CN104821407A - 叶脉状燃料电池流场结构、燃料电池双极板及燃料电池 - Google Patents

Abstract

一种叶脉状燃料电池流场结构，其中气体流场结构为叶脉状流场，包括反应气进口，反应气出口和气体流道；其中反应气进口设在叶脉的叶柄处；反应气出口设在叶脉的叶尖处。本发明将叶脉的结构引入流场设计，将叶脉中流体流动阻力小，流体分布均匀的特点使用于流场设计，提升了电池性能。

Description

叶脉状燃料电池流场结构、燃料电池双极板及燃料电池

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池流场结构，特别涉及一种基于叶脉状仿生的质子交换膜燃料的流场结构、燃料电池双极板及燃料电池。

背景技术

燃料电池是在分子量级上通过氧化还原反应将储存在燃料中的化学能直接转换为电能输出的装置。它不同于传统热机，不受卡诺循环的限制，能量转化率较高。尤其是质子交换膜燃料电池，热电联供时，总能量转化效率可达到80％以上，由于其使用的是氢气和氧气作为燃料，所以同时具备了清洁能源的技术。

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。

流场设计的优劣直接会反应到燃料气体的分布和反应产物的排出，从而对燃料电池的效率产生一定的影响。其中，质子交换膜燃料电池属于低温电池，其工作温度一般在室温到80℃，所以不可避免的产生液态水，这对于流道设计有着更高的要求，一个好的质子交换膜燃料流场设计应能合理的分布反应气体，还有及时排出生成的水，防止流道″水淹″降低电池效率。

现在常用的质子交换膜燃料电池流场有平行流场、蛇形流场及交指型流场等。

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。

质子交换膜燃料电池使用氢气和氧气作为燃料，由于氢气并非随处可得且氢气具有较低的体积能量密度，所以氢气的制备及储备为现阶段质子交换膜燃料电池的难题之一，特别是微型质子交换膜燃料电池，氢气的储存量是一定的，提高氢气利用率是提升微型电池性能的关键之一。流场板的几何形状中，如图1所示的，交指型流场的性能是较高的一种，因其压差较大，所以经常会用于微型质子交换膜燃料电池中。

交指型流场能提高电池效率且排水较好，但因为是不连续流场，电池中压力较大，不适应有效面积过大的流传设计。

发明内容

本发明的目的是针对常规流场的不足，提供了一种基于仿生相似基础上的分形流场，通过新的流场几何形状的设计，提高燃料电池，特别是质子交换膜燃料电池的整体性能。

本发明为达到上述目的所采用的技术方案：

一种叶脉状燃料电池流场结构，其中气体流场结构为叶脉状流场，包括反应气进口，反应气出口和气体流道；其中反应气进口设在叶脉的叶柄处；反应气出口设在叶脉的叶尖处。

优选的，气体流场为交指型流场。

进一步，气体流道包括进气口主干流道，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，进气口主干流道和进气口分支流道相连，出气口主干流道和出气口分支流道相连。

进一步，进气口分支流道分布在进气口主干流道的周围，进气口分支流道与进气口主干流道的夹角为约37度。

进一步，出气口分支流道分布在出气口主干流道的周围，出气口分支流道与出气口主干流道的夹角为约37度。

进一步，进气口分支流道和出气口分支流道不对称分布。

进一步，分支流道的宽度略小于主干流道的宽度。

本发明还提供一种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前述的流场结构。

本发明提供一种微型质子交换膜燃料电池，所述燃料电池具有采用具有前述的流场结构的双极板。

本发明的有效效果：

与现有技术相比，本发明将叶脉的结构引入流场设计，将叶脉中流体流动阻力小，流体分布均匀的特点使用于流场设计，部分提升了电池性能。本发明的叶脉仿生流场结构用于燃料电池中，特别是微型燃料电池中，可以减轻储氢的困难及提高燃料利用率，有着广泛的社会效益与市场前景。

进一步的，将交指型流道设计引入叶脉形流场设计中，将入气的叶脉与出气的叶脉断开，加大了气体的强制对流，大大提高了燃料气体的利用率，同时减轻了浓差极化现象。

进一步的，采用了不对称的流道设计，使流体分布更加均匀，特别是在氢气供应有限时，提升了氢气扩散率和均匀度。

附图说明

图1是本发明背景技术传统交指型流场结构示意图。

图2是本发明实施例1中设有叶脉状流场结构的双极板的结构示意图。

图3是采用本发明实施例1中的流场结构和采用图1中传统交指型流场结构的质子交换膜燃料电池性能曲线。

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

图2是本发明实施例1中叶脉状流场结构的结构示意图。

如图2所示：一种叶脉状交指型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2，反应气出口3和气体流场，及气体流场周围的密封圈1。

