CN114094135A - 平行流场与蛇形流场自动切换的燃料电池液态水自适应流场板 - Google Patents

平行流场与蛇形流场自动切换的燃料电池液态水自适应流场板 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种平行流场与蛇形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，进口总管和出口总管，流场板上设有若干条脊、流道和四周的流场板壁，总管两侧壁面上的凹槽以及布置的自适应结构。当总管中有积存的液态水时，流场中的自适应结构吸水膨胀，总管局部横截面积逐渐变小，甚至堵住总管，使流场板局部或全部从平行状流场变为蛇形流场；当总管中不再有积存的液态水时，在电池运行温度下受到气流吹扫，内部水分蒸发，自适应结构脱水收缩，变为平行流场。本发明能够根据总管中液态水含量发生自适应变化，适应不同的工况，加快液态水的移出，避免水淹现象，并减小泵功消耗，提升电池净功率的效果。

Description

平行流场与蛇形流场自动切换的燃料电池液态水自适应流 场板
技术领域：
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池液态水自适应流场板结构。
背景技术：
能源发展的前景和趋势对国家的政策和企业的发展战略影响重大。能源技术的发展会影响到一个国家的国际地位。所以我国非常重视能源技术的发展。近几年，我国颁发了一系列政策推动氢燃料电池相关产业的发展，氢燃料电池相关的企业和公司也越来越多，氢燃料电池产业的发展迅速推进。
流场板的结构会影响燃料电池的性能。传统的流场板存在一些缺点，还有待改进。在平行流场中，反应物分布比较均匀，反应气体流动阻力较小，但容易发生水淹现象；而在蛇形流场中，两个相邻的流道由于压差较大能够产生肋下对流，强化传质，加快液态水排除，与此同时，流道内的压差较大，会造成泵功消耗增多。若能解决传统流场存在的问题，燃料电池的性能将有较大提升。
目前，研究人员已经从流道深度、宽度，脊的宽度等优化平行流场的尺寸，并在流道中添加挡块促进传质和加速液态水移除，但添加挡块会增大两相流动阻力；而对于蛇形流场的优化在于流道数量、拐角设计等方面进行优化，这些优化虽然提升了蛇形流场燃料电池的性能，但压降较大，泵功消耗增多的问题依然没有得到很好的解决。
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，其特征在于：反应物的进口和出口，进口总管和出口总管，流场板上设有若干条脊和流道，进口总管和出口总管两侧壁面上的凹槽以及布置的自适应结构。进口总管和出口总管分别为反应物从进口流入后，进入流道之前的区域和反应物从流道流出后，进入出口之前的区域。流场板壁为整个流场板四周的墙体。进口总管和出口总管的一侧为脊和流道，另一侧为流场板壁。
进一步，当进口总管和出口总管中有积存的液态水时，自适应结构吸水膨胀，使总管的横截面积逐渐变小，最终总管闭合使局部或全部流场从平行流场变为蛇形流场；当总管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，总管横截面积变大，使流场变回平行流场，从而实现不同液态水含量工况下平行流场与蛇形流场的自动切换。
进一步，脊的末端布置的自适应结构在流道平面上的投影为扇形、三角形或矩形；流场板壁面上布置的自适应结构在流道平面上的投影为矩形、扇形或三角形。
进一步，多条脊的末端间隔布置多个自适应结构，饱和吸水膨胀后脊末端的自适应结构与流场板壁上的一整条自适应结构接触，使平行流场变为蛇形流场。
进一步，脊的末端布置的自适应结构在吸水膨胀前高度为流道深度的1/2～3/4，长度为脊长度的1/2～3/4，宽度为总管宽度的1/5～2/5，流场板壁上布置的自适应结构在吸水膨胀前高度为流道深度的1/2～3/4，长度为脊长度的1/50～1，宽度为总管宽度的1/5～1/3。
进一步，自适应结构在饱和吸水膨胀后，高度与流道深度一致。
进一步，自适应结构在电池运行温度下不会溶解。
进一步，自适应结构所用的湿敏材料对膜电极无害，在水淹环境中7min～12min内达到吸水饱和，在80℃的条件下，吸水饱和的线膨胀度为20％～300％。
进一步，进口总管和出口总管两侧壁面上具有凹槽结构，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凹槽结构上。
进一步，脊末端上的凹槽结构最佳尺寸：长度为0.2mm～0.6mm，宽度为0.2mm～0.6mm，深度为0.1mm～0.3mm，流场板壁上的凹槽结构最佳尺寸：长度为30mm～50mm，宽度为0.2mm～0.6mm，深度为0.1mm～0.3mm。
本发明是一种能够根据流道中含水量的变化，平行流场与蛇形流场自动切换的燃料电池自适应流场板结构。在液态水没有及时排出，积存在总管中时，自适应结构吸水膨胀，总管横截面积逐渐变小，最终堵住总管使局部或者全部流场变为蛇形流场，加快液态水的移出，避免局部水淹；当总管中不再有积存的液态水时，自适应结构脱水收缩，流场变回平行流场，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局部图(左图：吸水前右图：饱和吸水后)；
图6是图1的左视及局部图；
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进口总管、7出口总管、8流场板壁、9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，在进口总管6和出口总管7的两侧布置自适应结构4，从而使流场具有一定的液态水自适应能力。反应物分别从阴、阳极板进口1进入进口总管6，随后进入到相邻脊3之间形成的流道5中，在出口总管7汇集，从出口2流出。在整个流动过程中，反应气体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流道5、进口总管6和出口总管7。液态水随反应气体经过脊3侧的自适应结构4时，流线型结构能够使反应物和生成物的阻力较小，泵功消耗降低。
如图3和图4所示，随着电化学反应的进行，液态水生成越来越多，进口总管6和出口总管7中出现积存的液态水，没有及时排出，脊3端和流场板8壁面上的自适应结构4吸水逐渐膨胀，体积变大，总管横截面积变小。吸水饱和后，自适应结构4的高度与脊3一致，脊3端与流场板壁8面上的自适应结构4紧密贴合到一起，使总管闭合，反应物和液态水无法通过，从而使局部或者全部流场从平行流场转变为蛇形流场。相邻流道5压差变大，促进脊3下对流，并能够加速液态水的排出。
如图5所示，当进口总管6和出口总管7中不再有积存的液态水时，自适应结构4在电池温度下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，总管横截面积变大，流道5内的压力变小，蛇形流场变回平行流场。进口总管6和出口总管7对液态水含量发生自适应变化，使总管的横截面积发生相应变化，从而实现平行流场与蛇形流场自动切换，达到提升流场排水性能，提升电池净功率的效果。
如图6所示，进口总管6和出口总管7两侧壁面上加工有凹槽9结构，自适应结构4的一部分为与凹槽9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9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9的所有接触面均采用胶粘黏，可对凹槽9里的自适应结构4起到一定的膨胀限制作用，保证暴露在总管中的自适应结构达到理想的膨胀尺寸。

