CN114361503B - 一种树状燃料电池流道结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种树状燃料电池流道，包括反应气入口板、反应气出口板；所述反应气入口板和反应气出口板上设置有呈树状分布的n级气流道分支结构，分支流道以H形状对称分布。反应气入口板上的第一级气流道分支至第n‑1级气流道分支分别与反应气出口板上的第一级气流道分支至第n‑1级气流道分支的位置一一对应；反应气入口板的第n级气流道分支的末端与反应气出口板上的第n级气流道分支部分重合。本发明所设计的多级树状分支流道可以使反应气均匀的分布于催化层，提高催化剂的利用率，提升燃料电池性能。

Description

一种树状燃料电池流道结构
技术领域
本发明涉及聚合物电解质膜燃料电池技术领域，尤其涉及质子交换膜燃料电池的流道结构。
背景技术
聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)系统已经促进了从化石燃料向绿色可再生能源社会的快速过渡。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种电化学装置，在催化剂存在下使用氧气和氢气仅产生电力和水，其能量转化的过程不受卡诺循环的限制，能量转化率较高，是备受关注的清洁能源技术。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统的成本和效率仍需大幅提高，以实现全面商业化部署。一些权威机构和组织发布了燃料电池堆和系统的技术目标，一个重要目标就是优化流场板，流场板的重要作用是：(i)在电极催化剂层(CL)表面均匀分布气体，(ii)提供良好的电子导电性，(iii)MEA上的刚性结构完整性。
流道场的设计方案会直接影响燃料气体的分布以及反应气体的排出，从而影响到燃料电池的效率。质子交换膜燃料电池属于低温电池，工作温度在室温至80℃之间，反应会产生液态水，如果流道场设计不当，可能会出现液态水聚集、流道出现“水淹”的状况，从而影响到燃料电池的工作效率。
公开号为CN103746129A的中国专利公开发明了一种优化燃料电池排水性能的质子膜燃料电池流道，其特点为流道总体成蛇形排布，在气体入口处为九条平行流道，至第一个流道转弯处每三根流道合并成一根；合并后形成的三根平行流道将气体引导至出口处。但是蛇形流场结构具有如下的特点：单一流动路径能够促进液态水的排出；但在大面积的流场中，蛇形流场的压降很大，反应物的浓度沿通道减小且分布不均匀，导致催化剂利用率降低，燃料电池性能不能得到充分改善。
发明内容
本发明的针对现有技术的不足，提供一种树状燃料电池流道结构，流场分为反应气入口板和反应气出口板；反应气入口板和反应气出口板均具有多级树状分支流道，分支流道以H形状对称分布。此多级树状分支流道结构可以减少气体的黏附耗散，气体分配更加均匀，提高燃料电池性能。
为实现上述的技术目的，本发明将采用如下的技术方案：
一种树状燃料电池流道结构，包括反应气入口板、反应气出口板，
所述反应气入口板上设有进气流道和n级气流道分支，进气流道的一端为气体入口，另一端设置在反应气入口板的中心位置且垂直连接首级气流道分支的中点；上一级气流道分支的端部分别垂直连接下一级气流道分支的中点，至第n级气流道分支；由此构成呈树状分布的气体流场结构；
所述反应气出口板上设有出气流道和n级气流道分支，出气流道的一端为气体出口另一端设置在反应气出口板的中心位置且垂直连接首级气流道分支的中点；上一级气流道分支的端部分别垂直连接下一级气流道分支的中点，至第n-1级气流道分支；第n级气流道分支平行分布在第n-1级气流道分支的外侧，由此构成呈树状分布的气体流场结构；所述反应气出口板上的出气流道和n级气流道分支为镂空结构；
所述反应气入口板上的第一级气流道分支至第n-1级气流道分支分别与反应气出口板上的第一级气流道分支至第n-1级气流道分支的位置一一对应；反应气入口板的第n级气流道分支的末端与反应气出口板上的第n级气流道分支部分重合。
进一步，所述反应气入口板上的n级气流道分支与反应气出口板上的n级气流道分支，每一级的流道尺寸相同。
进一步，n级气流道分支每两级缩减50％；流道宽度不变。
进一步，进气流道是多段首位相互连接的直流通道。
进一步，出气流道是多段首位相互连接的直流通道。
进一步，反应气入口板通过进气流道与供气通道相连接，不与气体扩散层接触。
