CN116646551A - 一种用于质子交换膜燃料电池的双斜坡气体流道结构 - Google Patents

一种用于质子交换膜燃料电池的双斜坡气体流道结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于质子交换膜燃料电池的双斜坡气体流道结构,由阴极板、阳极板、气体扩散层、催化层和质子交换膜组成。阴极板气体流道结构是双斜坡式结构,并且分支流道由直流道和圆柱形流道组成,相邻分支流道的圆柱形流道沿流动方向呈交替排列,靠近进气流道的分支流道一侧边角进行了突出导流角处理,有助于气体的导流,使各流道气体分布均匀,直流道与圆柱形流道的结合更有助于气体的滞留扩散,扩大了气体与气体扩散层的接触面积,从而提高了质子交换膜燃料电池的能量转换效率。此外,该质子交换膜燃料电池的双斜坡气体流道结构更加有助于反应生成水的排除,防止水淹现象。

Description

一种用于质子交换膜燃料电池的双斜坡气体流道结构
技术领域
本发明属于质子交换膜燃料电池领域,具体涉及一种用于质子交换膜燃料电池的双斜坡气体流道结构。
背景技术
随着环境污染、温室效应与能源短缺的加剧,开发新型能源来替代传统化石燃料已经迫在眉睫。质子交换膜燃料电池由于其低排放、高功率密度和快速响应等优点,被认为是未来最有前途的电源。质子交换膜燃料电池中的燃料通常是氢气,氢气与空气分别输送入电池的阳极和阴极后,将在阴阳两极产生电势差。氢气通过阳极极板上的通道,扩散进入阳极扩散层,并在阳极催化层表面进行电化学反应。而空气中的氧气则通过阴极极板上的通道,扩散至阴极催化层表面。氧气,氢离子与电子在阴极催化剂的作用下,发生电化学反应生成水,而膜电极中生成的液态水最终都是要通过阴极流道从电池内部排出的,因此燃料电池内部的水大多都集中在阴极流道。为提高质子交换膜燃料电池的工作效率,结构设计是重中之重,特别是流场设计是改善电池工作效率和排水性能的重要途径。
常见的流场包括平行流场,蛇形流场和叉指型流场等,平行流场由数条平行的流道组成,每条流道较蛇形流道长度短,因此压降较小,但当流场宽度较大时,并列的流道条数增加,每条流道之间气体分布均匀性较差;平行流场包含多条流道,使每条流道中的流速不高,较难吹走流道中的液态水,容易发生液态水集聚产生水淹现象,降低电池的输出性能和工作稳定性。蛇形流场的反应气体从流场入口只能沿一条流道到达出口,流道中气体流速高,更易于吹走流道中的液态水,排水性能好,但在流场面积较大时,会大幅增加流场压降,由于流场中仅有一条气体流通路径,流道中任何一个位置堵塞都会导致反应气体传输彻底受阻。叉指形流场的特点是非畅通流道,流场内存在很多死端,加强了反应气体进入多孔电极的强制对流,但也会造成很大的水淹现象。
目前流道常见的设计基本都是传统的平行流道、蛇形流道或者叉指型流道,这些流道设计各有其优点,但缺点也很明显。因此需要通过改进流道结构来使反应气体均匀充分地扩散到气体扩散层及催化层内,从而增加反应气体的利用率,并能及时排出从气体扩散层流入流道的液态水,防止发生水淹,保证传质的效率与稳定性,提高电池性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于质子交换膜燃料电池的双斜坡气体流道结构,以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种用于质子交换膜燃料电池的双斜坡气体流道结构,包括燃料电池,所述燃料电池由多个单体电池层叠装配得到,所述单体电池包括阴极板、膜电极和阳极板,所述膜电极由气体扩散层、催化层和质子交换膜组成,所述阴极板与所述阳极板尺寸相同,所述阴极板与所述阳极板四角设有对应的固定孔,并通过螺丝固定组成双极板;
