CN210403904U - 流场优化的质子交换膜燃料电池极板 - Google Patents

Abstract

流场优化的质子交换膜燃料电池极板,极板两端之间长度方向分为五段，由前到后依次冲压有流场进口(1)、前流场直行段(4)、中间流场(2)、后流场直行段(5)和流场出口(3)，流场分布在流场进口(1)和流场出口(3)之间的冲压凸凹结构中，流场进口(1)和流场出口(3)为双蛇形合并流道结构流场，前流场直行段(4)和后流场直行段(5)为直行流场。改进优化极板流场结构设计，有效增大流场内气体流动空间，增强气体导流的作用，改善流场内气体的均匀分布状态，提高燃料运行稳定性；能及时高效管理流道中液态水和排水，提高阴极内氧气浓度，避免局部氧气缺乏，提升燃料电池工作输出性能。

Description

流场优化的质子交换膜燃料电池极板

技术领域

本实用新型涉及质子交换膜燃料电池极板创新改进技术，尤其是流场优化的质子交换膜燃料电池极板。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的电化学转换装置，是一种高效、对环境友好、无燃烧反应的装置，

质子交换膜燃料电池阳极通入燃料为氢气，阴极通入空气，空气中的氧气作为阴极的反应气体。由于氧气约占空气含量的21％，且质子交换膜燃料电池阴极反应动力学较阳极反应明显缓慢，因此质子交换膜燃料电池的输出性能往往受到阴极多孔电极内氧气浓度不足的限制，这其中与双极板结构相关的流场设计至关重要。

PEMFC主要构成核心部件除了膜电极以外，双极板同样是PEMFC重要核心部件，是构成PEMFC电池体积和重量的主要部分，它具有独特的阻气、收集电流、分配气体重要作用。流场的功能是引导反应气流方向，其结构设计决定双极板反应剂与生成物在流场内的流动状态，确保反应气体均匀分配到电极的各处，经电极扩散层到达催化层参与电化学反应。

燃料电池结构和工作主要有三种物质流，分别是电池的阴阳极物质流和冷却物质流，阴极物质一般是氧气或含氧的空气等，阳极物质一般是氢气或含惰性气体的氢气，冷却物质一般是水，有的小功率电池仅有阴阳极，调节燃料电池温度主要依靠阴阳极物质流动和环境。三种物质流在双极板上分别在三个互为密封的腔室流动，并且是在特定设计的流场内流动。三种物质流进入双极板的流动方向根据具体的设计确定，一般设计阴阳极互为逆向流动。

目前，已公开的PEMFC流场形式主要包括以下几种：(1)点状流场：其结构简单，适用于以储氢、纯氧，气态排水的燃料电池。对主要以液态水排出的PEMFC，由于反应气流经这种流场难以达到很高的性速度，不利于排出液态水，因此很少采用；(2)平行流场：因其较小的压降和较多分支流道会使整个流场中的反应气体流动很不均匀，引起部分区域水的堆积，影响电池的输出功率，降低电流密度；(3)蛇形流场：其突出的优点是排水功能，但对于面积较大的双极板，因压降较大，使得气体、电流密度分布不均匀，影响电池输出效果；同时对于平行流场与蛇形流场，均需要保持一定的气体过量系数，才能保证燃料电池生成水的正常排出，尤其是对于氢氧燃料电池，为了实现排水功能，通常需要在燃料电池系统上设置喷射器或回流泵等部件，但这必然增加系统的复杂性和成本，同样不利于简化系统。(4)交指形流场又称不连续流场，强迫反应气流经电极的扩散层强化扩散层的传质能力，同时将扩散层内水及时排出，在很大程度上提高了电池功率密度。

现有技术中，由于流道不连续，扩散层阻力较大，气体压降较大，易使破坏催化层而影响电池性能。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供流场优化的质子交换膜燃料电池极板，克服现有技术缺陷，解决以上现有技术问题。

本实用新型的目的将通过以下技术措施来实现：包括流场进口、中间流场、流场出口、前流场直行段和后流场直行段；极板两端之间长度方向分为五段，由前到后依次冲压有流场进口、前流场直行段、中间流场、后流场直行段和流场出口，流场分布在流场进口和流场出口之间的冲压凸凹结构中，流场进口前侧连接进口通道，流场出口后侧连接出口通道，其中，流场进口和流场出口为双蛇形合并流道结构流场，前流场直行段和后流场直行段为直行流场。

