点状流场与平行流场自动切换的燃料电池自适应流场板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种点状流场与平行流场自动切换的燃料电池自适应流场板，流场板的结构包括：反应物进口和出口，流场板上设有若干脊和流道，脊侧的凹槽以及布置的自适应结构。当流道中有积存的液态水时，相邻的两个自适应结构吸水膨胀，流道截面逐渐变小，甚至使局部或全部流道闭合，使流场板从点状流场变为平行流场；当流道中不再有积存的液态水时，在电池运行温度和气流吹扫的条件下，自适应结构会脱水收缩，重新形成通道，平行流场变为点状流场。本发明能够对流道中的液态水含量发生自适应变化，在液态水含量较大时，加快液态水的移出，避免局部水淹；在流道中液态水含量较小时，减少两相流动阻力，减小泵功消耗，提升电池净功率。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及燃料电池的一种液态水自适应流场板结构。
背景技术
面对世界气候逐渐发生改变，多数国家纷纷颁布了一系列政策发展减碳、零碳排放， 并支持氢能相关产业的发展，促进推广氢能的使用，加速制氢效率，改进制氢工艺，为氢 能的商业化和社会化铺平道路。
氢燃料电池是一种转换效率高，启动快，零污染，将氢气作为燃料直接将化学能转化 为电能的发电装置。近几年，燃料电池受到了多国政府和汽车企业的重视，燃料电池相关 产业迅速发展。目前，燃料电池已被应用到移动电源、发电站、电动汽车等领域。
流场板作为燃料电池的重要组成部件之一，对燃料电池的性能有重要影响。其作用是 为反应气体提供空间流动和传输，促进液态水移除，采集电流等。目前，已有的传统流场 有平行流场、蛇形流场、交指型流场、点状流场等。传统流场存在反应物分布不均，排水性能差，流动阻力大，泵功消耗多等缺点。目前对于流场板的研究主要分为两个方面：优 化传统流场和研发新型流场。
在上述传统流场中，点状流场反应物分布均匀，反应气体流动阻力较小，但排水困难， 容易发生局部水淹现象；在平行流场中，流道压力更大，但在液态水较多时，排水效果比 点状流场好。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述两种流场的不足，提供一种根据流道中的含水量变化不 同流场类型相互切换，发挥二者优势的自适应流场板结构。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种平行流场与蛇形流场互相切换的燃料电池自适应流场板结构，包括反 应物的进口和出口，流场板上设有若干脊和流道，脊侧的凹槽以及布置的自适应结构。
进一步，在脊侧添加自适应结构，当流道中有积存的液态水时，通过自适应结构吸水 膨胀，流道横截面积逐渐变小，最终流道闭合使局部或全部流场从点状流场变为平行流场； 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，流道横截面积变大，流场变回点状流场，从而实现不同液态水含量 工况下点状流场与平行流场的自动切换。
进一步，脊侧布置几何参数相同的自适应结构，自适应结构在吸水前高度为流道深度 的1/2～3/4，长度为脊长度的1/2～3/4，宽度为流道宽度的1/6～1/3。
进一步，自适应结构在流道平面上的投影为扇形、矩形或三角形。
进一步，自适应结构在电池运行温度下不会溶解。
进一步，自适应结构在吸水饱和膨胀后，高度与流道深度一致。
进一步，自适应结构所用的湿敏材料为对膜电极无害的高分子聚合物，在水淹环境中 3min～5min内达到吸水饱和，在80℃的条件下，吸水饱和的线膨胀度为40％～230％。
进一步，脊侧具有凹槽结构，自适应结构的一部分是与凹槽相吻合的凸起结构。
进一步，脊侧的凹槽结构的最佳尺寸：长度为0.2mm～0.6mm，宽度为0.2mm～0.6mm， 深度为0.1mm～0.3mm。
进一步，自适应结构的凸起结构使用对膜电极无害的胶粘到脊侧的凹槽结构上。
本发明是一种能够根据流道中含水量的变化，点状流场与平行流场互相切换的自适应 流场板结构。当流道中有积存的液态水时，自适应结构吸水膨胀，使流道横截面积逐渐变 小，最终将流道堵住，局部或全部流场变为平行流场，能够加快液态水的移出，避免局部 水淹；当流道中不再有积存的液态水时，自适应结构内部水分蒸发，恢复原状，流场变回点状流场，减少气体的流动阻力，减小泵功消耗，达到提升电池净功率的效果。
附图说明
图1是吸水膨胀前燃料电池自适应流场板结构主视图；
图2是吸水膨胀后燃料电池自适应流场板结构轴侧图；
图3是饱和吸水膨胀后燃料电池自适应流场板结构主视图；
图4是饱和吸水膨胀后燃料电池自适应流场板结构轴侧图；
