CN218827253U - 一种具有斜坡的阶梯型质子交换膜燃料电池流道结构 - Google Patents

Abstract

该实用新型提供了一种具有斜坡的阶梯型质子交换膜燃料电池流道结构，其特征在于：流场板上分布有若干条气体通道，每条通道高度呈阶梯式下降，在流场板上分布的每条气体通道末端加入1/4流道长度的三角状斜坡，气体通道高度沿气体流动方向逐渐降低。该方案中，加入斜坡后的流道内部气体流速得到提高，通道内部气体扩散加快，促进反应进行；此外，具有斜坡的流道底部与气体扩散层交界面气体浓度更高，浓差扩散能力得到提升。

Description

一种具有斜坡的阶梯型质子交换膜燃料电池流道结构

技术领域

本实用新型属于燃料电池领域，主要涉及一种燃料电池流道结构，尤其是质子交换膜燃料电池(PEMFC)流道结构。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种主要应用在汽车领域的能源转换装置，它可以直接将化学能转换为电能加以利用，而无需经过卡诺循环，能源转换效率理论可达83％。它的主要燃料气体是氢气，主要生成物是水，对环境没有污染，而且在工作过程中具有噪声低、温度低、启动快等明显优势，在市场应用中具有广泛前景。PEMFC由多个单体结构组成，主要包括双极板、气体扩散层、催化层和质子交换膜，其中双极板和催化电极又是燃料电池的核心部件，对燃料电池内部的化学反应具有重要影响。

燃料电池的工作原理主要是：在燃料电池的双极板流道中通入氧气和氢气，反应气体在流道中经过GDL扩散到电极层进行反应。在阳极侧，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。内部化学反应为：

阳极：H²→2H⁺+2e^-

阴极：

双极板是燃料电池的重要组成部分之一,在双极板上均布局有不同形状的气体流道，它的主要作用就是导入气体并使得气体按照一定规律分布在流场板上，通过良好的布局可以使得气体能够均匀扩散到电极层进行反应，并且反应产物可以较为迅速且流畅地排出流场板，从而不会影响后续反应的进行。

双极板上的传统流道主要包括平行流道、蛇形流道以及叉指型流道。平行流道的优点主要体现在进出口压降较小，气体分布较为均匀，而且流道加工成本较低，蛇形流场相对于平行流场而言，它的反应物在流道中分布更加均匀，而且传质传热性能良好，但是加工难度相对较大，也增加了制造成本，叉指型流场出于设计原因，相对于前两种流场具有最高的电阻率和压降，它的最大优势就体现在除水能力，由于没有连续流道而使得气体扩散层的肋下对流可以促使水更好地排出。

目前，包括仿生型流道在内的众多新型流道设计正在得到重视，但传统流道依然存在气体浓度不均、气体反应不充分的问题。

传统流场在通入气体流量恒定的情况下，往往存在气体浓度会随着反应的进行逐渐减少，具体表现为在流道的末端气体浓度降低，浓差扩散能力下降，从而导致气体反应不均的问题。

实用新型内容

为了使得传统流道内部的气体反应更加充分，本实用新型提供了一种具有斜坡的阶梯型流道，均可在传统流道基础上进行改进，主要通过逐渐降低流场板上分布的每条流道高度，从左至右呈阶梯式降低，并在流道尾部添加斜坡，从而增加流道内部的气体流速，同时也加快了流道内气体向GDL的扩散，提高了电池内部的气体反应速率，可以使得气体反应更加充分，有助于燃料电池性能提升。

该实用新型的技术方案是提供了一种具有斜坡的阶梯型质子交换膜燃料电池流道结构，其特征在于：流场板上分布有若干条气体通道，每条通道高度呈阶梯式下降，在流场板上分布的每条气体通道末端加入1/4流道长度的三角状斜坡，气体通道高度沿气体流动方向逐渐降低。

进一步地，气体通道为平行流道。

进一步地，气体通道为蛇形流道。

进一步地，平行流道为六条，其中，平行流道沿气体流向的第一末端、第二末端、第三末端、第四末端、第五末端、第六末端处均设置一个三角状斜坡。

进一步地，蛇形流道为一条，气体从进气口进入流道，之后沿通道经5次曲折到达出气口，其中，在蛇形流道沿气体流向的第一末端、第二末端、第三末端、第四末端、第五末端、第六末端处均设置一个三角状斜坡。

本流道设计与现有传统流道相比有下述优点和效果：

(1)加入斜坡后的流道内部气体流速得到提高，通道内部气体扩散加快，促进反应进行；

(2)具有斜坡的流道底部与气体扩散层交界面气体浓度更高，浓差扩散能力得到提升；

(3)具有斜坡的部分双极板厚度提高，加强了双极板的机械支撑，进一步提高了双极板的机械强度和使用寿命；

(4)本流道设计结构简单，经过反复模拟效果显著，并且结构设计易于加工生产，成本较低，能够极大程度地提高燃料电池性能，平均电流密度更高，分布更加均匀，具有广泛的社会效益和市场前景。