进一步，反应气入口板和反应气出口板选用炭质材料、金属材料或复合材料。
本发明的特点以及产生的有益效果：
1.本发明所述的树状燃料电池流道结构，其对称分布的多级H结构，可以使反应物和产物均匀分布于催化层，电流密度分布和摩尔氧浓度分布的均匀性提高，有助于避免局部浓度梯度，从而避免额外的过电位损失，提高燃料电池性能。
2.本发明所述的树状燃料电池流道采用仿生结构，充分发挥了自然界树状结构流体流动阻力小的特点，可以有效减小黏附损耗。
3.本发明所述的树状燃料电池流道结构，其反应气分布均匀，使燃料电池在工作时电压较为稳定，且在低湿度条件下可以提供稳定电压。
附图说明
图1中，(a)是反应气出口板侧看的总装图；(b)是反应气入口板侧看的总装图
图2是反应气入口板结构示意图；图3是反应气出口板结构示意图；
图4中，(a)是反应气入口板上流道结构示意图，(b)是反应气入口板上流道结构示意图；
图5是本申请树状流道与蛇形流道极化曲线对比图；
图6是本申请树状流道与蛇形流道功率密度对比图。
具体实施方式
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
本申请所设计的一种树状燃料电池流道结构如图1、2和3所示，包括反应气入口板、反应气出口板；反应气入口板和反应气出口板上均设置有呈树状分布的气体流场结构。反应气入口板、反应气出口板尺寸相同，均为具有一定厚度的平板；在本实施例中，反应气入口板、反应气出口板设计为矩形板。
反应气入口板上的气体流场结构如图2所示，在反应气入口板上设置一条进气流道，进气流道的一端为气体入口，设置在反应气入口板的边沿处；进气流道的另一端为进气流道的出口，进气流道的出口设置在反应气入口板的中心位置；在进气流道的出口处设置第一级气流道分支，第一级气流道分支与进气流道相互垂直，且第一级气流道分支关于进气流道对称分布；在第一级气流道分支的两端分别设置第二级气流道分支，每一侧的第二级气流道分支垂直第一级气流道分支且关于第一级气流道分支对称分布；在第二级气流道分支的两端分别设置第三级气流道分支，每一侧的第三级气流道分支垂直第二级气流道分支且关于第二级气流道分支对称分布；依次类推设置n级气流道分支。反应气入口板上的n级气流道分支以及进气流道之间相互连通；由此形成如图2所示的H状多级树状分支结构。反应气入口板上的气体流场结构为槽状结构，不贯穿整个反应气入口板。反应气入口板上对应设置反应气出口板的气体出口开有通孔，在安装时两者可以对应。
反应气出口板上的气体流场结构如图3所示，在反应气出口板上设置一条出气流道，出气流道的一端为气体出口设置在反应气出口板的边沿处，另一端为出气流道的气体入口且出气流道的气体入口设置在反应气出口板的中心位置；在出气流道的气体入口设置第一级气流道分支，出气流道的气体入口为第一级气流道分支的中心，故第一级气流道分支关于出气流道对称分布；在第一级气流道分支的两端分别设置第二级气流道分支，每一侧的第二级气流道分支与第一级气流道分支垂直且第二级气流道分支关于出气流道对称分布；依次类推设置n-1级气流道分支；与反应气入口板不同的是，反应气出口板上第n级气流道分支不是设置在第n-1级气流道分支的两端，而是平行分布在第n-1级气流道分支的外侧；故反应气出口板上的n-1级气流道分支以及出气流道之间相互连通。由此形成如图3所示的H状多级树状分支结构。反应气出口板上的出气流道、气体流场结构均贯穿反应气出口板，形成镂空结构。在本实施例中，第n级气流道分支为2个大小与反应气入口板第n级气流道分支相同的矩形孔，且两个矩形孔平行设置在第n-1级气流道分支的外侧。
流道长度设置参考界面理论，每两级缩减50％，依次为第一级和第二级长度为L0，第三级和第四级为L0/2，第五级和第六级为L0/4，以此类推。流道宽度不变。
反应气入口板上的第一级气流道分支至第n-1级气流道分支分别与反应气出口板上的第一级气流道分支至第n-1级气流道分支的位置一一对应；反应气入口板的第n级气流道分支的末端与反应气出口板上的第n级气流道分支部分重合，如图1中(a)所示，在反应气入口板与反应气出口板重叠安装时，反应气入口板的第n级气流道分支上、下两侧朝外的末端分别置于反应气出口板第n级气流道分支的中间部位，可以使反应物和产物均匀分布于催化层，电流密度分布和摩尔氧浓度分布的均匀性提高，有助于避免局部浓度梯度，从而避免额外的过电位损失，提高燃料电池性能。
