CN116682987A - 质子交换膜燃料电池用双极板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种质子交换膜燃料电池用双极板,包括底板,在底板上开设有中部安装腔、前部入口腔和后部出口腔;所述底板的中部安装腔从上往下间隔均匀且平行与中部安装腔轴向方向内侧壁布置有若干行肋形成主流场区,且每相邻两肋之间、最上方的肋与中部安装腔的上侧壁之间、最下方的肋与中部安装腔的下侧壁之间均形成主流场流道,每条主流场流道内均沿主流场流道方向间隔均匀布置有若干组缩口隔板组件。通过局部加速和阻碍作用,使得气体在流场内既能有效除水,也能通过增加垂向速度加强传质能力;避免了阴极流道尾部的水淹,提高了反应气体在流场内的均匀分布和传质能力,从而提高了燃料电池的电池性能。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域,具体涉及一种质子交换膜燃料电池用双极板。
背景技术
能源和环境是人类共同面临的重要问题。考虑到可持续发展的要求,通过电极反应将化学能直接转化为电能的燃料电池技术备受能源工作者的关注。此外,燃料电池还具有无污染、建设周期短、维护方便、成本低等吸引人的特点。由于质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有较高的工作电流密度,可作为固定电站或移动车辆的动力源,在世界范围内掀起了对PEMFC的研究与开发热潮。双极板是PEMFC的关键部件之一,占电池质量的60%以上,成本的30%以上。双极板的流场设计是影响电池性能的重要因素之一。流场结构在很大程度上决定了质子交换膜燃料电池的输出性能。优异的通道结构加速了催化层中的电化学反应,有效地避免了阴极侧的水淹。
发明内容
本发明的目的就是针对上述技术的缺陷,提供了一种流动阻力小、氧气分布均匀、传输效率高的质子交换膜燃料电池双极板。
为实现上述目的,本发明提供一种质子交换膜燃料电池用双极板,包括底板,在底板上开设有中部安装腔、前部入口腔和后部出口腔,且中部安装腔分别与前部入口腔和后部出口腔相连通;所述底板的中部安装腔从上往下间隔均匀且平行与中部安装腔轴向方向内侧壁布置有若干行肋形成主流场区,且每相邻两肋之间、最上方的肋与中部安装腔的上侧壁之间、最下方的肋与中部安装腔的下侧壁之间均形成主流场流道,每条主流场流道内均沿主流场流道方向间隔均匀布置有若干组缩口隔板组件。
进一步地,每组所述缩口隔板组件包括两个对称布置的缩口隔板,每个缩口隔板包括平板及倾斜布置在平板端面的斜板,缩口隔板竖直布置在中部安装腔的底面上且平板的竖直面与隔板平行,每组缩口隔板组件中两个斜板相交的夹角为30°~60°。
进一步地,每组所述缩口隔板组件的对称面与该缩口隔板组件所在的主流场流道的轴向对称面共面,且斜板与平板的结合面为曲面或者流线型面。
进一步地,每个所述缩口隔板的高度略小于主流场流道的高度。
进一步地,两个所述缩口隔板中的斜板向内倾斜且斜板朝向主流场流道的出口方向形成出口型缩口隔板,或者两个缩口隔板中的斜板向外倾斜且斜板朝向主流场流道的入口方向形成入口型缩口隔板;或者出口型缩口隔板和入口型缩口隔板交替均匀排布。
进一步地,所述底板上且位于入口分配区的外侧开有空气入口、冷却水入口和氢气出口,底板上且位于出口分配区的外侧开有氢气入口、冷却水出口和空气出口。
进一步地,所述前部入口腔且位于主流场区的前方阵列布置有若干圆柱凸台形成入口分配区,后部出口腔且位于主流场区的后方阵列布置有若干圆柱凸台形成出口分配区。
进一步地,所述底板中的密封槽通过密封垫与膜电极的边框密封贴合。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:本发明通过局部加速和阻碍作用,使得气体在流场内既能有效除水,同时也能通过增加垂向速度加强传质能力;避免了阴极流道尾部的水淹,提高了反应气体在流场内的均匀分布和传质能力,从而提高了燃料电池的电池性能。
附图说明
图1为本发明质子交换膜燃料电池用双极板结构示意图;