所述阴极板与所述阳极板装在所述膜电极的上下面,所述阴极板中部与所述阳极板中部相对设置有气体流道,所述气体流道包括进气流道、分支流道和出气流道,所述进气流道与所述出气流道之间均匀间隔连通有多个所述分支流道,所述分支流道由直流道和圆柱形流道组成,相邻所述分支流道的所述圆柱形流道沿流动方向呈交替排列;
所述阴极板上设有自其侧部连通其气体流道的阴极进气口和阴极出气口,所述阴极进气口与所述阴极出气口位于所述阴极板相对的两侧并呈对角分布,所述阴极进气口与对应的所述进气流道直通,所述阴极出气口与对应的所述出气流道直通;所述阳极板上设有位于所述阴极进气口相对侧的阳极进气口和位于所述阴极出气口相对侧的阳极出气口,所述阳极进气口与对应的所述进气流道直通,所述阳极出气口与对应的所述出气流道直通;
所述阳极板气体流道顶面为水平式设计,所述阴极板气体流道底面为双斜坡式设计,所述分支流道从连通所述进气流道的一端向连通所述出气流道的一端高度逐渐降低,且所述出气流道从远离所述阴极出气口的一端向连通所述阴极出气口的一端高度逐渐降低。
优选的,所述气体流道结构的长度为L,宽度为W,极板高度为H。直流
优选的,相邻所述分支流道的两相邻的所述圆柱形流道水平距离L1需满足:1.5r≤L1≤3r。
优选的,所述双极板靠近所述进气流道的所述分支流道一侧进行突出导流角处理,所述导流角的夹角θ需满足:30°≤θ≤80°。
优选的,所述气体流道底面与所述阴极板平面夹角α需满足:0°<α≤10°,所述出气流道与所述阴极板平面的夹角β需满足:0°<β≤10°。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、本发明质子交换膜燃料电池双极板气体流道,每分支流道一侧靠近进气流道的端部进行了突出导流角处理,有助于气体的导流,极大促进了气体在各个流道的均匀分配,提高了气体的反应效率;
2、分支流道由直流道和圆柱形流道组成,与直流道相比,圆柱形流道的设计增加了气体的扩散面积,而且还有助于气体在流道中的滞留,更有助于气体向扩散层的扩散,从而提高质子交换膜燃料电池的能量转换效率;
3、相邻分支流道的圆柱形流道沿流动方向呈交替排列,这种设计使得气体在流道中的分布更加均匀,能够增大气体扩散的面积,并且多个分支流道的存在,还有助于降低压降,从而进一步提高燃料电池工作效率;
4、阴极板气体流道采取双斜坡式,分支气体流道斜坡式与出气流道斜坡式组成双斜坡式,从进气流道到出气流道斜坡式有助于反应生成水向出气流道的流入,出气流道斜坡式极大促进了水向流道出口的流出,有效的阻止了水淹现象。
附图说明
图1为本发明的燃料电池单电池结构爆炸图;
图2为本发明的阳极板立体示意图;
图3为本发明的阴极板立体示意图;
图4为本发明的阴极板俯视示意图;
图5为本发明的阴极板结构尺寸示意图;
图6为本发明的阴极板剖面结构示意图;
图7为本发明的阴极板A-A剖面图;
图8为本发明的阴极板B-B剖面图。
图中:1、阴极板;2、膜电极;3、阳极板;4、固定孔;5、阳极进气口;6、阳极出气口;7、阴极进气口;8、阴极出气口;9、出气流道;10、分支流道;11、进气流道;12、圆柱形流道;13、导流角。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅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。
