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CN111276712A - 一种改善燃料电池物料分配均匀性的极板用双面流场 - Google Patents

一种改善燃料电池物料分配均匀性的极板用双面流场 Download PDF

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CN111276712A
CN111276712A CN201811479827.XA CN201811479827A CN111276712A CN 111276712 A CN111276712 A CN 111276712A CN 201811479827 A CN201811479827 A CN 201811479827A CN 111276712 A CN111276712 A CN 111276712A
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Abstract

本发明为一种改善燃料电池物料分配均匀性的极板用双面流场，极板是由不锈钢平板冲压而成，于不锈钢板正反面，正面设有向板面内凹陷的槽，与槽相对应的背面则是向板面外突出的脊；反面流场由一列流场或从上至下依次由长条状突起相间隔的二列以上流场顺序排列构成。本发明流场适用于薄板冲压工艺，正反面结构设置多级扰动流体，物料分配的均匀性好；平行排列结构提升传质效率；平行四边形沟槽组脊下传质强化效果好。

Description

一种改善燃料电池物料分配均匀性的极板用双面流场
技术领域
本发明属于燃料电池装置的改进技术。确切的说，属于质子交换膜燃料电池流场的改进技术。
背景技术
质子交换膜燃料电池的流场结构，有平行型、蛇型、交指型等。
平行型流场虽然流动阻力小，但相邻沟槽压力相近，脊下传质效果差。特别在直接醇燃料电池阴极用平行型流场容易发生水淹，水滴阻塞沟槽难以排出，物料在阻塞区域传质受限，导致电池反应界面物料分配不均匀，降低电池性能。
蛇型流场虽然阴极用流场排水效果好，但沟槽行程长，压力降大，这样会增加燃料电池供气装置的能耗；同时，沟槽的下游区域物料浓度较低，尤其在大面积流场浓度均匀性差问题暴露得更加明显。
交指型流场虽然脊下传质效果好，但由于流场沟槽进出口没有连通，导致流动阻力大，增加燃料电池系统辅助部件的功耗，降低燃料电池系统效率。
因此，需要设置新型流场，兼具流动阻力小、排水效果好、脊下传质效果好三方面优势，促进电极轴向传质，改善燃料电池反应界面物料分配均匀性，提高燃料电池性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种物料分配均匀性的流场，该流场能促进电极轴向传质，改善电池反应界面物料分配均匀性，提高燃料电池性能，并且易于加工，便于大规模生产。
本发明可以通过下述方案实现。极板是由不锈钢平板冲压而成，于不锈钢板正反面，正面设有向板面内凹陷的槽，与槽相对应的背面则是向板面外突出的脊；
正面：从左至右一个倒梯形沟槽与另一个梯形沟槽侧边由脊相间隔设置形成一组平行四边形沟槽组，从左至右相间隔设置的二组以上平行四边形沟槽组构成一列流场；相邻倒梯形与梯形沟槽侧边由脊相间隔设置，脊为平行四边形，所有倒梯形和梯形沟槽均分别设置上下二个平面；正面流场由一列流场或从上至下依次由长条状突起相间隔的二列以上流场顺序排列构成；
反面：从左至右一个平行四边形沟槽与另一个平行四边形沟槽相间隔设置形成一组八字形沟槽组，从左至右相间隔设置的二组以上八字形沟槽组构成一列流场；相邻平行四边形沟槽侧边由倒梯形脊或梯形脊相间隔设置，脊为倒梯形或梯形，所有平行四边形沟槽分别设置上下二个平面；
反面流场由一列流场或从上至下依次由长条状突起相间隔的二列以上流场顺序排列构成。
正面或反面上长条状突起垂直板面方向的高度小于等于脊的高度。
梯形沟槽或脊是指平行于板体表面的截面为梯形，平行四边形沟槽或脊是指平行于板体表面的截面为平行四边形。
一组平行四边形沟槽组中的倒梯形沟槽与梯形沟槽成中心对称。
正面，沟槽从左至右的横列间距与从上至下梯形高度的比例为0.001～0.1。
正面，沟槽平面面积之和与极板正面面积比例可设置为1/3～2/3。
正面，倒梯形或梯形沟槽上底边向板面内凹陷的深度与下底边向板面内凹陷的深度比例可以设置为1/10～1。
正面，从左至右沟槽底面宽度与沟槽开口宽度比例可以设置1/10～1。
本发明传质强化效果好，得益于脊下传质。梯形长边侧槽道截面积大于梯形短边侧槽道截面积，流体进入梯形短边侧槽道截面速度增大，如图3，压力减小，如图4，进入倒梯形长边侧槽道截面的流体速度小于倒梯形短边侧槽道截面速度，相邻倒梯形长边侧压力大于梯形短边侧槽道截面压力，流体通过脊下扩散层沿压力梯度方向扩散，在脊下形成暗流，可以减少生成物在脊下的聚集或者反应物的欠料情况。
矩阵排列结构提升传质效率。平行排列结构设置的流体流经路径短，流动阻力小；分段式槽道有利于流体掺混和再分配，提升平行轨迹的物料浓度的一致性；矩阵排列结构设置形成的多级扰动流体分配更加均匀。
本发明流场适用于薄板冲压工艺。正面是梯形沟槽阵列排布，反面是平行四边形沟槽阵列排布，正反面结构设置多级扰动流体，物料分配的均匀性好。平行排列结构提升传质效率；平行四边形沟槽组脊下传质强化效果好。
附图说明
图1.中心对称的梯形沟槽示意图；
图2.梯形沟槽阵列排布示意图；
图3.中心对称的梯形沟槽流场速度分布；
图4.中心对称的梯形沟槽流场压力分布；
图5.平行槽道结构流场压力分布。
图中：1.梯形沟槽，2.倒梯形沟槽。
具体实施方式
实施例
1.双极板以不锈钢薄板为原料，沟槽利用冲压工艺成型于不锈钢板正反面，。
2.极板证明流场设置横向3组平行四边形沟槽组，纵向3组平行四边形沟槽组，矩阵式排列，如图2，纵向错列间距4.5mm；等腰梯形沟槽，腰长40mm，短边1.5mm，短边截面深度0.5mm，长边4.5mm，长边截面深度0.5mm；反面流场平面是平行四边形沟槽短边1.5mm，长边40mm。
3.梯形长边侧槽道截面积大于梯形短边侧槽道截面积，流体进入梯形短边侧槽道截面速度增大，压力减小，进入倒梯形相邻的梯形长边侧槽道截面的流体速度小于倒梯形相邻的沟槽短边侧槽道截面速度，相邻倒梯形长边侧压力大于相邻的梯形沟槽短边侧槽道截面压力，流体通过脊下扩散层沿压力梯度方向扩散，在脊下形成持续暗流，可以减少生成物在脊下的聚集或者反应物物料的欠料情况。
4.平行槽道结构的相同长度位置的压力值相等，即相邻的沟槽对应槽道截面压强相等，压力梯度为零，则脊下扩散层流体流动缓慢，生成物在脊下易聚集，堵塞扩散层。

