CN115513485A - 一种梯度金属泡沫流场结构及质子交换膜燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种梯度金属泡沫流场结构及质子交换膜燃料电池，其中，所述梯度金属泡沫流场结构包括沿着质子交换膜燃料电池的长度方向或厚度方向排列的多个金属泡沫层，其中，所述金属泡沫层的孔隙率或孔密度沿着所述质子交换膜燃料电池的长度方向或厚度方向逐渐增大或减小。通过上述改进，使得所述梯度金属泡沫流场结构可以改善反应气体在整个流场的分布均匀性，提升反应气体的利用率，减少浓差极化的影响。

Description

一种梯度金属泡沫流场结构及质子交换膜燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种梯度金属泡沫流场结构及质子交换膜燃料电池。
背景技术
“双碳”目标下，传统化石能源结构将逐步向可再生能源转型，而氢能作为一种新型的清洁能源，具有热值高、可再生、清洁无污染等优点，在能源转型的各个环节中发挥着必不可少的作用。质子交换膜燃料电池作为氢能的重要应用载体，具有零污染、高功率密度、高效率等优点，已经成为目前氢能利用得很好的工具之一，在汽车领域有着广阔的应用前景。
质子交换膜燃料电池主要由双极板和膜电极组成，双极板上加工带有流场，该流场的功能是用于引导反应气体的流动方向，并将产物水排出电池外。因此，流场设计影响着质子交换膜燃料电池的传质和水管理能力，质子交换膜燃料电池中的反应物分布不均会导致电流密度分布不均匀，使得电池性能下降；而一个好的流场结构应当能确保反应气体能均匀地分配到电极的各个位置，并提升电池的水管理能力。而金属泡沫由于其独特的多孔结构能为反应气体提供更多通道，相比传统流场具有更好的传输反应气体的能力。因此，金属泡沫作为传统流场的替代方案受到研究学者们的广泛关注。
然而，常规的金属泡沫流场结构虽然能避免传统沟脊流场所存在的反应气体横向分布不均匀问题，但在高电流密度的运行条件下，随着电化学反应的发生，反应气体沿流道方向不断减少，在质子交换膜燃料电池的后半段仍然会出现供气不足，导致发生严重的浓差极化。此外，目前大部分关于金属泡沫流场的研究工作都是基于均匀孔隙率的金属泡沫，对梯度化孔隙率的金属泡沫研究还很少，其多孔结构优势仍然有待发掘。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种梯度金属泡沫流场结构，所述梯度金属泡沫流场结构可以改善反应气体在整个流场的分布均匀性，提升反应气体的利用率，减少浓差极化的影响。
本发明的第二个目的在于提供一种应用上述梯度金属泡沫流场结构的质子交换膜燃料电池。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
一种梯度金属泡沫流场结构，包括沿着质子交换膜燃料电池的长度方向或厚度方向排列的多个金属泡沫层，其中，所述金属泡沫层的孔隙率或孔密度沿着所述质子交换膜燃料电池的长度方向或厚度方向逐渐增大或减小。
优选的，所述金属泡沫层的数量为3-7层。
优选的，所述的孔隙率的变化范围为0.6-0.98；所述的孔密度的变化范围为5PPI-100PPI。
优选的，所述金属泡沫层为5层，其中，沿着反应气体流动方向的金属泡沫层的孔隙率不断减小，且分别为：0.9、0.85、0.8、0.75、0.7。
优选的，所述金属泡沫层为5层，其中，沿着反应气体流动方向的金属泡沫层的孔密度不断增大，且分别为：30PPI、40PPI、50PPI、60PPI、70PPI。
优选的，沿着所述质子交换膜燃料电池的厚度方向，所述金属泡沫层的数量为3层，且孔隙率依次增大，分别为：0.7、0.8、0.9。
优选的，沿着所述质子交换膜燃料电池的厚度方向，所述金属泡沫层的数量为3层，且孔密度依次减小，分别为：70PPI、50PPI、30PPI。
优选的，所述的金属泡沫层的材质为镍、铜、钛和不锈钢中的其中一种或多种。
一种质子交换膜燃料电池，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、阴极流道和阴极极板，其中，所述阴极流道和阳极流道采用所述的梯度金属泡沫流场结构。
优选的，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、阴极流道和阴极极板自上而下结为一体。
