CN117650255A - 一种具有局部双向敛散结构流道的燃料电池 - Google Patents
一种具有局部双向敛散结构流道的燃料电池 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种具有局部双向敛散结构流道的燃料电池，所述燃料电池由多个单电池结构组成，单电池结构包括：膜电极，由具有阳极表面和阴极表面的质子交换膜，和分别层叠在所述质子交换膜的阳极表面和阴极表面的一对电极催化剂层组成；一对气体扩散层，分别层叠在所述膜电极的电极催化剂层上；一对极板，阳极板和阴极板，分别层叠在所述气体扩散层上；阴极板上具有多个气体流道；气体流道内设有双向敛散结构；气体流道的一端为反应气体入口，另一端为多余反应气体与反应产物液态水的排出出口。本发明通过在阴极板流道气体流道内设置双向敛散结构，可有效减轻流道中液态水的积累，提升燃料电池的输出性能。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种具有局部双向敛散结构流道的燃料电池。
背景技术
以氢气作为燃料的氢氧质子交换膜燃料电池是一种直接的电化学能量转换装置，其工作过程不受卡诺循环的限制，理论上能量转换效率可达83%，实际工作效率受极化现象等影响在40%-60%，是内燃机转换效率的1.5-2倍。除能量转换效率高之外，质子交换膜燃料电池在工作过程中还具备清洁无污染、模块化结构、无机械振动、噪音低、能适应不同功率要求、可持续发电、可靠性高等优点，被认为在移动电源、交通动力能源和分布式发电领域有非常广阔的应用前景。
质子交换膜燃料电池工作过程涉及复杂的内部传热、传质现象。质子交换膜燃料电池(PEMFC)在运行过程中氢气在阳极催化剂作用下分解为氢离子和电子，氢离子再通过质子交换膜到达阴极侧，与阴极侧的催化层(CL)氧气催化分解后得到的氧离子结合生成水，而阳极侧的电子通过外电路到达阴极产生电流并放出大量的热，生成的水通过气体扩散层(GDL)输送到膜电极(MEA) 表面，最后沿着流道排出。造成燃料电池性能下降的因素有很多，其中浓差极化就是重要原因之一。浓差极化主要集中在高电流密度的工况中出现，导致该现象发生的主要原因是燃料电池中化学反应过程受阻。即过量的液态水堵塞流道和气体扩散层的孔隙，反应气体无法到达催化层表面，导致其浓差极化现象加剧。所以燃料电池阴极侧的水管理对电池性能的提高至关重要，需要通过改进流道结构等行为来促进排水，增强反应物向多孔气体扩散层和催化层的传输能力。
传统的平行流场燃料利用率较低、水去除能力低，燃料电池电流密度和功率密度均不高。因此，需要设计新型的流场来对流道结构进行改进提高燃料的利用率和排水能力，进一步提升燃料电池的总体输出性能。
发明内容
传统的平行流场如果阴极侧反应生成的水未能及时排除，造成气体扩散层堵塞，氧气无法到达催化层，浓差过电势将会快速增加，发电效率降低。针对现有技术的不足，在燃料电池中，希望获得在确保电池输出性能的同时，能够切实提高气体扩散层反应气体浓度并抑制水淹现象产生的结构，本发明提供了一种具有双向敛散结构流道的燃料电池，提高了气体扩散层反应气体浓度并减轻液态水的积累，提升了燃料电池的输出性能。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具有局部双向敛散结构流道的燃料电池，所述燃料电池由多个单电池结构组成，所述单电池结构包括：
膜电极，由具有阳极表面和阴极表面的质子交换膜，和分别层叠在所述质子交换膜的阳极表面和阴极表面的一对电极催化剂层组成；
一对气体扩散层，分别层叠在所述膜电极的电极催化剂层上；
一对极板，阳极板和阴极板，分别层叠在所述气体扩散层上；
所述阴极板上具有多个气体流道；
所述气体流道的一端为反应气体入口，另一端为反应产物液态水的排出出口；
所述气体流道内设有双向敛散结构；
所述双向敛散结构在多个气体流道内周期交错布置。
