CN115000448A - 一种液滴状燃料电池流场结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液滴状燃料电池流场结构，流场结构区域是由多行或多列交替连接的液滴状流场单元构成。每个液滴状流场单元包括液滴状支撑结构和支撑结构两侧的流道结构。液滴状流场单元通过直流道，采用头尾相连的方式进行连接。本发明所述液滴状燃料电池流场结构可以增加气体在流道内的湍动程度，具有传质效果好、压降低等优点，能够显著的提高燃料电池的性能。同时，本发明所述液滴状燃料电池流场结构简单、加工方便，有利于燃料电池大规模的生产和应用。

Description

一种液滴状燃料电池流场结构
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种液滴状燃料电池流场结构。
背景技术
燃料电池作为一种可以直接将燃料中化学能转变成电能的装置，由于其过程不受卡诺循环的限制，具有能量转化效率高的特点；同时，还因其具有污染排放少，环境友好等优点，使燃料电池技术的研究与发展备受各国政府、企业与研究者的重视，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。其中的质子交换膜燃料电池还具有操作温度低、室温启动快、无电解液流失、噪声低等优势，被认为是地面交通以及便携设备的理想电源技术。近年来，随着技术的不断进步使得燃料电池车逐渐进入商业市场，并已经有了许多成功的应用案例。但是其大规模的商业化应用仍然存在着成本与寿命这两大难题。流场作为燃料电池的核心部件之一，通过优化流场结构，可以降低双极板加工成本，同时提升电池平面内的分布状况，进而有利于提升燃料电池的使用寿命。所以改进燃料电池的流场结构是目前降低燃料电池成本、提升耐久性的主要途径之一。
按照能否产生面向燃料电池膜电极方向的速度分量，可以将流场分为二维流场和三维流场。自日本丰田汽车公司的Mirai系列燃料电池车问世以来，使得三维流场的研发得到了研究人员的广泛关注。然而，三维流场的结构复杂，对于流场板材的处理以及加工工艺的要求高，使得其制作加工成本高，并不一定适合燃料电池的大规模商业化应用。相比于三维流场，二维流场加工工艺简单，可以大幅降低燃料电池的加工成本，更适合大规模生产。但传统的燃料电池用二维流场包括平行沟槽流场、蛇形流场等，这类流场的主要特点是气体在其中的湍动程度较低，传质主要依赖扩散作用，在大流密度下电池很容易面临原料气短缺以及生成物水无法排出的问题，限制了其在实际过程中的大规模应用。因此，需要发展加工简单、传质效果更好的流场结构，以适应燃料电池的大规模商业化。
发明内容
本发明的目的就是为了弥补上述技术缺陷而提供一种液滴状燃料电池流场结构，用于提高气体在流场中的湍动程度，促进高电流密度下流场内反应物的传质过程，提升燃料电池的性能。
本发明提出的具体技术方案如下：
一种液滴状燃料电池流场结构，所述流场结构包括多行或多列的液滴状流场组；所述液滴状流场组由多个液滴状流场单元连接构成；所述液滴状流场单元包括液滴状支撑结构和支撑结构两侧的流道结构；所述液滴状流场单元之间通过直流道进行连接；支撑结构两侧的流道和直流流道是连通的，流道具有一定深度。液滴状支撑结构具有支撑燃料电池膜电极和分散反应气的作用，有利于增加反应气在流道内的湍动程度，促进燃料电池的传质过程。
基于上述方案，优选地，所述交替连接的液滴状流场单元的结构一致，大小相同。
基于上述方案，优选地，所述液滴状流场单元的液滴状支撑结构在流场板面上的投影形状为液滴形；所述液滴形投影形状包括尾部与头部；所述的尾部形状为半圆形或半椭圆形。
基于上述方案，优选地，所述液滴状流场单元的流道结构对称分布在液滴状支撑结构的两侧；所述支撑结构两侧的流道结构的宽度(分别为d2和d3)相等，即d2＝d3；用于反应物的流通。
基于上述方案，优选地，所述液滴状流场单元之间的直流道宽度(d1)小于液滴状流场单元中对称分布的支撑结构两侧的流道结构(反应物流道)的宽度总和，即d1<d2+d3，使得反应气流过直流道时流速增加，有助于增加反应物在直流道部分的湍动程度。
基于上述方案，优选地，所述液滴状流场单元通过直流道，采用头尾相连的方式进行连接。
基于上述方案，优选地，相邻行或列的液滴状流场组在其延伸方向上存在相对偏移，即位于不同行或列之间，且相邻的液滴状流场单元是不对齐的，呈交错放置，有助于流场脊下的排水过程。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明所述的液滴状支撑结构和直流道连接处的变径结构，使气体流通截面积发生改变，与传统二维流道结构相比，增大了气体在流道内的湍动程度，提高了流道的传质能力，有助于提高燃料电池在高电流密度下的性能。
(2)本发明所述的液滴状流场结构，相比现有技术中三维流场结构来说，保留了反应物的流道结构，可以显著降低流场的压降，很大程度上降低了空压机等辅助系统的能耗。
