CN116565248A - 一种流道收缩式双极板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流道收缩式双极板，属于燃料电池技术领域，包括基板，基板上设有连接燃料气体入口的第一主流道和连接燃料气体出口的第二主流道，所述第一主流道与第二主流道平行设置，所述第一主流道与第二主流道之间设有平行间隔设置的若干条分流道，所述分流道的两端分别连通所述第一主流道和第二主流道，所述分流道内设有若干组沿所述分流道中心线对称设置的矩形凸起，两个相对的矩形凸起之间设有流通通道。本发明有助于提高质子交换膜燃料电池的水气管理性能，进而提高单电池的输出性能，广泛应用于燃料电池中。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种流道收缩式双极板。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其具有绿色环保与效率高等优势，应用于军事和民用领域。目前，水气管理问题成为了该行业进一步发展的阻碍，针对如何改善其内部的水管理与传质问题，国内外的研究者从多个方面入手，针对PEM燃料电池的不同部件进行研究。双极板流场结构的细微改动会对PEM燃料电池的性能产生影响。研究人员通过计算机仿真或者实验等其他手段设计了多种性能优异的流场结构，以此提高水管理能力，促进PEM燃料电池行业的发展。
质子交换膜燃料电池在实际应用中所处的工作工况通常为浓差极化区，在此阶段影响质子交换膜燃料电池输出性能的主要因素为水气传输。PEM燃料电池的各部件在其运行过程中都发挥了不可或缺的作用，在传质方面，针对双极板而言，是反应物传输的通道，双极板的流道结构对于反应物在流道内是以何种状态流动具有重要影响，平行流道具有低压降和难排水的特点。为改善PEM燃料电池的输出性能，这就要求双极板的流道结构要对反应物分散的均匀性问题提供帮助，使得反应物通过气体扩散层可以均匀地在催化层上进行反应，保证PEM燃料电池处于一个相对稳定的工作状态，既可以保证相对稳定的电力输出，也可以避免因反应不均而造成局部热点的存在，以此对燃料电池的使用寿命产生影响。在水管理方面，由于在浓差极化区电化学反应剧烈，加之对反应物加湿，使得燃料电池内部含有大量的水，过量的水会堵塞双极板的气体流道也会将气体扩散层用来传质的孔堵塞；过少的水又会影响质子交换膜的质子传导率、组件之间的接触电阻同时也会对于PEM燃料电池组件的寿命产生影响，因此结构优良的双极板流道要求能够及时地排出PEM燃料电池内部多余的水。双极板在设计过程中，不能一味地追求性能提升，在考虑性能提升的同时也要考虑到加工的成本、寿命问题以及PEM燃料电池工作的净功率问题。
因此，双极板的流道设计首先考虑流场的整体布局，而后考虑每个流道的具体结构。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题是：提供一种流道收缩式双极板，有助于提高质子交换膜燃料电池的水气管理性能，进而提高单电池的输出性能。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种流道收缩式双极板，包括基板，所述基板上设有连接燃料气体入口的第一主流道和连接燃料气体出口的第二主流道，所述第一主流道与第二主流道平行设置，所述第一主流道与第二主流道之间设有平行间隔设置的若干条分流道，所述分流道的两端分别连通所述第一主流道和第二主流道，所述分流道内设有若干组沿所述分流道中心线对称设置的矩形凸起，两个相对的矩形凸起之间设有流通通道。
作为一种改进，所述分流道与第一主流道和第二主流道垂直设置。
作为进一步的改进，所述燃料气体出口与燃料气体入口呈对角线分布。
作为进一步的改进，所述矩形凸起的凸出方向垂直于所述分流道的延伸方向。
作为进一步的改进，所述流通通道的宽度与所述分流道的宽度比值为2:5。
作为进一步的改进，所述矩形凸起的凸出长度为0.3mm，所述分流道的宽度为1mm。
采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：
本发明实施例分流道内设有若干组沿分流道中心线对称设置的矩形凸起，两个相对的矩形凸起之间设有流通通道，矩形凸起的凸出方向垂直于分流道的延伸方向，流通通道的截面积小于分流道的截面积，因此分流道内在流通通道位置形成收缩可以促进双极板流道内的反应物以更加均匀地状态分布在反应区域，同时促进生成物的排出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。
图1是本发明实施例基板的结构示意图；
图2是本发明实施例中分流道的结构示意图；
图3是现有技术平行流场基板的结构示意图；
图4是直角收缩式结构与平行流场的质子交换膜燃料电池性能图；
图5是阴极气体扩散层与催化层交界面氧气质量分布云图；
图6是阴极气体扩散层与催化剂层交界面的水含量分布图；