尤其是，极板沿位于两端的流场进口和流场出口方向轴线截面呈长方形、正方向、圆形、椭圆形或正多边形；或者，为边缘外凸的非对称异形结构。

尤其是，流场进口和流场出口为多通道双蛇形合并流道结构，并列通道为2-10个。

尤其是，从流场进口到前流场直行段，即由双蛇形流场过渡到直行流场，每个通道对应的直行通道为2-6个。

尤其是，中间流场为多通道蛇形流场蛇形并列通道为2-10个通道，每个通道对应的直行通道2-6个。

尤其是，前流场直行段和后流场直行段为直型平行沟槽流场。

尤其是，极板上的流场结构包括恒截面变路径流道。

尤其是，进口通道前侧连接参加反应物进口歧管，出口通道后侧连接参加反应物出口歧管。

尤其是，流场进口流场面宽大于进口通道流场面宽，流场出口流场面宽大于出口通道流场面宽大于。

本实用新型的优点和效果：改进优化极板流场结构设计，有效增大流场内气体流动空间，增强气体导流的作用，改善流场内气体的均匀分布状态，提高燃料运行稳定性；能及时高效管理流道中液态水和排水，同时提高阴极内氧气浓度，避免局部氧气缺乏，提升燃料电池工作输出性能。结构简单，简化制造工艺，降低制造成本。

附图说明

图1为本实用新型实施例1结构示意图。

附图标记包括：

1-流场进口、2-中间流场、3-流场出口、4-前流场直行段、5-后流场直行段、6-进口通道、7-出口通道、8-参加反应物进口歧管、9-参加反应物出口歧管。

具体实施方式

本实用新型原理在于，流场作用是传输和传导，传输功能主要是输送反应物、排出产物和掺杂物质及未反应的反应物，具体指流场需要均匀向MEA输送具有压力、温度和浓度的反应物，及时排出水及水蒸汽、掺杂气体和未反应反应物，确保燃料电池反应环境稳定；传导功能主要是传导电能和热，电能就是将燃料电池反应产生的电能通过双极板传导，输出到电子负载；热传导用于调节燃料电池的反应温度，在燃料电池内水的饱和蒸汽压的变化主要随着温度的变化而变化，水的蒸发和冷凝伴随着吸热和放热，而燃料电池反应也伴随着放热，电能的输出也伴随着放热，通过燃料电池本身的物质流动和双极板的传导，调节和控制燃料电池内部温度在适当的范围。设计一种高分配均匀的流场结构显得尤为重要，流场机构对PEMFC有很大的影响。经对研究发现，提高流场性能，包括反应物均匀分配、反应物浓度分配、提高反应物利用率。有效保证流脊深度，显著减小燃料电池堆的体积和重量。流场结构可以不借助氢循环泵等装置实现燃料电池水管理所需的气体过量系数，从而大幅度降低脉冲排放量，可以有效提高反应气体利用率。

本实用新型研究和提出了直行流场和蛇型流场的组合的设计方案。

本实用新型尤其适用于金属薄成型应力分布薄板型极板设计的质子交换膜燃料电池，同时，不排除其他材质极板设计类型。其中，薄型极板为冲压极板，流场包括直行流场与拐弯流场有显著的区别，直行流场相对拐弯流场，金属板变形程度不同，直行流场变形相对小，表面较光滑，而拐弯流场则相对粗糙，褶皱多。气流在直行流场中阻力降将小于拐弯流场。气流在直行流场和拐弯流场内的流动形态也不同。在低雷诺数条件下，气流在直行流场内流动流体阻力与流速呈线性关系，而在拐弯流场内流动将出现湍流和涡流，流动阻力与流速关系不确定，与拐弯流场的形状和表面有关，但比直行流场阻力大得多，也就是说，经过拐弯流场气流速度下降较直行流场大得多。气流在直行流场内流动，在低雷诺数条件下，气流大致呈层流状态，气体内组分的变化主要依靠浓差扩散；气流在拐弯流场内流动，将出现湍流和涡流，气体出现混合状况，气体内组分随着发生变化，组分更加均衡。在水和气体的两相流中，水的含量较低，气流动能带动水的运动。在直行流场中，在一定的流场长度内，气流速度降低幅度小，可以将液态水吹动，而在带有拐弯的流场中，在可比的流场长度内，气流速度降低幅度大，液态水将有可能滞留在拐弯流场内。在水和气体的两相流中，在直行流场内，气流速度降低幅度小，阻力降小，将相对保持气流的静压，而在拐弯流场中，气流阻力降大，将可能形成局部相对的真空状态，一定程度上促进水的蒸发。

本实用新型包括：流场进口1、中间流场2、流场出口3、前流场直行段4和后流场直行段5。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1：如附图1所示，极板两端之间长度方向分为五段，由前到后依次冲压有流场进口1、前流场直行段4、中间流场2、后流场直行段5和流场出口3，流场分布在流场进口1和流场出口3之间的冲压凸凹结构中，流场进口1前侧连接进口通道6，流场出口3后侧连接出口通道7，其中，流场进口1和流场出口3为双蛇形合并流道结构流场，前流场直行段4和后流场直行段5为直行流场。