(3)本发明所述直流道连接处的变径结构和液滴状流场单元的交错放置，能够避免宽厚脊下的液态水积累，提高燃料电池的水管理能力。
(4)本发明中的流场板结构简单，尺寸和位置均可根据实际情况进行调整，增强了流场结构的普适性，且加工方便有利于燃料电池大规模的生产和应用。
附图说明
图1为本发明实施例所述液滴状流场结构的结构示意图；
图2为本发明实施例所述液滴状流场结构单元的结构放大示意图；
图3为本发明对比例所述传统直流道流场的结构示意图；
图4为实施例和对比例的电池I-V曲线图；
其中：1、直流道连接结构，2、液滴状支撑结构，3、液滴状流场通道。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，结合以下具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的详细说明，但本发明并不局限于这些实施例。
实施例
本发明实施例提供了一种应用液滴状燃料电池流场结构的燃料电池流场板，如图1、2所示，流场板采用5mm厚的石墨板作为基板材料，流场结构区域是由多行或多列交替连接的液滴状流场单元构成，液滴状流场单元之间通过直流道连接结构1进行连接。
所述交替连接的液滴状流场单元的结构一致，大小相同。
所述液滴状流场单元包括支撑结构2和液滴状流场通道3，液滴状流场通道为反应气流道。
所述液滴状流场单元的支撑结构2为液滴状结构，液滴半径r2为0.5mm,液滴顶端到尾端的距离是液滴半径r2的4倍，液滴状支撑结构2具有支撑燃料电池膜电极和分散反应气的作用，有利于增加反应气在流道内的湍动程度，促进燃料电池的传质过程。
所述液滴状流场单元的液滴状流场通道3对称分布在支撑结构2的两侧，液滴状流场通3到液滴状支撑结构2外边缘的垂直距离d2＝d3＝1mm，用于反应气的流通。
所述液滴状流场单元之间的直流道连接结构1的流场宽度d1＝(d2+d3)/2，使得反应气流过直流道1时流速增加，有助于增加反应物在直流道1部分的湍动程度。
所述液滴状流场单元通过直流道连接结构1，直流道连接结构1长度L1为1mm，采用首尾相连的方式进行连接。
所述不同行或列之间的液滴状流场单元交错放置，有助于流场脊下的排水过程。
所述应用液滴状燃料电池流场结构的燃料电池流场板，流道加工深度为0.4mm，并作为燃料电池阴极侧的流场板。
本实施例的阳极流场板使用直流道结构1，流道深度和宽度均为1mm，实施例的测试条件为电池压力50kPa、电池温度60℃、阳极使用干气、阴极使用80％增湿空气、阳极计量比2.0、阴极计量比3.0的条件下测试的极化曲线见图4。
对比例
作为对比，本对比例将展示使用传统直流道流场结构的燃料电池流场板，如图3所示。所述直流道结构的燃料电池流场板，流道加工深度为0.4mm，流道宽度为1mm，并作为燃料电池阴极侧的流场板。
本对比例的阳极流场板使用直流道结构，流道深度和宽度均为1mm，实施例的测试条件为电池压力50kPa、电池温度60℃、阳极使用干气、阴极使用80％增湿空气、阳极计量比2.0、阴极计量比3.0的条件下测试的极化曲线见图4。从图4中我们可以发现，使用液滴状燃料电池流场的电池性能要远高于传统直流道流场的电池性能，反映出液滴状流场结构具有优异的传质能力和水管理能力。
以上，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明创造披露的技术范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种燃料电池流场，其特征在于，所述流场包括多行或多列的液滴状流场组；所述液滴状流场组由多个液滴状流场单元连接构成；所述液滴状流场单元包括液滴状支撑结构和支撑结构两侧的流道结构；所述液滴状流场单元之间通过直流道进行连接。
2.根据权利要求1所述的燃料电池流场，其特征在于，所述液滴状流场单元结构一致，大小相同。
3.根据权利要求1所述的燃料电池流场，其特征在于，所述液滴状流场单元的支撑结构在流场板面上的投影形状为液滴形；所述液滴形投影形状包括尾部与头部；所述的尾部形状为半圆形或半椭圆形。
4.根据权利要求3所述的燃料电池流场，其特征在于，所述液滴状流场单元的流道结构对称分布在液滴状支撑结构的两侧；所述支撑结构两侧的流道结构的宽度相等。
5.根据权利要求1所述的燃料电池流场，其特征在于，所述液滴状流场单元之间的直流道宽度小于液滴状流场单元中对称分布的液滴状支撑结构两侧的流道结构的宽度总和。
6.根据权利要求3所述的燃料电池流场，其特征在于，所述液滴状流场单元通过直流道，采用头尾相连的方式进行连接。
7.根据权利要求1所述的燃料电池流场，其特征在于，所述相邻行或列的液滴状流场组在其延伸方向上存在相对偏移。
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