如图1~图4、图6所示,本发明提供一种用于质子交换膜燃料电池的双斜坡气体流道结构,包括燃料电池,所述燃料电池由多个单体电池层叠装配得到,所述单体电池包括阴极板1、膜电极2和阳极板3,所述膜电极2由气体扩散层、催化层和质子交换膜组成,所述阴极板1与所述阳极板3尺寸相同,所述阴极板1与所述阳极板3四角设有对应的固定孔4,并通过螺丝固定组成双极板;所述阴极板1与所述阳极板3装在所述膜电极2的上下面,所述阴极板1中部与所述阳极板3中部相对设置有气体流道,所述气体流道包括进气流道11、分支流道10和出气流道9,利于气体从进气流道11进入后流入不同的分支流道10进行均匀分散,再从出气流道9流出,所述进气流道11与所述出气流道9之间均匀间隔连通有多个所述分支流道10,所述分支流道10由直流道和圆柱形流道12组成,较直流道而言,圆柱形流道12的加入增大了气体的扩散面积,而且还有助于气体在流道中的滞留,促进反应,相邻所述分支流道10的所述圆柱形流道12沿流动方向呈交替排列,更有助于气体向扩散层的扩散,从而提高气体利用率;所述阴极板1上设有自其侧部连通其气体流道的阴极进气口7和阴极出气口8,所述阴极进气口7与所述阴极出气口8位于所述阴极板1相对的两侧并呈对角分布,所述阴极进气口7与对应的所述进气流道11直通,所述阴极出气口8与对应的所述出气流道9直通;所述阳极板3上设有位于所述阴极进气口7相对侧的阳极进气口5和位于所述阴极出气口8相对侧的阳极出气口6,所述阳极进气口5与对应的所述进气流道11直通,所述阳极出气口6与对应的所述出气流道9直通,阴极进气和阳极进气采用逆流方式,实现进气和出气,液态水从阴极出气口8排出;所述阳极板3气体流道顶面为水平式设计,所述阴极板1气体流道底面为双斜坡式设计,所述分支流道10从连通所述进气流道11的一端向连通所述出气流道9的一端高度逐渐降低,且所述出气流道9从远离所述阴极出气口8的一端向连通所述阴极出气口8的一端高度逐渐降低,由于燃料电池所产生的水大多都集中于阴极流道,所以对阴极流道底面采取双斜坡式设计,从进气流道11到出气流道9斜坡式与出气流道9斜坡式组成双斜坡式,分支流道10斜坡式有助于生成的水流向出气流道9,出气流道9斜坡式有助于水向阴极出口8的排出,极大促进了水的排除,有效的阻止了水淹现象。
如图5、图7所示,所述气体流道结构的长度为L,宽度为W,极板高度为H。直流道宽度w1需满足:相邻流道脊的宽度w2需满足:/>所述圆柱形流道12圆柱的半径r需满足:/>圆柱的高度h需满足:/>
本实施方案中,直流道宽度w1、相邻流道脊的宽度w2、圆柱半径r和高度h的范围设定,为达到本发明技术效果的较佳尺寸。
如图5所示,相邻所述分支流道10的两相邻的所述圆柱形流道12水平距离L1需满足:1.5r≤L1≤3r。
本实施方案中,距离L1的范围设定,为达到本发明技术效果的较佳尺寸。
如图5、图6所示,所述双极板靠近所述进气流道11的所述分支流道10一侧进行突出导流角13处理,所述导流角13的夹角θ需满足:30°≤θ≤80°。
本实施方案中,气体在进入进气流道11后,受到突出导流角13的影响,部分气体会因导流角13阻挡进入下方分支流道10,部分气体沿导流角13斜面进入上方分支流道10,极大促进了气体在各个流道的均匀分配,夹角θ的范围设定,为达到本发明技术效果的较佳尺寸。
如图7、图8所示,所述气体流道底面与所述阴极板1平面夹角α需满足:0°<α≤10°,所述出气流道9与所述阴极板1平面的夹角β需满足:0°<β≤10°。
本实施方案中,夹角α、夹角β的范围设定,为达到本发明技术效果的较佳尺寸。
为了方便理解本发明的上述技术方案,以下就本发明在实际过程中的工作原理或者操作方式进行详细说明。
工作原理:燃料电池工作时,阴极进气和阳极进气采用逆流方式,阳极气体从阳极进气口5进入,阴极气体从阴极进气口7进入。气体在进入进气流道11后,受到突出导流角13的影响,部分气体会因导流角13阻挡进入下方分支流道10,部分气体沿导流角13斜面进入上方分支流道10,极大促进了气体在各个流道的均匀分配,提高了气体的反应效率。
气体进入分支流道10后,沿直流道与圆柱形流道12进行流动,与直流道相比,圆柱形流道12的设计提高了气体的扩散面积,而且还有助于气体在流道中的滞留,更有助于气体向扩散层的扩散,从而提高质子交换膜燃料电池的能量转换效率。相邻分支流道10的圆柱形流道12沿流动方向呈交替排列,这种设计使得气体在流道中的分布更加均匀,能够增大气体扩散的面积,并且多个分支流道10的存在,还有助于降低压降,从而进一步提高燃料电池工作效率。