图2为图1中A处放大示意图;
图3为缩口隔板组件第一种安装结构示意图;
图4为缩口隔板组件第二种安装结构示意图;
图5为缩口隔板组件第三种安装结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明,便于更清楚地了解本发明,但它们不对本发明构成限定。
如图1所示质子交换膜燃料电池用双极板,包括底板5,底板5中的密封槽2通过密封垫与膜电极的边框密封贴合。按照图1的方向,在底板5上开设有中部安装腔、前部入口腔和后部出口腔,且中部安装腔分别与前部入口腔和后部出口腔相连通。
底板5的中部安装腔从上往下(按照图1的方向)间隔均匀且平行与中部安装腔轴向方向内侧壁布置有若干行肋13形成主流场区14,且每相邻两肋13之间、最上方的肋13与中部安装腔的上侧壁之间、最下方的肋13与中部安装腔的下侧壁之间均形成主流场流道,每条主流场流道内均沿主流场流道方向间隔均匀布置有若干组缩口隔板组件7;前部入口腔且位于主流场区的前方阵列布置有若干圆柱凸台12形成入口分配区6,后部出口腔且位于主流场区的后方阵列布置有若干圆柱凸台12形成出口分配区8。
结合图2所示每组缩口隔板组件7包括两个对称布置的缩口隔板15,每个缩口隔板15包括平板16及倾斜布置在平板16端面的斜板17,缩口隔板15竖直布置在中部安装腔的底面上且平板15的竖直面与肋13平行。两个缩口隔板15中的斜板17向内倾斜且斜板17朝向主流场流道的出口方向形成出口型缩口隔板,如图3所示;或者如图4所示,两个缩口隔板15中的斜板17向外倾斜且斜板17朝向主流场流道的入口方向形成入口型缩口隔板;或者如图5所示,出口型缩口隔板和入口型缩口隔板交替均匀排布。本发明在主流场流道中加入缩口隔板组件,以达到加速流场内反应气体,实现流场内反应物分布均匀,有利于传质和除水,防止大电流密度下的水淹,提高电池输出性能。
本实施例中,每组缩口隔板组件7的对称面与该缩口隔板组件7所在的主流场流道的轴向对称面共面,且斜板17与平板16的结合面为曲面或者流线型面,以减少压降。每个缩口隔板15的高度略小于主流场流道的高度,以实现在缩口隔板左右的气体和水能够在产生的二次流下实现交换;每组缩口隔板组件7中两个斜板17相交的夹角(即缩口角度)为30°~60°,以减小压降的产生。
另外,底板5上且位于入口分配区的外侧开有空气入口1、冷却水入口3和氢气出口4,同样,底板5上且位于出口分配区的外侧开有氢气入口11、冷却水出口10和空气出口9。如图1所示,空气从空气入口1经入口分配区6均匀分配进入主流场流道,气体经缩口隔板组件7加速,实现反应气体均匀分布和加强传热和传质的目的,最后在出口分配区8汇集从空气出口9流出流场板,入口分配区6和出口分配区8对进入的空气进行合理分配以达到气体分配均匀目的,并对膜电极提供支撑。
本发明采用缩口加速流道,缩口隔板由于其流线型及在流道横向方向的投影面积小,其泵送能耗更小,净功率更高;本发明在流道内布置缩口隔板,在相同的泵送功率下,缩口加速流道的熵产比直流道低,表明了更高的传热传质性能,且隔板在高度上的延伸,迫使更多流体流向GDL表面,传热和传质过程都可以得到加强。在流道上方布置的加速结构能够将入口的气体送至下游,而气体受到隔板的阻碍,产生垂向的速度,迫使气体在流道下游进入反应位点,改善了流道下游的缺气现象,使反应气体分布更加均匀。在压力轻微升高和反应物分布均匀的情况下,在流动方向和垂直方向上都能显著强化反应物输运。且由于流速差和流速在流道中呈现加速趋势,有利于对水的清除,改善大电流密度下的水淹。
实施例
缩口隔板的结构参数如图5所示,缩口隔板在流道中的垂向高度为0.5mm,平板厚度为0.1mm,沿中心线对称的左右两隔板间距为0.4mm;主流场流道的高度为1mm、宽度为1mm,隔板宽度为1mm。当垂向高度为0.5mm时相比更高的高度,其产生的气体垂向速度对GDL和CL的影响会相对减小,电池的耐久性得以提高,延长电池使用性能。相比更小的高度,其产生的垂向速度又不会被沿流道方向气体速度削弱太多,能够增强气体向GDL-CL的侵入,增强传质。
