CN216084950U - 一种蛇形流场结构的质子交换膜燃料电池装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于燃料电池技术领域，具体公开了一种蛇形流场结构的质子交换膜燃料电池装置，包括阴极侧的三个通道域以及下面的氧气扩散层、薄氧气扩散电极、质子交换膜、薄氢气扩散电极、氢气扩散层。通道入口位于左侧，出口位于右侧。质子交换膜具备高质子导电率、优良的电子绝缘性能、高稳定性和低气体透过率等性能。蛇形流场结构的质子交换膜燃料电池装置催化层反应气体分布浓度最高，质子交换膜上水含量分布相对均匀，具有较好的质量传输特性。基于此，我们提升了燃料电池的性能。本实用新型的优势在于：减少氧气扩散层和氢气扩散层通道间泄漏流；增强反应气体在多孔介质扩散作用；催化层表面氧气浓度分布更加均匀；能够提高燃料电池一定的活化速度，降低活化时间。
Description
技术领域
本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种蛇形流场结构的质子交换膜燃料电池装置。
背景技术
伴随着人们美好生活需要的日益增长及科学技术领域的发展，能源短缺和环境污染问题的凸显，现代社会面临着能源转型，寻找一种高效、清洁环保的能源转换形式一直在科学研究领域受到广泛而热烈地关注。以氢气作为燃料的氢氧质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）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，能量转换效率可达60%-80%，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
然而，当PEMFC中含水量过低，会导致欧姆极化加剧，催化层活性降低，质子交换膜脱水。当质子交换膜处于干燥的状态下，容易出现局部的过热奇点，进而引发质子交换膜形状发生不可逆的畸变，导致质子交换膜与扩散层脱离，甚至穿孔。PEMFC电堆结构通常由一定数量的单电池堆叠而成，单电池需要在工作期间维持良好的稳定性及一致性。当电堆中某块单电池处于不稳定工况，电堆工况一致性变差，极易导致气体传质受阻，电堆局部过热，进而导致电堆性能下降甚至于失效、损毁。此外，液态水还会导致多孔介质材料的变形、双极板的腐蚀和低温工况下结冰、冷启动困难等诸多问题。
与此同时，质子交换膜燃料电池在出厂时，均需要进行活化处理，以提高质子交换膜燃料电池的性能。对此，传统质子交换膜燃料电池活化工艺是采用阶梯上升的电流对质子交换膜燃料电池进行活化处理，该方法虽然能够实现对质子交换膜燃料电池的活化，但是活化速度慢，活化时间长，导致质子交换膜燃料电池的生产效率不高。
发明内容
本实用新型目的在于提供一种蛇形流场结构的质子交换膜燃料电池装置，以解决现有技术中的质子交换膜燃料电池活化工艺活化速度慢、活化时间长的问题。
本实用新型的技术方案是：一种蛇形流场结构的质子交换膜燃料电池装置，包括阴极侧入口一（1）、阴极侧入口二（2）、阴极侧入口三（3）、阴极侧通道域一（4）、阴极侧通道域二（5）、阴极侧通道域三（6）、阴极侧出口一（7）、阴极侧出口二（8）、阴极侧出口三（9）、氧气扩散层（10）、薄氧气扩散电极（11）、质子交换膜（12）、薄氢气扩散电极（13）、氢气扩散层（14）；考虑到燃料电池装置加工时的工艺性，该分离装置设计结构严谨，三个个入口和出口结构相同，且阴极侧的三个通道域结构尺寸相同，该设计结构保证了高质子导电率、优良的电子绝缘性能、高稳定性和低气体透过率。