前述中，极板沿位于两端的流场进口1和流场出口3方向轴线截面呈长方形、正方向、圆形、椭圆形或正多边形；或者，为边缘外凸的非对称异形结构。

前述中，流场进口1和流场出口3为多通道双蛇形合并流道结构，并列通道为2-10个。

前述中，从流场进口1到前流场直行段4，即由双蛇形流场过渡到直行流场，每个通道对应的直行通道为2-6个。

前述中，中间流场2为多通道蛇形流场蛇形并列通道为2-10个通道，每个通道对应的直行通道2-6个。

前述中，前流场直行段4和后流场直行段5为直型平行沟槽流场。

前述中，极板上的流场为恒截面变路径流道。

前述中，进口通道6前侧连接参加反应物进口歧管8，出口通道7后侧连接参加反应物出口歧管9。

本实用新型实施例中，流场进口1和流场出口3为双蛇形合并流道结构设计，可完成反应物输送的分配和排放；同时，中间流场2为蛇型流场过渡段。

本实用新型实施例中，流场进口1流场面宽大于进口通道6流场面宽，流场进口1的这种合并的双蛇型流场可根据流场进口宽度进行调整，将参加反应物进口歧管8的反应物均匀分布在整个流场宽度上。同时，流场出口3到出口通道7使得出口端收缩，将极板流流场面宽度收缩到出口，形成均匀的收缩，通过流场出口通道7流进参加反应物出口9；而且，蛇型流场有利于流速的调整，提高流速有利于流场出口积累水的排出。

本实用新型实施例中，极板的流场成型在金属薄板上，金属薄板的两个表面经过冲压成型为凹凸板，在极板的一个表面为凹型，则对应的另一个表面为凸型，金属薄板加工后即为极板，极板两个表面分别为极板流场面和冷剂流场面，极板流场面凹下的沟为流场，沟两侧凸起的槽面为脊。

本实用新型实施例中，流体在前流场直行段4和后流场直行段5直型平行沟槽流场内流动状态为层流，阻力小，流动稳定，MEA表面的氧浓度、生成水的渗透和蒸发呈现稳态变化；而在折型流场内流动，流体流动方向发生改变，流体流动状态发生变化，将改变MEA表面反应物、生成物运动状态，MEA表面氧浓度、气体流速和生成水都会发生变化，生成水渗透和蒸发的状态将会产生非稳态现象。

以上为本实用新型技术方案的一般实施例，进为帮助阅读者理解而已，其中，蛇型流场分布，以及在长度、蛇型角度和数量设置上不限于本实施例。

Claims (9)

1.流场优化的质子交换膜燃料电池极板,包括流场进口(1)、中间流场(2)、流场出口(3)、前流场直行段(4)和后流场直行段(5)；其特征在于，极板两端之间长度方向分为五段，由前到后依次冲压有流场进口(1)、前流场直行段(4)、中间流场(2)、后流场直行段(5)和流场出口(3)，流场分布在流场进口(1)和流场出口(3)之间的冲压凸凹结构中，流场进口(1)前侧连接进口通道(6)，流场出口(3)后侧连接出口通道(7)，其中，流场进口(1)和流场出口(3)为双蛇形合并流道结构流场，前流场直行段(4)和后流场直行段(5)为直行流场。

2.如权利要求1所述的流场优化的质子交换膜燃料电池极板，其特征在于，极板沿位于两端的流场进口(1)和流场出口(3)方向轴线截面呈长方形、正方向、圆形、椭圆形或正多边形；或者，为边缘外凸的非对称异形结构。

3.如权利要求1所述的流场优化的质子交换膜燃料电池极板，其特征在于，流场进口(1)和流场出口(3)为多通道双蛇形合并流道结构，并列通道为2-10个。

4.如权利要求1所述的流场优化的质子交换膜燃料电池极板，其特征在于，从流场进口(1)到前流场直行段(4)，即由双蛇形流场过渡到直行流场，每个通道对应的直行通道为2-6个。

5.如权利要求1所述的流场优化的质子交换膜燃料电池极板，其特征在于，中间流场(2)为多通道蛇形流场蛇形并列通道为2-10个通道，每个通道对应的直行通道2-6个。

6.如权利要求1所述的流场优化的质子交换膜燃料电池极板，其特征在于，前流场直行段(4)和后流场直行段(5)为直型平行沟槽流场。

7.如权利要求1所述的流场优化的质子交换膜燃料电池极板，其特征在于，极板上的流场为恒截面变路径流道。

8.如权利要求1所述的流场优化的质子交换膜燃料电池极板，其特征在于，进口通道(6)前侧连接参加反应物进口歧管(8)，出口通道(7)后侧连接参加反应物出口歧管(9)。

9.如权利要求1所述的流场优化的质子交换膜燃料电池极板，其特征在于，流场进口(1)流场面宽大于进口通道(6)流场面宽，流场出口(3)流场面宽大于出口通道(7)流场面宽大于。

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