CN104037426A - 一种树状渐缩结构流场的质子交换膜燃料电池双极板 - Google Patents

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Abstract

一种树状渐缩结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，所述双极板的两个板面均设有反应气进口，反应气出口和气体流场，其中气体流场结构为圆形交指型流场，反应气进口处和反应气出口处两处流场均为树状结构，流场内的各流道均为等比例渐缩结构。本发明的渐缩设计促进了交指型流场的强制对流，提高电池的化学反应效率；树状分形的结构能弥补交指型流场高压降的缺点，使反应气体在流道中分布更加均匀，从而提升整体电池的性能。

Description

一种树状渐缩结构流场的质子交换膜燃料电池双极板
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池双极板，特别涉及一种基于树状仿生的圆形渐缩交指型流场结构的质子交换膜燃料电池双极板。
背景技术
质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）因其具有能量转化率高、无污染、启动快等优点而具有可观的市场应用前景。与热机相比，燃料电池的化学能直接转化成电能，不需要初步转化成热能。因此，转化不受卡诺循环的限制，理论上可以实现90%转化的高效率。
双极板又称集流板，是燃料电池的重要部件，需满足如下有求：(1)实现电池间电的联接；(2)排除电池内化学反应产生的废热；(3)分隔燃料和氧化剂。
流场是在双极板上加工的各种形状的沟槽，为反应物和生成物提供进出通道，流道结构决定反应物与生成物在流场内的流动状态，要保证质子交换膜燃料电池正常运行，必须使电极各处均能获得充足的反应物，并及时将生成的水排出，因此流场机构对质子交换膜燃料电池的性能有很大的影响。
常见的质子交换膜燃料电池双极板的流场有平行流场，蛇型流场和交指型流场。平行流场的一个显著优点在于气体进口和出口之间的总压降较低，但当流场的宽度相对较大时，每个流道中的流体分布会出现不均匀的现象，这就会引起部分区域的水的堆积，导致传输耗损的增加，从而降低了电流密度。
蛇型流场的优点在于排水能力，单一流动路径能推动液态水的排出。但在大面积的流场中，蛇型流场的压降很大，且气体浓度分布不均匀。
交指型流场的设计促进了反应气体在扩散层中的强制对流，其水管理的效果远优于平行流场和蛇型流场，但气体扩散层中的强制对流导致很大的压降损耗。
树状分形结构在大自然广泛的存在，是自然长期进化的产物，因此在传质运输方面有很多优异的特性，随着仿生学的发展，越来越多的研究者将其应用于科学研究。
发明内容
本发明的目的是针对常规流场的不足，结合树状结构和渐缩结构的特点提出一种树状渐缩结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，这种新型结构流场能够更均匀地分配反应气体到各分支流道，更有利于电池的热管理，增强交指型流场的强制对流，从而提升电池的性能。
本发明为达到上述目的所采用的技术方案：
一种树状渐缩结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，所述双极板的两个板面均设有反应气进口，反应气出口和气体流场，其中气体流场结构为圆形交指型流场，反应气进口处和反应气出口处两处流场均为树状结构，流场内的各流道均为等比例渐缩结构。
进一步，所述流场设有进气口主干流道，出气口主干流道，多个进气分支流道和多个出气分支流道，反应气进口与进气口主干流道相连，反应气出口和出气口主干流道相连，进气口主干流道和出气口分支流道相连，出气口主干流道和出气口分支流道相连。
进一步，分支流道入口宽度等于其与主流道连接处主流道的宽度。
进一步，主干流道的宽度与分支流道的数目成正比，分支流道越多，主干流道的宽度越大。
进一步，流道的宽度和深度均为等比例渐缩，从而截面积变小。
进一步，流场的渐缩流道按比例分布，分支流道的深度与长度的渐缩比例一致。
进一步，流道最深处所在面为同一平面。
本发明的有效效果：
基于树状仿生结构的质子交换膜燃料电池双极板，这种新型结构流场能够均匀分配反应气体到各分支流道，使反应气体能够均匀的分布在反应流场；圆形结构更有利于电池的热管理，电化学反应产生的热量由圆心向四周扩散，更加均匀；渐缩形式增强交指型流场的强制对流，单位时间内扩散到催化剂层和扩散层的反应气体的量增加，从而提升电池的性能。
进一步的，本发明的双极板流场的进气主干流道、出气主干流道和多个分支流道相连，主干流道的宽度根据直流道的数目来确定，支流道的数目越多，主流到的宽度越大。
进一步的，本发明的双极板流场的流道为渐缩形式，截面积变小，但流量不变，流速增加，单位时间内扩散到催化剂层和扩散层的反应气体的量增加。
进一步的，本发明的双极板流场的渐缩流道按比例分布，支流道的深度与长度的比值一致，流道最深处所在面为同一平面，更容易加工。
附图说明
图1是本发明实施例1中双极板Ⅰ型流场的结构示意图。
图2是本发明实施例2中双极板Ⅱ型流场结构示意图。
图3是本发明中双极板流道进/出气流道的三维结构示意图。