发电过程产生的液态水附着在气体扩散层上，容易造成液体水积累而堵塞气体扩散层，从而使得氧气无法到达催化层，浓差过电势将会快速增加，发电效率降低。本发明通过在阴极板的流道中周期交错布置双向敛散结构，一方面，可产生竖直方向的强制对流，促使更多反应气体进入气体扩散层，另一方面可使得供应的反应气体过流面积减小，流速上升，吹扫过程中将更容易带走大量的液态水，从而减少气体通道液态水的积累，最终提高燃料电池的发电效率。
进一步的，上述技术方案中，所述气体流道与所述气体扩散层接触，且每个气体通道平行排列。气体流道与气体扩散层接触，可以向气体扩散层中供给反应气体，确保流量充足。
进一步的，上述技术方案中，所述气体流道内设有新型流道直线沿程段和新型流道双向敛散沿程段，并沿着气体流道周期性布置。
进一步的，上述技术方案中，所述双向敛散结构为正常流道收窄后再发散回正常流道大小的结构，设置在新型流道双向敛散沿程段内，并具有竖直和水平两个方向的变截面。本技术方案中提出的双向敛散结构具有在竖直和水平方向产生显著收缩和扩散的局部流场，促进反应气体传质与液态水的排出，可提升燃料电池的输出性能。
进一步的，上述技术方案中，所述双向敛散结构设有新型流道竖直敛散结构。本技术方案中通过在双向敛散结构中设置新型流道竖直敛散结构，可限制水平方向气体的流动，气流受阻后将沿结构收缩方向进入到气体扩散层，提高气体传质效率。具体地，所述新型流道竖直敛散结构的角度与阴极板的角度在15°-65°之间。
进一步的，上述技术方案中，相邻气体流道内，所述新型流道双向敛散沿程段周期交错设置。
进一步的，上述技术方案中，相邻气体流道内的新型流道双向敛散沿程段按照同一气体流道内两个相邻新型流道双向敛散沿程段间隔的1/3-1/2周期交错设置。
进一步的，上述技术方案中，所述气体流道进行疏水处理。本技术方案中通过对气体流道进行疏水处理，能够增加液态水与流道壁面的接触角，有利于加快液态水的排出。具体地，本领域所熟知的疏水处理方法均可。
优选地，上述技术方案中，所述具有双向局部敛散结构流场的极板为金属极板，能够一体式冲压成形，有利于大规模批量生产。
本发明与现有技术相比，其有益效果有：
本发明的双向敛散结构具有两个方向的变截面，在宽度和高度方向能够产生显著收缩和扩散的局部流场，供应的反应气体能够沿结构收缩方向进入气体扩散层，提高反应气体浓度，过流面积减小使得流速上升，吹扫过程中将更容易带走大量的液态水，从而减少了气体通道液态水的积累，提高了燃料电池的发电效率。
本发明的双向敛散结构在多流道流场中周期交错布置，能够使相邻流道之间产生横向的肋下对流，提高反应气体分布均匀性的同时有利于肋下积水的排出，能够进一步提升燃料电池的发电效率。
附图说明
图1为本发明的具有局部双向敛散结构流道的质子交换膜燃料单电池示意图；
图2为本发明阴极板的立体图；
图3为本发明的燃料电池的部分立体图；
图4为本发明的燃料电池气体扩散层内部的氧气流向的部分立体图；
图5为本发明的燃料电池双向敛散结构的局部剖视图；
图6为本发明的燃料电池具有双向敛散结构的流道剖视平面图；
图7为本发明的燃料电池双向敛散结构的相同位置分布平面图；
图8为本发明的燃料电池双向敛散结构的错位分布平面图；
图9为本发明的燃料电池性能效果对比图；
图10为本发明的燃料电池新型流道竖直敛散结构与阴极板不同角度效果对比图；
图11为本发明的燃料催化层界面氧气分布对比图；
图12为本发明的燃料催化层界面液态水含量分布对比图。
其中，示意图中标号说明：1、阳极板；2、阳极流道气体入口；3、膜电极；4、气体扩散层；5、阴极板；6、新型流道直线沿程段；7、新型流道双向敛散沿程段；8、新型流道竖直敛散结构；9、阴极流道气体入口。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
请参阅图1-图12，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
