CN112993309A - 一种蛇形流场结构 - Google Patents

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侯明
何良
苟勇
郑利民
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Abstract

本发明涉及一种蛇形流场结构，属于燃料电池领域。本发明所述流场结构的中央区域设有多个蛇形脊Ⅱ，所述蛇形脊Ⅱ由多个s形单元首尾相接构成，相邻所述蛇形脊Ⅱ之间形成蛇形气体流道。本发明所述蛇形流场结构具有传质效果好、排水能力强等优点，能够显著的提高电池性能。同时，本发明所述蛇形流场结构加工简单，不需要复杂的模具设计，利用传统的机械加工就可以实现。

Description

一种蛇形流场结构
技术领域
本发明涉及一种蛇形流场结构，属于燃料电池领域。
背景技术
近年来，由于化石资源的日益枯竭以及环境问题的日渐突出，人们对于新能源的呼声越来越高。而质子交换膜燃料电池由于具有绝对的清洁(产物仅为水)、高效、工作条件温和以及隐蔽性好等特点，在交通运输、航空航天以及便携式电源等方面存在广阔的应用前景。2019年国内燃料电池行业迎来发展小高潮，燃料电池企业遍地开花。
然而，纵观国内当前的燃料电池市场，燃料电池技术本身还有很大的提升空间，首当其冲的便是电池性能。而燃料电池技术的提升，一般可从膜电极、双极板以及电池结构三方面来提升。其中，膜电极方面的提升当前也进入瓶颈阶段，高的电池性能常常伴随着高的贵金属用量；而电池特别是电堆的结构设计，通常需要反复的实验验证，电堆的实验验证耗费大量的人力物力。相对来说，双极板的优化，特别是流场的优化是最简单易行的方案。
燃料电池用流场一般为平行沟槽流场、蛇形流场、交趾状流场或者点状流场。这些流场的共同特点是依靠分子扩散将反应物传送到活性位点，反应物也需要依赖浓差或者曳力作用排出电池外。这些流场统称为二维流场，其优点是结构简单，加工成本低。然而，随着燃料电池的发展，对于工作电流密度的追求越来越高，单纯的分子扩散已经不能满足高电密条件下对反应物的需求，生成的反应水也不能及时排除电池外，因此需要设计新的流场结构。
自丰田Mirai问世以来，三维流场逐渐成为大家的研究热点。相对于传统的二维流场，三维流场增加了垂直于电极平面的扰动，可以促进电池内部的传质以及排水，增加电池在高电密条件下的性能。然而，三维流场相应的造价也居高不下，对于工艺的要求也有所上升，因此应用受到限制。
发明内容
燃料电池在高电流密度下工作时通常会面临反应气不足、产物不能及时排出以及热量不能及时散出等问题，其结果是使得电池性能快速下降，严重时可导致电池温度快速上升，造成事故。本发明为了解决上述问题，设计一种新型流场结构，能够促进电池在高电流密度工作下气体从流道向活性位点的传递以及反应物从活性位点的排出，进而提升电池性能。
本发明提供了一种蛇形流场结构，所述流场结构的中央区域设有多个蛇形脊Ⅱ，所述蛇形脊Ⅱ由多个s形单元首尾相接构成，相邻所述蛇形脊Ⅱ之间形成蛇形气体流道。
本发明优选为所述s形单元两端之间的直线距离为1-10mm。
本发明优选为所述s形单元的圆弧半径为0.5-20mm。
本发明优选为所述s形单元的高度为0.2-2mm。
本发明优选为每个所述s形单元的高度均相同。
本发明优选为多个所述蛇形脊Ⅱ平行布置。
本发明优选为所述流场结构设有多个脊Ⅰ，相邻所述脊Ⅰ之间形成气体入口通道，所述气体入口通道与蛇形气体流道连通。
本发明优选为多个所述脊Ⅰ平行布置。
本发明优选为所述流场结构设有多个脊Ⅲ，相邻所述脊Ⅲ之间形成气体出口通道，所述气体出口通道与蛇形气体流道连通。
本发明优选为多个所述脊Ⅲ平行布置。
通过调节本发明所述s形单元两端之间的直线距离、s形单元的圆弧半径、s形单元的高度三个参数来控制气体在其中的湍动程度，进而调节其传质能力，改变电池性能。
本发明有益效果为：
本发明所述蛇形流场结构具有传质效果好、排水能力强等优点，能够显著的提高电池性能。同时，本发明所述蛇形流场结构加工简单，不需要复杂的模具设计，利用传统的机械加工就可以实现。本发明所述蛇形流场结构在质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池领域具有巨大的应用潜力。
附图说明
本发明附图3幅，
图1为本发明所述蛇形流场结构的结构示意图；
图2为本发明所述s形单元的结构示意图；
图3为实施例1-4的电池I-V曲线图；
其中：1、脊Ⅰ，2、蛇形脊Ⅱ，3、蛇形气体流道，4、脊Ⅲ，5、s形单元。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
一种蛇形流场结构，所述流场结构的中央区域设有多个蛇形脊Ⅱ2，多个所述蛇形脊Ⅱ2平行布置，所述蛇形脊Ⅱ2由多个s形单元5首尾相接构成，所述s形单元5两端之间的直线距离L为2mm，所述s形单元5的圆弧半径R为2mm，所述s形单元5 的高度H为0.4mm且每个s形单元5的高度H均相同，相邻所述蛇形脊Ⅱ2之间形成蛇形气体流道3；
所述流场结构设有多个脊Ⅰ1，多个所述脊Ⅰ1平行布置，相邻所述脊Ⅰ1之间形成气体入口通道，所述气体入口通道与蛇形气体流道3连通；
所述流场结构设有多个脊Ⅲ4，多个所述脊Ⅲ4平行布置，相邻所述脊Ⅲ4之间形成气体出口通道，所述气体出口通道与蛇形气体流道3连通。
本实施例在0.1MPa、80℃、阳极100％增湿、阴极50％增湿、阳极计量比1.5、阴极计量比2.5的条件下测试的极化曲线见图3。由图3得，在1000mA/cm2电流密度下，本实施例的电池电压能达到0.65V以上。
实施例2
一种蛇形流场结构，所述流场结构的中央区域设有多个蛇形脊Ⅱ2，多个所述蛇形脊Ⅱ2平行布置，所述蛇形脊Ⅱ2由多个s形单元5首尾相接构成，所述s形单元5两端之间的直线距离L为2mm，所述s形单元5的圆弧半径R为1.5mm，所述s形单元 5的高度H为0.4mm且每个s形单元5的高度H均相同，相邻所述蛇形脊Ⅱ2之间形成蛇形气体流道3；
所述流场结构设有多个脊Ⅰ1，多个所述脊Ⅰ1平行布置，相邻所述脊Ⅰ1之间形成气体入口通道，所述气体入口通道与蛇形气体流道3连通；
所述流场结构设有多个脊Ⅲ4，多个所述脊Ⅲ4平行布置，相邻所述脊Ⅲ4之间形成气体出口通道，所述气体出口通道与蛇形气体流道3连通。
本实施例在0.1MPa、80℃、阳极100％增湿、阴极50％增湿、阳极计量比1.5、阴极计量比2.5的条件下测试的极化曲线见图3。由图3得，在1000mA/cm2电流密度下，本实施例的电池电压能达到0.68V以上。
实施例3
一种蛇形流场结构，所述流场结构的中央区域设有多个蛇形脊Ⅱ2，多个所述蛇形脊Ⅱ2平行布置，所述蛇形脊Ⅱ2由多个s形单元5首尾相接构成，所述s形单元5两端之间的直线距离L为4mm，所述s形单元5的圆弧半径R为1.5mm，所述s形单元 5的高度H为0.4mm且每个s形单元5的高度H均相同，相邻所述蛇形脊Ⅱ2之间形成蛇形气体流道3；
所述流场结构设有多个脊Ⅰ1，多个所述脊Ⅰ1平行布置，相邻所述脊Ⅰ1之间形成气体入口通道，所述气体入口通道与蛇形气体流道3连通；
所述流场结构设有多个脊Ⅲ4，多个所述脊Ⅲ4平行布置，相邻所述脊Ⅲ4之间形成气体出口通道，所述气体出口通道与蛇形气体流道3连通。
本实施例在0.1MPa、80℃、阳极100％增湿、阴极50％增湿、阳极计量比1.5、阴极计量比2.5的条件下测试的极化曲线见图3。由图3得，在1000mA/cm2电流密度下，本实施例的电池电压能达到0.68V以上。
实施例4
一种蛇形流场结构，所述流场结构的中央区域设有多个蛇形脊Ⅱ2，多个所述蛇形脊Ⅱ2平行布置，所述蛇形脊Ⅱ2由多个s形单元5首尾相接构成，所述s形单元5两端之间的直线距离L为2mm，所述s形单元5的圆弧半径R为2mm，所述s形单元5 的高度H为0.6mm且每个s形单元5的高度H均相同，相邻所述蛇形脊Ⅱ2之间形成蛇形气体流道3；
所述流场结构设有多个脊Ⅰ1，多个所述脊Ⅰ1平行布置，相邻所述脊Ⅰ1之间形成气体入口通道，所述气体入口通道与蛇形气体流道3连通；
所述流场结构设有多个脊Ⅲ4，多个所述脊Ⅲ4平行布置，相邻所述脊Ⅲ4之间形成气体出口通道，所述气体出口通道与蛇形气体流道3连通。
本实施例在0.1MPa、80℃、阳极100％增湿、阴极50％增湿、阳极计量比1.5、阴极计量比2.5的条件下测试的极化曲线见图3。由图3得，在1000mA/cm2电流密度下，本实施例的电池电压能达到0.67V以上。