本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：
(1)、在质子交换膜燃料电池的运行过程中，随着电化学反应的发生，反应气体的浓度沿流道方向(即质子交换膜燃料电池的长度方向)不断减少，即在随着电化学反应的进行中，质子交换膜燃料电池的出口段的反应气体的浓度要比质子交换膜燃料电池的进口段的反应气体的浓度低，而使用本发明的梯度金属泡沫流场结构作为流场，在质子交换膜燃料电池的后半段使用孔隙率更小(孔密度保持不变)或孔密度更大(孔隙率保持不变)的金属泡沫层来增加气体传输阻力，延长气体的停留时间，增加该反应区域的反应气体的浓度，从而减少后半段的浓差极化，以此提升反应气体的利用率，最终使质子交换膜燃料电池的性能得以提升。
(2)、本发明的梯度金属泡沫流场结构通过在厚度方向上设置梯度参数，即在厚度方向上的孔隙率不断增大(孔密度不变)；或者在厚度方向上的孔密度不断减小(孔隙率不变)，这样则使得反应气体进入较大的孔隙率或则较小的孔密度的金属泡沫层时，所受到的传输阻力减少，即上方的较大的传输阻力迫使反应气体进入扩散层(即沿着孔隙率增大或者孔密度减小的方向)，从而减少电池在高电流密度时浓差极化的影响，以此提升反应气体的利用率，最终使质子交换膜燃料电池的性能得以提升。
(3)、本发明的质子交换膜燃料电池使用梯度金属泡沫流场，既能避免传统沟脊流场所存在的反应气体横向分布不均匀问题，也能缓解在高电流密度的运行条件下，电池的后半段的供气不足的问题，进一步提升电池性能。
附图说明
图1为本发明的梯度金属泡沫流场结构中的金属泡沫层的孔隙率递减(长度方向)时的梯度设计图。
图2为本发明的梯度金属泡沫流场结构中的金属泡沫层的孔密度递增(增大方向)时的梯度设计图。
图3为本发明的梯度金属泡沫流场结构中的金属泡沫层的孔隙率递增(厚度方向)时的梯度设计图。
图4为本发明的梯度金属泡沫流场结构中的金属泡沫层的孔密度递减(厚大方向)时的梯度设计图。
图5为本发明的质子交换膜燃料电池的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本发明的梯度金属泡沫流场结构包括沿着质子交换膜燃料电池的长度方向或厚度方向排列的多个金属泡沫层，其中，所述金属泡沫层的孔隙率或孔密度沿着质子交换膜燃料电池的长度方向或厚度方向逐渐增大或减小；其中，所述金属泡沫层的数量为3-7层；所述的孔隙率的变化范围为0.6-0.98；所述的孔密度的变化范围为5PPI-100PPI。
将本发明的梯度金属泡沫流场结构作为流场：
1)、在质子交换膜燃料电池的后半段使用孔隙率更小(孔密度不变)或孔密度更大(孔隙率不变)的金属泡沫层，在质子交换膜燃料电池的运行过程中，随着电化学反应的发生，反应气体的浓度沿流道方向(即质子交换膜燃料电池的长度方向)不断减少，即在随着电化学反应的进行中，质子交换膜燃料电池的出口段的反应气体的浓度要比质子交换膜燃料电池的进口段的反应气体的浓度低，而使用本发明的梯度金属泡沫流场结构作为流场，在质子交换膜燃料电池的后半段使用孔隙率更小(孔密度保持不变)或孔密度更大(孔隙率保持不变)的金属泡沫层来增加气体传输阻力，延长气体的停留时间，增加该反应区域的反应气体的浓度，从而减少后半段的浓差极化，以此提升反应气体的利用率，最终使质子交换膜燃料电池的性能得以提升。
2)、通过在厚度方向上设置梯度参数，即在厚度方向上的孔隙率不断增大(孔密度不变)；或者在厚度方向上的孔密度不断减小(孔隙率不变)，这样则使得反应气体进入较大的孔隙率或则较小的孔密度的金属泡沫层时，所受到的传输阻力减少，即上方的较大的传输阻力迫使反应气体进入扩散层(即沿着孔隙率增大或者孔密度减小的方向)，从而减少电池在高电流密度时浓差极化的影响，以此提升反应气体的利用率，最终使质子交换膜燃料电池的性能得以提升。
另外，在本实施例中，所述的金属泡沫层的材质为镍、铜、钛和不锈钢中的其中一种或多种。
实施例2
如图1所示，本实施例中的梯度金属泡沫流场结构针对孔密度相等时的孔隙率梯度化设计，具体为：
金属泡沫层内的流场沿反应气体的流动方向长50mm，在保证孔密度不变的条件下，将金属泡沫层内的流场等分成5份，沿着反应气体流动方向即质子交换膜燃料电池的长度方向)，金属泡沫层的孔隙率不断减小，变化范围为0.7-0.9。
如图2所示，沿流动方向，金属泡沫层的孔隙率分别为：0.9、0.85、0.8、0.75、0.7。
实施例3