本实施例中的双极板采用金属，如不锈钢、钛合金等材料。流场外围设计有密封圈1，以保证流场板气密性。优选的，密封圈1的深度为1mm。

所述气体流场为叶脉状交指型流场，包括进气主干流道5、多个进气分支流道4和出气主干流道6、多个出气分支流道7。反应气进口2处为叶脉的叶柄处，反应气出口3处为叶脉的叶尖处。

其中反应气进口2和进气主干道5相连，进气主干道5与进气分支流道4相连；出气分支流道6与出气主干流道7相连，反应气出口3与出气主干流道6相连。进气分支流道4和出气分支流道6之间不连续。

本实施例中进气主干道5深度为1mm，宽度为1.2mm，进气分支流道4以角度大小约为37°分布于进气主干道5上，深度为1mm，宽度为0.8mm。本实施例中共有六条进气分支流道4分布于进气主干流道5上，进气分支流道4的入口完全错开，以减小因几何变化而产生的流动阻力，减小几何变化的范围，可以适当的提升电池的性能，其中分支流道比主干流道窄约0.2mm，便于流体更均匀的分布。主干流道和分支流道的流道形状变化较小，方便加工，降低成本。

本实施例中进气主干道5深度为1mm，宽度为1.2mm，进气分支流道4以角度大小约为37°分布于进气主干道5上，深度为 1mm，宽度为0.8mm。本实施例中共有六条进气分支流道4分布于进气主干流道5上，进气分支流道4的入口完全错开，以减小因几何变化而产生的流动阻力，减小几何变化的范围，可以适当的提升电池的性能，其中分支流道比主干流道窄约0.2mm，便于流体更均匀的分布。主干流道和分支流道形状变化较小，方便加工，降低成本。

本实施例中出气主干道7深度为1mm，宽度为1.2mm，出气分支流道6以角度大小约为37°分布于出气主干道7上，深度为1mm，宽度为0.8mm。出气分支流道6的入口完全错开，以减小因几何变化而产生的流动阻力，减小几何变化的范围，可以适当的提升电池的性能，其中分支流道比主干流道窄约0.2mm，便于流体更均匀的分布。主干流道和分支流道的流道形状变化较小，方便加工，降低成本。

其中出气分支流道6的形状与进气分支流道4并不相同。进气分支流道4为叶脉分叉形，而出气分支流道6与出气主干流道7相连位置延伸出的前半部分形状和进气分支流道4形状相同，但是末端向内弯折，插进进气分支流道4的孔隙内。因此出气分支流道6的两端向内弯折，中部向外突出。

本实施例的燃料电池双极板使用时，燃料气体从反应进气口2进入进气口主干流道5，通过进气口分支流道4流入反应区，断开出口分支流道6与进气口分支流道4的连通，使其呈现不连续性，强制反应气体进入反应区，提升燃料气体使用率，将出气口主干流道7分布于流场外围，提升反应气体的分布均匀性，在燃料气体反应结束后由流道反应出气口3排出尾气。

比较例

如图3，为采用实施例1中新型流场结构和采用图1中传统交指型流场结构的质子交换膜燃料电池性能曲线。在燃料电池温度为80℃，压强为0.2MPa的操作条件下，通入质量流量为2e-08kg/s的氢气和9e-07kg/s的空气。在开路电压为1V的条件下，改变电压大小，记录对应电流密度，从图3中可以看出，采用燃料电池电流密 度较采用传统交指型流道的较大，且分布更均匀。从而可以得出，本发明实施例1中的流场结构，不但保持了交指型流场电池效率高的优点，还减小了流动阻力，几何设计更合理，部分提升了质子交换膜燃料电池的整体性能。

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 (9)

1.一种叶脉状燃料电池流场结构，其特征在于，其中气体流场结构为叶脉状流场，包括反应气进口，反应气出口和气体流道；其中反应气进口设在叶脉的叶柄处；反应气出口设在叶脉的叶尖处。

2.根据权利要求1所述的流场结构，其特征在于，气体流场为交指型流场。

3.根据权利要求1所述的流场结构，其特征在于，气体流道包括进气口主干流道，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，进气口主干流道和进气口分支流道相连，出气口主干流道和出气口分支流道相连。

4.根据权利要求3所述的流场结构，其特征在于，进气口分支流道分布在进气口主干流道的周围，进气口分支流道与进气口主干流道的夹角为约37度。

5.根据权利要求3所述的流场结构，其特征在于，出气口分支流道分布在出气口主干流道的周围，出气口分支流道与出气口主干流道的夹角为约37度。

6.根据权利要求3所述的流场结构，其特征在于，进气口分支流道和出气口分支流道不对称分布。

7.根据权利要求3所述的流场结构，其特征在于，分支流道的宽度小于主干流道的宽度。

8.一种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如权利要求1所述的流场结构。

9.一种微型质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述燃料电池具有如权利要求1所述的流场结构。