Claims (8)

1.一种改善燃料电池物料分配均匀性的极板用双面流场，极板是由不锈钢平板冲压而成，于不锈钢板正反面，正面设有向板面内凹陷的槽，与槽相对应的背面则是向板面外突出的脊；
正面：从左至右一个倒梯形沟槽与另一个梯形沟槽侧边由脊相间隔设置形成一组平行四边形沟槽组，从左至右相间隔设置的二组以上平行四边形沟槽组构成一列流场；相邻倒梯形与梯形沟槽侧边由脊相间隔设置，脊为平行四边形，所有倒梯形和梯形沟槽均分别设置上下二个平面；正面流场由一列流场或从上至下依次由长条状突起相间隔的二列以上流场顺序排列构成；
反面：从左至右一个平行四边形沟槽与另一个平行四边形沟槽相间隔设置形成一组八字形沟槽组，从左至右相间隔设置的二组以上八字形沟槽组构成一列流场；相邻平行四边形沟槽侧边由倒梯形脊或梯形脊相间隔设置，脊为倒梯形或梯形，所有平行四边形沟槽分别设置上下二个平面；
反面流场由一列流场或从上至下依次由长条状突起相间隔的二列以上流场顺序排列构成。
2.按照权利要求1所述双面流场，其特征在于：正面或反面上长条状突起垂直板面方向的高度小于等于脊的高度。
3.按照权利要求1所述双面流场，其特征在于：梯形沟槽或脊是指平行于板体表面的截面为梯形，平行四边形沟槽或脊是指平行于板体表面的截面为平行四边形。
4.按照权利要求1所述双面流场，其特征在于：一组平行四边形沟槽组中的倒梯形沟槽与梯形沟槽成中心对称。
5.按照权利要求1所述双面流场，其特征在于：正面，沟槽从左至右的横列间距与从上至下梯形高度的比例为0.001～0.1。
6.按照权利要求1所述双面流场，其特征在于：正面，沟槽平面面积之和与极板正面面积比例可设置为1/3～2/3。
7.按照权利要求1所述双面流场，其特征在于：正面，倒梯形或梯形沟槽上底边向板面内凹陷的深度与下底边向板面内凹陷的深度比例可以设置为1/10～1。
8.按照权利要求1或7所述双面流场，其特征在于：正面，从左至右沟槽底面宽度与沟槽开口宽度比例可以设置1/10～1。
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