在本实施例中，进气流道是多段首位相互连接的直流通道，如图2所示，进气流道是由两段互相垂直的通道而成，气体入口设置在反应气入口板的右下位置，气体入口为贯穿反应气入口板的通孔。反应气入口板通过进气流道以及气体入口与供气通道相连接，不与气体扩散层接触。
在本实施例中，出气流道是多段首位相互连接的直流通道，如图2所示，出气流道是由两段互相垂直的通道而成，气体出口设置在反应气出口板的左上侧，气体出口为贯穿反应气出口板的通孔。
在本实施例中，反应气入口板和反应气出口板选用炭质材料、金属材料或复合材料；具体地，炭质材料可以选择：石墨、模压炭材料或膨胀(柔性)石墨；金属材料可以选择：铝、镍、钛及不锈钢等金属材料。
在本实施例中，出口板和入口板上均设有7级分支，形成H结构对称分布。
在工作时，将反应气出口板与反应气入口板相贴合，供气通道由进气流道的气体入口输入反应气，反应气由进气流道逐级向第1至第n级气流道分支流动；同时因为反应气出口板为镂空结构，且因为反应气入口板上的第一级气流道分支至第n-1级气流道分支分别与反应气出口板上的第一级气流道分支至第n-1级气流道分支的位置一一对应；反应气入口板的第n级气流道分支的末端与反应气出口板上的第n级气流道分支部分重合。故反应气会从反应气入口板的气流道分支穿过反应气出口板的n级气流道分支；反应气在反应气出口板的n级气流道分支流动，一部分反应气参与反应，剩余部分反应气从反应气出口板的出气流道流出。
为了进一步验证本申请所设计的树状燃料电池流道结构的性能，以下将树状燃料电池流道与蛇形燃料电池流道进行性能对比，结果如图5和图6所示。性能测试在70％的相对湿度下进行，从图5极化曲线和图6功率密度曲线中可以看出，树状流道的性能略优于蛇形流道。极化曲线在0～0.6A/cm2的电流密度时，树状流道与蛇形流道电池电压差距不大；在电流密度超过在0.6A/cm2时，可以看出树状流道和蛇形流道的差距逐渐显现，随着电流密度的增加，树状流道电压衰减程度优于蛇形流道。功率密度曲线在0～0.6A/cm2的电流密度时，树状流道与蛇形流道功率密度几乎没有差距；在电流密度超过在0.6A/cm2时，树状流道和蛇形流道的功率密度均有提升，树状流道的提升幅度明显优于蛇形流道，且蛇形流道的功率密度在电流密度超过1.5A/cm2时有小幅度衰减。由于树状流道的反应气分布更为均匀，可以提高催化剂的利用率，使的在电流密度增加时，树状流道的电压衰减程度优于蛇形流道，其功率输出也高于蛇形流道且更为稳定。

Claims (7)

1.一种树状燃料电池流道结构，其特征在于，包括反应气入口板、反应气出口板，
所述反应气入口板上设有进气流道和n级气流道分支，进气流道的一端为气体入口，另一端设置在反应气入口板的中心位置且垂直连接首级气流道分支的中点；上一级气流道分支的端部分别垂直连接下一级气流道分支的中点，至第n级气流道分支；由此构成呈树状分布的气体流场结构；
所述反应气出口板上设有出气流道和n级气流道分支，出气流道的一端为气体出口另一端设置在反应气出口板的中心位置且垂直连接首级气流道分支的中点；上一级气流道分支的端部分别垂直连接下一级气流道分支的中点，至第n-1级气流道分支；第n级气流道分支平行分布在第n-1级气流道分支的外侧，由此构成呈树状分布的气体流场结构；所述反应气出口板上的出气流道和n级气流道分支为镂空结构；
所述反应气入口板上的第一级气流道分支至第n-1级气流道分支分别与反应气出口板上的第一级气流道分支至第n-1级气流道分支的位置一一对应；反应气入口板的第n级气流道分支的末端与反应气出口板上的第n级气流道分支部分重合。
2.根据权利要求1所述一种树状燃料电池流道结构，其特征在于，所述反应气入口板上的n级气流道分支与反应气出口板上的n级气流道分支，每一级的流道尺寸相同。
3.根据权利要求1或2所述一种树状燃料电池流道结构，其特征在于，n级气流道分支的流道长度按每两级缩减50％；流道宽度不变。
4.根据权利要求3所述一种树状燃料电池流道结构，其特征在于，进气流道是多段首尾相互连接的直流通道。
5.根据权利要求3所述一种树状燃料电池流道结构，其特征在于，出气流道是多段首尾相互连接的直流通道。
6.根据权利要求1所述一种树状燃料电池流道结构，其特征在于，反应气入口板通过进气流道与供气通道相连接，不与气体扩散层接触。
7.根据权利要求1所述一种树状燃料电池流道结构，其特征在于，反应气入口板和反应气出口板选用炭质材料、金属材料或复合材料。
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