本实用新型的收益在于：相比于其他的微分离装置，本实用新型使用的蛇形流场结构的质子交换膜燃料电池装置性能在欧姆极化、浓差极化区域性能均较好；蛇形流场结构的质子交换膜燃料电池装置反应气体在催化层表面分布最为均匀，催化层反应气体浓度高于平行流场及网格流场结构，具有较高的反应气体浓度区域；蛇形流场结构的质子交换膜燃料电池装置最高液态水饱和度较为合适，在流场拐角处肋部出现了较高的的液态水饱和度；蛇形流场结构的质子交换膜燃料电池装置含水量分布最为均匀，水含量分布相对其他三种流场结构最为均匀；进而根据该活化脉冲电流对质子交换膜燃料电池进行活化处理，能够使质子交换膜燃料电池的物质传输速度、催化剂反应速率处于最大状态，有利于燃料电池内部传输通道的快速建立，提高了质子交换膜的活化速度，降低了活化时间。
附图说明
图1为一种蛇形流场结构的质子交换膜燃料电池装置的二维结构示意图，图中1.阴极侧入口一，2.阴极侧入口二，3.阴极侧入口三，4.阴极侧通道域一，5.阴极侧通道域二，6.阴极侧通道域三，7.阴极侧出口一，8.阴极侧出口二，9.阴极侧出口三，10.氧气扩散层，11.薄氧气扩散电极，12.质子交换膜，13.薄氢气扩散电极，14.氢气扩散层。
图2为一种蛇形流场结构的质子交换膜燃料电池装置的GDL中间的切面图，显示了电池中的速度大小。GDL 中的通道间泄漏很小。
图3为一种蛇形流场结构的质子交换膜燃料电池装置的氧摩尔分数图，显示氧气水平是越靠近出口越低，在0.5 V时较低。
图4为一种蛇形流场结构的质子交换膜燃料电池装置的时阴极z方向的电解质电流密度图，电流密度通常在0.5 V时较高，此时均匀性较一般。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型作进一步说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
如附图1所示，一种蛇形流场结构的质子交换膜燃料电池装置，包括包括阴极侧入口一（1）、阴极侧入口二（2）、阴极侧入口三（3）、阴极侧通道域一（4）、阴极侧通道域二（5）、阴极侧通道域三（6）、阴极侧出口一（7）、阴极侧出口二（8）、阴极侧出口三（9）、氧气扩散层（10）、薄氧气扩散电极（11）、质子交换膜（12）、薄氢气扩散电极（13）、氢气扩散层（14）。
具体的，所述阴极侧入口一（1）、阴极侧入口二（2）、阴极侧入口三（3）、阴极侧通道域一（4）、阴极侧通道域二（5）、阴极侧通道域三（6）、阴极侧出口一（7）、阴极侧出口二（8）、阴极侧出口三（9）可以进行同步设计的同时采用微机电系统微加工工艺进行制作，其是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，操作精度更高。
具体的，阴极侧入口一（1）、阴极侧入口二（2）、阴极侧入口三（3）、阴极侧出口一（7）、阴极侧出口二（8）、阴极侧出口三（9）结构尺寸都相等，宽度和高度均为0.8mm；阴极侧入口一（1）、阴极侧入口二（2）、阴极侧入口三（3）等间距排列，通道间距均为0.7mm；阴极侧通道域一（4）、阴极侧通道域二（5）、阴极侧通道域三（6）之间的通道等间距排列，通道间距均为0.8mm；阴极侧入口一（1）、阴极侧入口二（2）、阴极侧入口三（3）分别与阴极侧通道域一（4）、阴极侧通道域二（5）、阴极侧通道域三（6）轴线夹角为90°；氧气扩散层（10）结构长度为50mm，宽度为9mm，高度为0.38mm；薄氧气扩散电极（11）结构长度为50mm，宽度为9mm，高度为0.05mm；质子交换膜（12）结构长度为50mm，宽度为9mm，高度为0.2mm；薄氢气扩散电极（13）结构长度为50mm，宽度为9mm，高度为0.05mm；氢气扩散层（14）结构长度为50mm，宽度为9mm，高度为0.38mm。