(5)本实用新型通过仿真得到了具有斜坡的阶梯型流道与传统流道燃料电池的性能对比图。设置的工作条件为：燃料电池工作温度为453.15K，阴极通入气体为空气，入口流速设置为0.5m/s，阳极通入气体为99％氢气，入口流速为0.2m/s，工作压力设置为一个大气压，出口背压设置为0，选用膜电极材料为磷酸PBI膜，阴阳极Pt载量为0.8mg/cm²，在0.4V-0.9V电压范围内得到了11组数据，通过数据对比得知，在相同电压下新型斜坡流道的电流密度比传统流道更高，且电流密度整体分布更均匀。

附图说明：

图1是本实用新型实施方式一的三维结构示意图；

图2是本实用新型实施方式一的结构示意图；

图3是图1所示本实用新型实施方式一的左侧剖视图；

图4是图1所示本实用新型实施方式一的底侧剖视图；

图5是本实用新型实施方式二的三维结构示意图；

图6是本实用新型实施方式二的结构示意图；

图7是图4所示本实用新型实施方式二的左侧剖视图；

图8是质子交换膜燃料电池在本实施方式流道和传统流道下性能对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施方法对本实用新型进行进一步详细说明，但本实用新型的保护范围不受具体的实施方法所限制，以权利要求书为准。另外，以不违背本实用新型技术方案的前提下，对本实用新型所作的本领域普通技术人员容易实现的任何改动或改变都将落入本实用新型的权利要求范围之内。

如图1-3所示，该实施例提供了一种具有斜坡的阶梯型质子交换膜燃料电池流道结构，包括6条平行流道。

流场板采用石墨板，每条流道宽度均为1mm，长度均为20mm，每两条流道间隔脊宽为1mm，每条流道高度有所不同，流道高度从左侧开始，逐条降低0.1mm，降低方式如图3所示。

左侧第一条流道高度为1mm，第二条流道高度为0.9mm，第三条流道高度为0.8mm，第四条流道高度为0.7mm，第五条流道高度为0.6mm，最右侧流道高度为0.5mm。

流场板设有一个进气口1和出气口2，在进气孔通入气体后，气体在流场板内的流向如箭头所示，在每条流道的第一末端3、第二末端4、第三末端5、第四末端6、第五末端7、第六末端8处均设置一个三角状斜坡，布置方式如图2所示。

三角形直角边长度均为5mm，底边长度根据流道高度逐渐降低，底边长度为流道高度的一半。

在进气口通入气体后，每条流道气体到达通道末端斜坡处后共同汇聚再经出气口2流出。

实施例2：

如图4-5所示，本实用新型一种实施方式的质子交换膜燃料电池流场板结构，包括1条蛇形流道。

流场板采用石墨板，流道宽度为1mm，通道上下长度为20mm，通道间隔1mm，流道高度布局方式与本实用新型实施方式一相同，具体布置方式如底侧剖视图与图3相同。

在蛇形流道中加入的斜坡均设置在每条气体通道沿气体流动方向的末端，具体实施方式为，气体从进气口1进入流道，之后沿通道经5次曲折到达出气口2，在通道沿气体流向的第一末端3、第二末端4、第三末端5、第四末端6、第五末端7、第六末端8处均设置一个三角状斜坡，其布局位置如图5所示，三角状斜坡的长度即图5三角形较长的直角边均为5mm，三角状斜坡的高度随流道高度下降，其特征为高度为流道高度的一半。

Claims (5)

1.一种具有斜坡的阶梯型质子交换膜燃料电池流道结构，其特征在于：流场板上分布有若干条气体通道，每条通道高度呈阶梯式下降，在流场板上分布的每条气体通道末端加入1/4流道长度的三角状斜坡，气体通道高度沿气体流动方向逐渐降低。

2.根据权利要求1所述的具有斜坡的阶梯型质子交换膜燃料电池流道结构，其特征在于：气体通道为平行流道。

3.根据权利要求1所述的具有斜坡的阶梯型质子交换膜燃料电池流道结构，其特征在于：气体通道为蛇形流道。

4.根据权利要求2所述的具有斜坡的阶梯型质子交换膜燃料电池流道结构，其特征在于：平行流道为六条，其中，平行流道沿气体流向的第一末端(3)、第二末端(4)、第三末端(5)、第四末端(6)、第五末端(7)、第六末端(8)处均设置一个三角状斜坡。

5.根据权利要求3所述的具有斜坡的阶梯型质子交换膜燃料电池流道结构，其特征在于：蛇形流道为一条，气体从进气口(1)进入流道，之后沿通道经5次曲折到达出气口(2)，其中，在蛇形流道沿气体流向的第一末端(3)、第二末端(4)、第三末端(5)、第四末端(6)、第五末端(7)、第六末端(8)处均设置一个三角状斜坡。

Images