本发明中公开了一种具有局部双向敛散结构流道的燃料电池，其中质子交换膜燃料单电池示意图如图1所示，每个单电池由阳极板1、膜电极3、一对气体扩散层4和阴极板5组成，其中，
膜电极，由具有阳极表面和阴极表面的质子交换膜，和分别层叠在所述质子交换膜的阳极表面和阴极表面的一对电极催化剂层组成；
一对气体扩散层，分别层叠在所述膜电极的电极催化剂层上；
一对极板，阳极板1和阴极板5，分别层叠在所述气体扩散层上；
所述阴极板上具有多个气体流道；
所述气体流道的一端为反应气体入口，另一端为反应产物液态水的排出出口；
所述气体流道内设有双向敛散结构；
所述双向敛散结构在多个气体流道内周期交错布置。
本发明通过在阴极板的气体流道中设置双向敛散结构，可使得供应的反应气体过流面积减小，流速上升，吹扫过程中将更容易带走大量的液态水，从而减少气体通道液态水的积累，提高燃料电池的发电效率。
在一些实施例中，阳极板采用具有平行直流道的金属极板，阴极板采用具有新型双向敛散结构的金属极板。双向敛散结构为正常流道收窄到一定尺寸后再发散回正常流道大小，具有两个方向的变截面，并沿流场直线段进行周期性布置，这样在宽度和高度方向能够产生显著收缩和扩散的局部流场，促进液态水的排出，可提升燃料电池的输出性能。
在一些实施例中，如图2-图6所示，在阴极板上的气体流道内设有新型流道直线沿程段6和新型流道双向敛散沿程段7，并沿着气体流道周期性布置，这样在新型流道双向敛散沿程段气体流速显著增加，发电过程中产生的大量液态水被带走，和空气一同由阴极流道出口排出。
进一步地，双向敛散结构设置在新型流道双向敛散沿程段内，并在双向敛散结构设有新型流道竖直敛散结构8。具体地，新型流道竖直敛散结构的角度与阴极板的角度可以在15°-65°范围内选择，可以是15°，25°,35°，45°，55°，65°等，其中部分示意图如图10所示，其中θ表示新型流道竖直敛散结构在竖直方向上的倾斜角度，而角度越大，气体在竖直方向上的速度分量越大，从而增强了竖直方向上的对流氧输运效果；但是它减小了对流面积，同时也降低了通道中氧气的输送效率。本发明通过在双向敛散结构中设置新型流道竖直敛散结构，气流受阻后将进入到气体扩散层，提高传质效率。同时，宽度方向上的收缩形成的双向变截面结构限制了两侧气体的流动，提高了中间部分气体的流速，增强了流道的排水能力。因此，本发明新型气体流道相比于一般平行流道具有更加均匀的气体分布性和更为高效的排水能力，从而提高燃料电池的发电性能。
在一些实施例中，相邻气体流道内，所述新型流道双向敛散沿程段交错设置，如图7-图8所示，具体地，相邻气体流道内的新型流道双向敛散沿程段按照同一气体流道内两个相邻新型流道双向敛散沿程段间隔的1/3或1/2周期交错设置，产生的邻道压差可以改善流场脊下气体分配，将局部效应扩大到整个极板。
在一些实施例中，阳极板和阴极板上的流道均做了疏水处理，这样能够增加液态水与流道壁面的接触角，使液态水尽快排出流道。
在一些的实施例中，具有双向局部敛散结构流场的极板为金属极板，这样能够一体式冲压成形，有利于大规模批量生产。
在上述的实施例中，其主要基本工作原理为：在燃料电池开始工作时，氢气从阳极流道气体入口2进入，氧气从阴极流道气体入口9进入，两种反应气体的流动方向相反，通过设置在阴极板5的气体流道内设置双向敛散结构，减小气体的过流面积来提高流速，同时设计新型流道竖直敛散结构8来令气流产生竖直方向的分速度，周期间隔布置可以产生邻道压差，利用强制对流和脊下对流效应使通道内部气体扩散加快让反应气体更加有效、均匀地向气体扩散层和催化层扩散。因此，可以在该基本原理的范围内适当的设定宽缩比、周期数和流道间隔距离，实现提升燃料电池输出性能的目的。
在一些具体实施例中，如图9所示，给出了本发明具有局部双向敛散结构流道与具有传统平行流道的燃料电极的极化曲线和输出功率密度的对比图。从图9可以看出，当工作电压为0.6V时，具有局部双向敛散结构的新型流场的功率密度为1.68W/cm2，传统平行流场的功率密度为1.49W/cm2，改进后的功率密度提升了12.75%，说明具有局部双向敛散结构的新型流场结构可以有效地提高燃料电池的性能。