具体的，阴极侧通道域一（4）、阴极侧通道域二（5）、阴极侧通道域三（6）结构关于中线对称，三个通道长度均为45.5mm，宽度为0.8mm，高度为0.8mm；以质子交换膜为对称平面，阴极与阳极结构以质子交换膜为中心面对称。
具体的，具体的，所述质子交换膜（12）起到隔离阴阳极气体并传递质子和传递H2O的作用，具备高质子导电率、优良的电子绝缘性能、高稳定性和低气体透过率等性能，采用全氟磺酸膜。
具体的，所述薄氧气扩散电极（11）、薄氢气扩散电极（13）材料主要采用石墨、金属和复合材料三种材质；石墨电极具有导电性、导热性能良好，耐腐蚀，重量轻等优点，且技术相对成熟；金属电极强度高、导电性和导热性能良好且成本低；复合材料电极兼备石墨耐腐蚀性和金属材料高强度特点。
具体的，所述阴极阳极进气温度均设定为 353.15K，进口气体质量流量仍参照参考电流密度1A/cm2，保持阳极、阴极反应气体增湿率100%，阴极侧入口一（1）、阴极侧入口二（2）、阴极侧入口三（3）通入速度为2m/s，电极电导率为9.825S/m，GDL电导率为222S/m。
具体的，本实施例实施时，选用合适的材料制作质子交换膜，使质子交换膜材料与电极衬底材料相匹配。同时，质子交换膜燃料电池装置需具备防腐以及抗氧化性能，材料表面经加工处理后，需具有坚硬的表面，能避免流体流动带来的腐蚀以及磨损。
以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种蛇形流场结构的质子交换膜燃料电池装置，其特征在于：包括阴极侧入口一（1）、阴极侧入口二（2）、阴极侧入口三（3）、阴极侧通道域一（4）、阴极侧通道域二（5）、阴极侧通道域三（6）、阴极侧出口一（7）、阴极侧出口二（8）、阴极侧出口三（9）、氧气扩散层（10）、薄氧气扩散电极（11）、质子交换膜（12）、薄氢气扩散电极（13）、氢气扩散层（14）；蛇形流场结构的质子交换膜燃料电池整体结构从上到下为氧气扩散层（10）、薄氧气扩散电极（11）、质子交换膜（12）、薄氢气扩散电极（13）、氢气扩散层（14）。
2.根据权利要求1所述的一种蛇形流场结构的质子交换膜燃料电池装置，其特征在于：阴极侧入口一（1）、阴极侧入口二（2）、阴极侧入口三（3）、阴极侧出口一（7）、阴极侧出口二（8）、阴极侧出口三（9）结构尺寸都相等，宽度和高度均为0.8mm；阴极侧入口一（1）、阴极侧入口二（2）、阴极侧入口三（3）等间距排列，通道间距均为0.7mm；阴极侧通道域一（4）、阴极侧通道域二（5）、阴极侧通道域三（6）之间的通道等间距排列，通道间距均为0.8mm；阴极侧入口一（1）、阴极侧入口二（2）、阴极侧入口三（3）分别与阴极侧通道域一（4）、阴极侧通道域二（5）、阴极侧通道域三（6）轴线夹角为90°；氧气扩散层（10）结构长度为50mm，宽度为9mm，高度为0.38mm；薄氧气扩散电极（11）结构长度为50mm，宽度为9mm，高度为0.05mm；质子交换膜（12）结构长度为50mm，宽度为9mm，高度为0.2mm；薄氢气扩散电极（13）结构长度为50mm，宽度为9mm，高度为0.05mm；氢气扩散层（14）结构长度为50mm，宽度为9mm，高度为0.38mm；阴极侧通道域一（4）、阴极侧通道域二（5）、阴极侧通道域三（6）结构关于中线对称，三个通道长度均为45.5mm，宽度为0.8mm，高度为0.8mm；以质子交换膜为对称平面，阴极与阳极结构以质子交换膜为中心面对称。
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