每组缩口隔板组件中两个斜板形成的缩口角度为30°~60°,压降不会增加太大,同时能够达到加速气体和阻碍加速气体,迫使气体沉降,以增加垂向速度以加强传质的作用。
相邻缩口隔板间距为2mm,气体能够在流道内整体保持加速,以加强在流道后端的除水能力,且此时能够保持最大的传质能力。
综上所述,本发明质子交换膜燃料电池用双极板,能够保证反应气体的扩散能力,同时在整个气体运输过程中提高传质能力,减少反应气体的堵塞引起的气体饥饿现象和生成水的聚积导致的水淹现象,增加该可再生燃料电池的性能。通过仿真和计算,重新设计的流道在相同的泵送功率下,缩口加速流道的熵产比直流道低,表明了更高的传热传质性能,且隔板在高度上的延伸,迫使更多流体流向GDL表面,传热和传质过程都可以得到加强。
根据仿真计算,采取缩口入、缩口出、间隔分布其压降分别增加50、53、52.5Pa,考虑泵送功率后的净功率密度相比传统直流道分别增加1.80%、3.8%、2.56%。根据有效传质系数(EMTC),表征反应物垂直输运能力的指标。其传质能力相比传统直流道分别增强10.81%、18.45%、14.19%。最后,通过流体体积法(VOF)进一步研究了液态水的动态输运能力,发现采取缩口结构后更有利于液态水经过局部加速后在GDL界面处排出,同时观察流线发现其局部加速和堵塞作用增加气体向下的垂向速度,能够明显增加流道内的传质,以提高电池的性能。
Claims (8)
1.一种质子交换膜燃料电池用双极板,其特征在于:包括底板(5),在底板(5)上开设有中部安装腔、前部入口腔和后部出口腔,且中部安装腔分别与前部入口腔和后部出口腔相连通;所述底板(5)的中部安装腔从上往下间隔均匀且平行与中部安装腔轴向方向内侧壁布置有若干行肋(13)形成主流场区(14),且每相邻两肋(13)之间、最上方的肋(13)与中部安装腔的上侧壁之间、最下方的肋(13)与中部安装腔的下侧壁之间均形成主流场流道,每条主流场流道内均沿主流场流道方向间隔均匀布置有若干组缩口隔板组件(7)。
2.根据权利要求1所述质子交换膜燃料电池用双极板,其特征在于:每组所述缩口隔板组件(7)包括两个对称布置的缩口隔板(15),每个缩口隔板(15)包括平板(16)及倾斜布置在平板(16)端面的斜板(17),缩口隔板(15)竖直布置在中部安装腔的底面上且平板(15)的竖直面与肋(13)平行,每组缩口隔板组件(7)中两个斜板(17)相交的夹角为30°~60°。
3.根据权利要求1所述质子交换膜燃料电池用双极板,其特征在于:每组所述缩口隔板组件(7)的对称面与该缩口隔板组件(7)所在的主流场流道的轴向对称面共面,且斜板(17)与平板(16)的结合面为曲面或者流线型面。
4.根据权利要求2所述质子交换膜燃料电池用双极板,其特征在于:每个所述缩口隔板(15)的高度略小于主流场流道的高度。
5.根据权利要求2所述质子交换膜燃料电池用双极板,其特征在于:两个所述缩口隔板(15)中的斜板(17)向内倾斜且斜板(17)朝向主流场流道的出口方向形成出口型缩口隔板,或者两个缩口隔板(15)中的斜板(17)向外倾斜且斜板(17)朝向主流场流道的入口方向形成入口型缩口隔板;或者出口型缩口隔板和入口型缩口隔板交替均匀排布。
6.根据权利要求1所述质子交换膜燃料电池用双极板,其特征在于:所述底板(5)上且位于入口分配区的外侧开有空气入口(1)、冷却水入口(3)和氢气出口(4),底板(5)上且位于出口分配区的外侧开有氢气入口(11)、冷却水出口(10)和空气出口(9)。
7.根据权利要求1所述质子交换膜燃料电池用双极板,其特征在于:所述前部入口腔且位于主流场区的前方阵列布置有若干圆柱凸台(12)形成入口分配区(6),后部出口腔且位于主流场区的后方阵列布置有若干圆柱凸台(12)形成出口分配区(8)。
8.根据权利要求1所述质子交换膜燃料电池用双极板,其特征在于:所述底板(5)中的密封槽(2)通过密封垫与膜电极的边框密封贴合。
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