如图2所示，本实施例的梯度金属泡沫流场结构是针对孔隙率相等时的孔密度梯度化设计，具体为：
金属泡沫层内的流场沿反应气体的流动方向长50mm，在保证孔隙率不变的条件下，将金属泡沫层内的流场等分成5份，沿反应气体流动方向(即质子交换膜燃料电池的长度方向)，金属泡沫层的孔密度不断增大，其变化范围为30PPI-70PPI。
如图2所示，沿流动方向，金属泡沫层的孔密度分别为30PPI、40PPI、50PPI、60PPI、70PPI。
实施例4
如图3所示，本实施例的梯度金属泡沫流场结构是针对质子膜交换电池的厚度方向的孔密度相等时的孔隙率梯度化设计，具体方法如下：
金属泡沫流场厚度为1mm，在保证孔密度不变的条件下，将金属泡沫流场等分成3份，沿质子膜交换电池的厚度方向，金属泡沫层的孔隙率不断增大，变化范围为0.7-0.9。
如图3所示，沿质子膜交换电池的厚度方向，金属泡沫层的孔隙率分别为、0.7、0.8、0.9。
实施例5
如图4所示，本实施例的梯度金属泡沫流场结构是针对质子膜交换电池的厚度方向的孔隙率相等时的孔密度梯度化设计，具体方法如下：
金属泡沫流场厚度为1mm，在保证孔隙率不变的条件下，将金属泡沫流场等分成3份，沿质子膜交换电池的厚度方向，金属泡沫层的密度不断减小，变化范围为30PPI-70PPI。如图4所示，沿质子膜交换电池的厚度方向，金属泡沫层的孔密度分别为70PPI、50PPI、30PPI。
实施例6
参见图5，图5利用本发明的梯度金属泡沫流场结构作为流场的质子交换膜燃料电池，该质子交换膜燃料电池从上到下依次为阳极极板1、阳极流场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、阴极流场8、阴极极板9。在质子交换膜燃料电池的运行过程中，随着电化学反应的发生，反应气体的浓度沿流道方向不断减少，而使用本实施例的梯度金属泡沫流场结构作为流场，在质子交换膜燃料电池的后半段使用孔隙率更小或孔密度更大的金属泡沫层，迫使更多的反应气体通过扩散层，进入催化层参与化学反应，从而提升反应气体的利用率，最终使质子交换膜燃料电池的性能得以提升。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种梯度金属泡沫流场结构，其特征在于，包括沿着质子交换膜燃料电池的长度方向或厚度方向排列的多个金属泡沫层，其中，所述金属泡沫层的孔隙率或孔密度沿着所述质子交换膜燃料电池的长度方向或厚度方向逐渐增大或减小。
2.根据权利要求1所述的梯度金属泡沫流场结构，其特征在于，所述金属泡沫层的数量为3-7层。
3.根据权利要求2所述的梯度金属泡沫流场结构，其特征在于，所述的孔隙率的变化范围为0.6-0.98；所述的孔密度的变化范围为5PPI-100PPI。
4.根据权利要求3所述的梯度金属泡沫流场结构，其特征在于，所述金属泡沫层为5层，其中，沿着反应气体流动方向的金属泡沫层的孔隙率不断减小，且分别为：0.9、0.85、0.8、0.75、0.7。
5.根据权利要求3所述的梯度金属泡沫流场结构，其特征在于，所述金属泡沫层为5层，其中，沿着反应气体流动方向的金属泡沫层的孔密度不断增大，且分别为：30PPI、40PPI、50PPI、60PPI、70PPI。
6.根据权利要求3所述的梯度金属泡沫流场结构，其特征在于，沿着所述质子交换膜燃料电池的厚度方向，所述金属泡沫层的数量为3层，且孔隙率依次增大，分别为：0.7、0.8、0.9。
7.根据权利要求3所述的梯度金属泡沫流场结构，其特征在于，沿着所述质子交换膜燃料电池的厚度方向，所述金属泡沫层的数量为3层，且孔密度依次减小，分别为：70PPI、50PPI、30PPI。
8.根据权利要求5所述的梯度金属泡沫流场结构，其特征在于，所述的金属泡沫层的材质为镍、铜、钛和不锈钢中的其中一种或多种。
9.一种质子交换膜燃料电池，其特征在于，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、阴极流道和阴极极板，其中，所述阴极流道和阳极流道采用权利要求1-8中任一项所述的梯度金属泡沫流场结构。
10.根据权利要求9所述的质子交换膜燃料电池，其特征在于，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、阴极流道和阴极极板自上而下结为一体。
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