在一些具体实施例中，如图11所示，给出了具有局部双向敛散结构流道与具有传统平行流道的燃料电极在0.6V工作电压下，阴极扩散层与催化层界面中氧气浓度的分布情况。从图11可以看出，本发明具有局部双向敛散结构流道的氧气分布不仅更加均匀，而且从整体氧气浓度上升看也说明有更多的氧气进入催化层。
在一些具体实施例中，如图12所示，给出了具有局部双向敛散结构流道与具有传统平行流道的燃料电极在0.6V工作电压下，阴极扩散层与催化层界面中液态水含量的分布情况。从图12可以看出，本发明具有局部双向敛散结构的新型流道显著低于传统平行流道液体水饱和度。而气体流速是去除液态水的一个主要因素，更高的流速将产生更大的剪切力吹动液态水，同时也更有利于液态水的蒸发。本发明具有局部双向敛散结构的气体扩散层内部的横向对流，使得肋板下的液态水被吹扫至流道下并被高速气流排出流场减少了燃料电池的流道内部的液态水，除水能力显著增强。
最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有局部双向敛散结构流道的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池由多个单电池结构组成，所述单电池结构包括：
膜电极，由具有阳极表面和阴极表面的质子交换膜，和分别层叠在所述质子交换膜的阳极表面和阴极表面的一对电极催化剂层组成；
一对气体扩散层，分别层叠在所述膜电极的电极催化剂层上；
一对极板，阳极板和阴极板，分别层叠在所述气体扩散层上；
所述阴极板上具有多个气体流道；
所述气体流道的一端为反应气体入口，另一端为反应产物液态水的排出出口；
所述气体流道内设有双向敛散结构；
所述双向敛散结构在多个气体流道内周期交错布置。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述气体流道与所述气体扩散层接触，且每个气体通道平行排列。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述气体流道内设有新型流道直线沿程段和新型流道双向敛散沿程段，并沿着气体流道周期性布置。
4.根据权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，所述双向敛散结构为正常流道收窄后再发散回正常流道大小的结构，设置在新型流道双向敛散沿程段内，并具有竖直和水平两个方向的变截面。
5.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述双向敛散结构设有新型流道竖直敛散结构。
6.根据权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述新型流道竖直敛散结构的角度与阴极板的角度在15°-65°之间。
7.根据权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，相邻气体流道内，所述新型流道双向敛散沿程段周期交错设置。
8.根据权利要求7所述的燃料电池，其特征在于，相邻气体流道内的新型流道双向敛散沿程段按照同一气体流道内两个相邻新型流道双向敛散沿程段间隔的1/3-1/2周期交错设置。
9.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述气体流道进行疏水处理。
10.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，具有双向局部敛散结构流场的极板为金属极板。
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