图5是A区域在自适应结构饱和吸水膨胀前后对比放大图(左图：吸水前右图：饱和吸水后)；
图6是图1的左视及局部示意图；
图中：1反应气体进口、2反应气体出口、3脊、4自适应结构、5流道、6凹槽。
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：
如图1和图2所示，在点状流场中，自适应结构4在相邻脊3的侧面相对布置，具有一定的液态水自适应能力。不同的反应物从进口1进入阴阳两极流场板的流道5，反应物 在流道5上扩散，均匀的分布在点状流场上，经过扩散层传输到催化层上发生电化学反应。 生成的液态水经过扩散层进入阴极流道5，最终随剩余反应物一起从出口2流出。由于自 适应结构4为流线型结构，对气液两相流动阻力较小，泵功消耗降低。此外，自适应结构 4还能够增加气流扰动，促进传质，提升电池性能。
如图3和图4所示，当电池在高电流密度下运行时，液态水生成越来越多，流道5中出现积存的液态水，自适应结构4吸水逐渐膨胀，体积逐渐变大，相邻脊3之间的流道5 横截面积越来越小。吸水饱和后，自适应结构4的高度与脊3一致，两个相邻的自适应结 构4紧密贴合到一起，使局部或者全部流道5闭合，反应气体和液态水无法通过，从而使 局部或者全部点状流场转变为平行流场，流道5中的压力变大，加速液态水的排出，降低 水淹对电池性能的影响。
如图5所示，当流道5中不再有积存的液态水时，自适应结构4在电池温度下加热且一直受到气流的吹扫，内部液态水蒸发，自适应结构4脱水收缩，流道5横截面积变大， 从而使平行流场变回点状流场，流道5内的压力变小，两相流阻降低。从而根据流道5中 液态水含量变化，实现点状流场与平行流场之间的自适应切换。自适应流场相比于传统流 场能够适应不同的工况，能够加快液态水排出并显著提升电池性能。
如图6所示，脊3侧加工有凹槽6结构，自适应结构4的一部分为与凹槽6相对应的凸起结构，用对膜电极无害的胶将自适应结构4与凹槽6粘贴到一起，采用榫卯结构和胶 对自适应结构4起到固定作用。此外，将自适应结构4与凹槽6的所有接触面均采用胶粘 黏，可对凹槽6里的自适应结构4起到一定的膨胀限制作用，保证暴露在流道5中的自适 应结构达到理想的膨胀尺寸。
Claims (9)
1.一种点状流场与平行流场自动切换的燃料电池自适应流场板，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(5)，脊(3)侧的凹槽(6)；脊(3)侧添加自适应结构(4)，当流道(5)中有积存的液态水时，通过自适应结构(4)吸水膨胀，流道(5)横截面积逐渐变小，最终流道(5)闭合使局部或全部流场从点状流场变为平行流场；当流道(5)中不再有积存的液态水时，自适应结构(4)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，流道(5)横截面积变大，流场变回点状流场，从而实现不同液态水含量工况下点状流场与平行流场的自动切换。
2.根据权利要求1所述的燃料电池自适应流场板，其特征在于：所述脊(3)侧布置几何参数相同的自适应结构(4)，自适应结构(4)在吸水前高度为流道(5)深度的1/2～3/4，长度为脊(3)长度的1/2～3/4，宽度为流道(5)宽度的1/6～1/3。
3.根据权利要求1所述的燃料电池自适应流场板，其特征在于：所述自适应结构(4)在流道(5)平面上的投影为扇形、矩形或三角形。
4.根据权利要求1所述的燃料电池自适应流场板，其特征在于：所述自适应结构(4)在电池运行温度下不会溶解。
5.根据权利要求1所述的燃料电池自适应流场板，其特征在于：所述自适应结构(4)在吸水饱和膨胀后，高度与流道(5)深度一致。
6.根据权利要求1所述的燃料电池自适应流场板，其特征在于：所述自适应结构(4)所用的湿敏材料为对膜电极无害的高分子聚合物，在水淹环境中3min～5min内达到吸水饱和，在80℃的条件下，吸水饱和的线膨胀度为40％～230％。
7.根据权利要求1所述的燃料电池自适应流场板，其特征在于：所述脊(3)侧具有凹槽(6)结构，自适应结构(4)的一部分是与凹槽相吻合的凸起结构。
8.根据权利要求1所述的燃料电池自适应流场板，其特征在于：所述脊(3)侧的凹槽(6)结构的尺寸：长度为0.2mm～0.6mm，宽度为0.2mm～0.6mm，深度为0.1mm～0.3mm。
9.根据权利要求1所述的燃料电池自适应流场板，其特征在于：所述自适应结构(4)的凸起结构使用对膜电极无害的胶粘到脊(3)侧的凹槽(6)结构上。
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