Claims (10)

1.一种蛇形流场结构，其特征在于：所述流场结构的中央区域设有多个蛇形脊Ⅱ，所述蛇形脊Ⅱ由多个s形单元首尾相接构成，相邻所述蛇形脊Ⅱ之间形成蛇形气体流道。
2.根据权利要求1所述的蛇形流场结构，其特征在于：所述s形单元两端之间的直线距离为1-10mm。
3.根据权利要求2所述的蛇形流场结构，其特征在于：所述s形单元的圆弧半径为0.5-20mm。
4.根据权利要求3所述的蛇形流场结构，其特征在于：所述s形单元的高度为0.2-2mm。
5.根据权利要求4所述的蛇形流场结构，其特征在于：每个所述s形单元的高度均相同。
6.根据权利要求5所述的蛇形流场结构，其特征在于：多个所述蛇形脊Ⅱ平行布置。
7.根据权利要求6所述的蛇形流场结构，其特征在于：所述流场结构设有多个脊Ⅰ，相邻所述脊Ⅰ之间形成气体入口通道，所述气体入口通道与蛇形气体流道连通。
8.根据权利要求7所述的蛇形流场结构，其特征在于：多个所述脊Ⅰ平行布置。
9.根据权利要求8所述的蛇形流场结构，其特征在于：所述流场结构设有多个脊Ⅲ，相邻所述脊Ⅲ之间形成气体出口通道，所述气体出口通道与蛇形气体流道连通。
10.根据权利要求9所述的蛇形流场结构，其特征在于：多个所述脊Ⅲ平行布置。
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