Claims (9)

1.平行流场与蛇形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)，进口总管(6)和出口总管(7)，流场板上设有若干条脊(3)和流道(5)，进口总管(6)和出口总管(7)两侧壁面上的凹槽(9)以及布置的自适应结构(4)；进口总管(6)和出口总管(7)分别为反应物从进口(1)流入后，进入流道(5)之前的区域和反应物从流道(5)流出后，进入出口(2)之前的区域；流场板壁(8)为整个流场板四周的墙体；进口总管(6)和出口总管(7)的一侧为脊(3)和流道(5)，另一侧为流场板壁(8)；当进口总管(6)和出口总管(7)中有积存的液态水时，自适应结构(4)吸水膨胀，使总管的横截面积逐渐变小，最终总管闭合使局部或全部流场从平行流场变为蛇形流场；当总管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，总管横截面积变大，使流场变回平行流场，从而实现不同液态水含量工况下平行流场与蛇形流场的自动切换。
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)的末端布置的自适应结构(4)在流道(5)平面上的投影为扇形、三角形或矩形；流场板壁(8)上布置的自适应结构(4)在流道(5)平面上的投影为矩形、扇形或三角形。
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：所述多条脊的末端间隔布置多个自适应结构，饱和吸水膨胀后脊末端的自适应结构(4)与流场板壁(8)上的一整条自适应结构(4)接触，使平行流场变为蛇形流场。
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：所述脊(3)的末端布置的自适应结构(4)在吸水膨胀前高度为流道(5)深度的1/2～3/4，长度为脊(3)长度的1/2～3/4，宽度为总管宽度的1/5～2/5，流场板壁(8)上布置的自适应结构(4)在吸水膨胀前高度为流道(5)深度的1/2～3/4，长度为脊(3)长度的1/50～1，宽度为总管宽度的1/5～1/3。
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)在饱和吸水膨胀后，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)在电池运行温度下不会溶解。
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：所述自适应结构(4)所用的湿敏材料对膜电极无害，在水淹环境中7min～12min内达到吸水饱和，在80℃的条件下，吸水饱和的线膨胀度为20％～300％。
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：所述进口总管(6)和出口总管(7)两侧壁面上具有凹槽(9)结构，自适应结构(4)的一部分是与凹槽(9)相吻合的凸起结构，自适应结构(4)的凸起结构使用对膜电极无害的胶粘到凹槽(9)结构上。
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：所述脊(3)末端上的凹槽(9)结构尺寸：长度为0.2mm～0.6mm，宽度为0.2mm～0.6mm，深度为0.1mm～0.3mm，流场板壁(8)上的凹槽结构尺寸：长度为30mm～50mm，宽度为0.2mm～0.6mm，深度为0.1mm～0.3mm。
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