图4是本发明实施例1中树状渐缩结构流场的仿真电池极化曲线图。
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说明。
实施例1
如图1所示：一种树状渐缩结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，双极板的两个板面均包括反应气进口1和反应气出口6和气体流场。
所述气体流场为圆形交指型流场，包括进气主干流道2、多个进气分支流道3和出气主干流道5、多个出气分支流道4。反应气进口1处和反应气出口6处两处流场均为树状结构，其中反应气进口1和进气主干道2相连，进气主干道2与进气分支流道3相连；出气分支流道4与出气主干流道5相连，反应气出口6与出气主干流道5相连。
图3是本发明中双极板流道进/出气流道的三维结构示意图，从图3可以看出流场内的各流道均为等比例渐缩结构。
其中进气主干流道2从进气口1到圆形流道中心处宽度和深度渐缩。出气口主干流道5从出气口6到圆形流道中心处宽度和深度渐缩。其中宽度和深度的渐缩比例一致。
进气分支流道3入口宽度等于其与进气主干流道2连接处进气主干流道2的宽度。
出气分支流道4入口宽度等于其与出气主干流道5连接处进气主干流道5的宽度。
每个进气分支流道3从分支流道的进口到尾部宽度和深度渐缩。
每个出气分支流道4从分支流道的出口到尾部宽度和深度渐缩。
其中宽度和深度的渐缩比例一致。
多个进气分支流道3和多个出气分支流道4从圆形的外圈向内圈分级分布。其中不同进气分支流道3的宽度从圆形的外圈向内圈宽度等比例渐缩。
每一级进气分支流道3和出气分支流道4交叉排列，其中进气分支流道3的尾部与出气分支流道4出口位于同一端，出气分支流道4的尾部与进气分支流道3的进口位于同一端。
本实施例中，进气分支流道3位于圆形流道的最外圈。
此外，进气主干流道2的宽度与进气分支流道3的数目相关，进气分支流道3越多，进气主干流道2的宽度越大。
同样，出气主干流道5的宽度与出气分支流道4的数目相关，出气分支流道4越多，出气主干流道5的宽度越大。
流场的流道为渐缩结构，截面积变小，但流量不变，流速增加，单位时间扩散到催化剂层和扩散层的反应气体的量增加。
流场的渐缩流道按比例分布，分支流道的深度与长度的比例一致。
进一步，流道最深处所在面为同一平面。
本双极板在使用时，其中反应气体由进口1进入双极板流道，通过进气主流道2将反应气体均匀地分布到进气支流道3，通过强制对流分布到扩散层，并进一步对流到出气分支流道4，再汇集到出气主流道5，最终由反应气体出气口6排出。
本实施例中阳极的反应气体为氢气，阴极为空气或者氧气。
所述质子交换膜燃料电池的双极板可由石墨材料或金属材料制成。
一种树状渐缩结构流场的质子交换膜燃料电池双极板的仿真极化曲线如图4所示，操作参数如表1：
开路电压（V） 1.05
操作压力（atm） 2
操作温度（K） 343
氢气进口流量（ml/min） 30
氧气进口流量（ml/min） 15
氢气加湿度 100%
氧气加湿度 100%
实施例2
本实施例中双极板板面结构如图2所示，其中大部分结构与实施例1相同，唯一的区别是出气分支流道4位于圆形流道的最外圈。
在实际的应用中，实施例1和实施例2这两种结构可以相互混合使用。不同组合的热分布和水分布不同，适应于不同的应用环境。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种树状渐缩结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于，所述双极板的两个板面均设有反应气进口，反应气出口和气体流场，其中气体流场结构为圆形交指型流场，反应气进口处和反应气出口处两处流场均为树状结构，流场内的各流道均为等比例渐缩结构。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于，设有进气口主干流道，出气口主干流道，多个进气分支流道和多个出气分支流道，反应气进口与进气口主干流道相连，反应气出口和出气口主干流道相连，进气口主干流道和出气口分支流道相连，出气口主干流道和出气口分支流道相连。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于，分支流道入口宽度等于其与主流道连接处主流道的宽度。
4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于，主干流道的宽度与分支流道的数目成正比。
5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于，所述流道的宽度和深度均为等比例渐缩。
6.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于，流场的渐缩流道按比例分布，分支流道的深度与长度的渐缩比例一致。
7.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于，流道最深处所在面为同一平面。
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