阳极板3气体流道底面采用传统水平式设计,由于燃料电池所产生的水大多都集中于阴极流道,所以对阴极板1流道底面采取双斜坡式设计,从阴极进气流道11到阴极出气流道9斜坡式,也就是分支流道10呈斜坡式,与出气流道9斜坡式组成双斜坡式,分支流道10斜坡式有助于生成的水流向出气流道9,出气流道9斜坡式有助于水向阴极出口8的排出,极大促进了电池内水的排除,有效的阻止了水淹现象,也有助于气体的流动,提高燃料电池效率。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种用于质子交换膜燃料电池的双斜坡气体流道结构,包括燃料电池,其特征在于,所述燃料电池由多个单体电池层叠装配得到,所述单体电池包括阴极板(1)、膜电极(2)和阳极板(3),所述膜电极(2)由气体扩散层、催化层和质子交换膜组成,所述阴极板(1)与所述阳极板(3)尺寸相同,所述阴极板(1)与所述阳极板(3)四角设有对应的固定孔(4),并通过螺丝固定组成双极板;
所述阴极板(1)与所述阳极板(3)装在所述膜电极(2)的上下面,所述阴极板(1)中部与所述阳极板(3)中部相对设置有气体流道,所述气体流道包括进气流道(11)、分支流道(10)和出气流道(9),所述进气流道(11)与所述出气流道(9)之间均匀间隔连通有多个所述分支流道(10),所述分支流道(10)由直流道和圆柱形流道(12)组成,相邻所述分支流道(10)的所述圆柱形流道(12)沿流动方向呈交替排列;
所述阴极板(1)上设有自其侧部连通其气体流道的阴极进气口(7)和阴极出气口(8),所述阴极进气口(7)与所述阴极出气口(8)位于所述阴极板(1)相对的两侧并呈对角分布,所述阴极进气口(7)与对应的所述进气流道(11)直通,所述阴极出气口(8)与对应的所述出气流道(9)直通;所述阳极板(3)上设有位于所述阴极进气口(7)相对侧的阳极进气口(5)和位于所述阴极出气口(8)相对侧的阳极出气口(6),所述阳极进气口(5)与对应的所述进气流道(11)直通,所述阳极出气口(6)与对应的所述出气流道(9)直通;
所述阳极板(3)气体流道顶面为水平式设计,所述阴极板(1)气体流道底面为双斜坡式设计,所述分支流道(10)从连通所述进气流道(11)的一端向连通所述出气流道(9)的一端高度逐渐降低,且所述出气流道(9)从远离所述阴极出气口(8)的一端向连通所述阴极出气口(8)的一端高度逐渐降低。
2.根据权利要求1所述的一种用于质子交换膜燃料电池的双斜坡气体流道结构,其特征在于,所述气体流道结构的长度为L,宽度为W,极板高度为H。直流道宽度w1需满足:相邻流道脊的宽度w2需满足:/>所述圆柱形流道(12)圆柱的半径r需满足:/>圆柱的高度h需满足:/>
3.根据权利要求2所述的一种用于质子交换膜燃料电池的双斜坡气体流道结构,其特征在于,相邻所述分支流道(10)的两相邻的所述圆柱形流道(12)水平距离L1需满足:1.5r≤L1≤3r。
4.根据权利要求1所述的一种用于质子交换膜燃料电池的双斜坡气体流道结构,其特征在于,所述双极板靠近所述进气流道(11)的所述分支流道(10)一侧进行突出导流角(13)处理,所述导流角(13)的夹角θ需满足:30°≤θ≤80°。
5.根据权利要求1所述的一种用于质子交换膜燃料电池的双斜坡气体流道结构,其特征在于,所述气体流道底面与所述阴极板(1)平面夹角α需满足:0°<α≤10°,所述出气流道(9)与所述阴极板(1)平面的夹角β需满足:0°<β≤10°。
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