图中：1、基板，2、燃料气体入口，3、第一主流道，4、燃料气体出口，5、第二主流道，6、分流道，7、矩形凸起，8、流通通道，9、双极板，10、流体分流道。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本说明书中所引用的如“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1和图2所示，本发明提供了一种流道收缩式双极板，包括方形的基板1，基板1上设有连接燃料气体入口2的第一主流道3和连接燃料气体出口4的第二主流道5，燃料气体出口4与燃料气体入口2呈对角线分布，燃料气体入口2方便反应物顺利地进入到质子交换膜燃料电池内部参与反应，燃料气体出口4方便未反应的物质以及反应生成的液态水排出电池外部，第一主流道3与第二主流道5平行设置，第一主流道3与第二主流道5之间设有平行间隔设置的若干条分流道6，分流道6的两端分别连通第一主流道3和第二主流道5，分流道6与第一主流道3和第二主流道5垂直设置，分流道6内设有若干组沿分流道6中心线对称设置的矩形凸起7，两个相对的矩形凸起7之间设有流通通道8，矩形凸起7的凸出方向垂直于分流道6的延伸方向，流通通道8的截面积小于分流道6的截面积，在此，分流道6内所设置的矩形凸起7结构称为直角收缩式结构，在流通通道8位置形成收缩可以促进双极板流道内的反应物以更加均匀地状态分布在反应区域，同时促进生成物的排出。
流通通道8的宽度与分流道6的宽度比值为2:5，具体的说，矩形凸起7的凸出长度为0.3mm，分流道6的宽度为1mm，流通通道8的宽度为0.4mm。
反应物通过燃料气体入口2进入到第一主流道3，开始流动，在与分流道6相接处进入到分流道6，最终遍及整个反应区域，最终汇集到第二主流道5处，通过第二主流道5端部的燃料气体出口4排出，在流经分流道6时，由于流通通道8的截面面积小于分流道6的截面面积，在矩形凸起7处可以促进双极板流道内的反应物以更加均匀地状态分布在反应区域，同时促进生成物的排出。
如图3所示，现有平行流场的双极板9上具有相互平行的流体分流道10，流体分流道10的截面面积均匀相等，通过计算机模拟仿真对平行流场与直角收缩式结构的质子交换膜燃料电池进行了验证，具体分析如下:
从图4中可以看出，在高电流密度区域，随着电流密度的增加，曲线的差异化越来越明显，这表明直角收缩式结构的单电池在高电流密度区域具有优异的输出性能。下表为燃料电池输出性能表，
从表中可以看到，直角收缩式结构的单电池的极限输出性能相较于平行流场单电池的极限输出性能提高了8.14％。高电流密度区域电池的输出性能主要受限于浓差极化，随着电流密度的增加，反应物向气体扩散层的扩散速率逐渐成为制约性能提升的主要因素，所以单电池的水气传输问题是主要的影响因素，因此单电池的输出性能提升的原因是通过改善流道结构影响了单电池的水气管理能力，在直角收缩式结构的影响下，使反应物的供给速率与单电池的消耗速率的差值较平行流场减小，这种改善的原因有：(a)由于直角收缩式结构的存在，使流道中的水的去除速率增大，由此影响到了气体扩散层和催化层水的去除速率，避免了催化剂层反应位点与气体扩散层气体传输通道的的堵塞。(b)直角收缩式结构在其附近改变了流体的运动状态，形成了涡流，使得反应气更容易的通过气体扩散层达到反应位点。
图5为阴极气体扩散层与催化层交界面的氧气质量分数分布云图，从图5中可以看出同一流场的不同位置的氧气分布存在很大的差别，这种反应物分配不均的现象会限制单电池的输出性能，同时氧气分布不均会引发反应集中的问题，反应集中会导致局部热点的出现，局部热点的出现会使质子交换膜的含水量降低，从而影响质子由阳极向阴极的传输，同时温度过高会进一步影响质子交换膜的使用寿命。通过云图5可以看到，在经过改进后氧气的分布均匀性得到改善，通过辅助对比线可以观察到，低氧气质量分数的区域减小，并且质量分数也有提高。这种改变可能的原因有：(a)由于流道的体积减小，在保持同一质量流量的前提下，气体流速加快，反应物在同一位置的速度更大，在中后段有更大的动能，减小了低氧气浓度区域的面积；(b)由于流道截面尺寸的突然改变，在直角收缩处产生了涡流，对氧流动的扰动能力增强，有利于更多的氧气到达气体扩散层，随后从气体扩散层到达催化层的反应位点，进行电化学反应。
图6为阴极气体扩散层与催化剂层交界面的水含量分布图，借助图6中的辅助对比线可以看出，流道在经过结构优化后，水含量的分布情况有明显的改善，液态水的分布均匀性在逐步提高，水在流道内的顺利流动及时排出了流道内由于电化学反应产生的液态水，避免了水淹现象的发生，使得更多的反应气可以通过气体扩散层的孔到达催化层参与电化学反应。液态水分布均匀有利于提高质子交换膜的使用寿命、提高质子传导率，对于单电池的输出性能的提高起到一定的积极作用。
通过对上述直角收缩式流场结构与平行流场结构进行计算机建模仿真，通过对比两种结构对质子交换膜燃料电池性能的影响，证明了本发明对于平行流场优化的必要性。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (6)
1.一种流道收缩式双极板，包括基板，所述基板上设有连接燃料气体入口的第一主流道和连接燃料气体出口的第二主流道，所述第一主流道与第二主流道平行设置，其特征在于，所述第一主流道与第二主流道之间设有平行间隔设置的若干条分流道，所述分流道的两端分别连通所述第一主流道和第二主流道，所述分流道内设有若干组沿所述分流道中心线对称设置的矩形凸起，两个相对的矩形凸起之间设有流通通道。
2.根据权利要求1所述的流道收缩式双极板，其特征在于，所述分流道与第一主流道和第二主流道垂直设置。
3.根据权利要求2所述的流道收缩式双极板，其特征在于，所述燃料气体出口与燃料气体入口呈对角线分布。
4.根据权利要求1或2或3所述的流道收缩式双极板，其特征在于，所述矩形凸起的凸出方向垂直于所述分流道的延伸方向。
5.根据权利要求3所述的流道收缩式双极板，其特征在于，所述流通通道的宽度与所述分流道的宽度比值为2:5。
6.根据权利要求4所述的流道收缩式双极板，其特征在于，所述矩形凸起的凸出长度为0.3mm，所述分流道的宽度为1mm。
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