優(yōu)化燃料電池排水性能的質(zhì)子膜燃料電池流道的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種優(yōu)化燃料電池排水性能的質(zhì)子膜燃料電池流道;所述流道總體成蛇形排布,在氣體入口處為九條平行流道,至第一個流道轉(zhuǎn)彎處每三根流道合并成一根;合并后形成的三根平行流道將氣體引導(dǎo)至出口處。本發(fā)明采用了應(yīng)用較為廣泛的蛇形流道設(shè)計,使電流即氣體能夠均勻分布于流場;同時流道數(shù)量的減少緩解了氣體消耗所引起的壓力變化,提高了氣體在出口處的速度,在有效改善了陰極的排水效果的同時,也提高了單位時間內(nèi)經(jīng)過擴散層表面的氧氣傳輸。
【專利說明】優(yōu)化燃料電池排水性能的質(zhì)子膜燃料電池流道
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池的流道結(jié)構(gòu),具體涉及一種優(yōu)化燃料電池排水性能的質(zhì)子膜燃料電池流道。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池的流道是燃料電池的主要部件之一,作用是實現(xiàn)電池內(nèi)部的水氣傳輸。合理的流道設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)水氣分布的均勻性,提高電池性能。由于電池反應(yīng)中的氣體消耗和水的生成,常用的傳統(tǒng)蛇形流道(圖1)存在氣體分布不均,產(chǎn)生積水等問題,極大的影響了電池性能的提升。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)蛇形流道存在的不足,提供一種優(yōu)化燃料電池排水性能的質(zhì)子膜燃料電池流道;其不僅具有理想的排水作用,而且保證流道后端的氧氣供應(yīng)量,使電流分布更為均勻。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
[0005]第一方面,本發(fā)明涉及一種優(yōu)化燃料電池排水性能的質(zhì)子膜燃料電池流道,所述流道總體成蛇形排布,在氣體入口處為九條平行流道,至流道轉(zhuǎn)彎處每三根流道合并成一根;合并后形成的三根平行流道將氣體引導(dǎo)至出口處。
[0006]優(yōu)選地,所述流道的橫截面是邊長Imm的正方形,脊寬為0.885mm。
[0007]優(yōu)選地,所述合并后形成的每根流道與合并前的每根流道的橫截面積相等。
[0008]優(yōu)選地,在第一個流道轉(zhuǎn)彎處每三根平行流道合并成一根。即:由九根平行流道變?yōu)槿?br>
[0009]優(yōu)選地,所述流道具有六處轉(zhuǎn)彎。
[0010]優(yōu)選地,所述流道在質(zhì)子膜燃料電池流場板上的布局為5cm*5cm的正方形。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有如下有益效果:
[0012]本發(fā)明基于傳統(tǒng)的蛇形流道,結(jié)構(gòu)簡單易于加工;通過減少流道數(shù)量的設(shè)計,減少流道的總橫截面,使氣體在通過流道的過程中流速增加,提高流道末端的供氧速度,在一定程度上緩解氧氣消耗所引起的濃差極化;另外,氣體流速的增強了流道的排水效果,也提高了氣體在流道下方擴散層的傳輸,有效防止了水淹現(xiàn)象??傊?,本發(fā)明通過合并流道的方式來改善流道的供氧效率和排水功能,從而提高電流分布和氣體傳輸?shù)木鶆蛐?,使電池整體水平得到提高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述,本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0014]圖1為傳統(tǒng)的蛇形流道示意圖;[0015]圖2為本發(fā)明的流道結(jié)構(gòu)示意圖;
[0016]圖3為實施例1與對比例1、2的三種流道的性能比較圖;
[0017]圖4為實施例1與對比例1、2的三種流道的高頻電阻比較圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明,但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是,對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下,還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0019]實施例1
[0020]本實施例針對傳統(tǒng)質(zhì)子交換膜燃料電池用蛇形流道的特點,對流道的總體布局,數(shù)量及排列方式進行改進,從而提高氣體的傳輸效率,提高強制排水的能力,以期實現(xiàn)電池性能的均勻性和穩(wěn)定性。
[0021]本實施例的優(yōu)化燃料電池排水性能的質(zhì)子膜燃料電池流道結(jié)構(gòu)如圖2所示,入口處為九條平行流道,至流道轉(zhuǎn)彎處每三根流道合并為一根(每根流道橫截面積不變),由三根流道將氣體引導(dǎo)至出口處。以空氣的化學(xué)計量等于2為例,出口處較入口處的氣量降低了 10%,本設(shè)計使流道的總橫截面減少了 1/3,則流速增大至2.7倍。氣流速度的提高能夠有效排出流道中和脊下擴散層的積水,也提高了氧氣在擴散層表面的供給速度。因此,本發(fā)明能夠提高電流分布和氣體傳輸?shù)木鶆蛐裕瑥亩鴮崿F(xiàn)電池性能的優(yōu)化。
[0022]本實施例的流 道涉及的流道參數(shù)如表1所示。
[0023]對比例1、2
[0024]對比例I與2采用同樣的流道設(shè)計,即傳統(tǒng)的蛇形流道,其對應(yīng)的流道參數(shù)如表1所示;其中,對比例2的流道寬度增大,脊寬度減小,加強氣體在脊下擴散,以比較流道的排水性能。
[0025]表1
[0026]
I流道數(shù)I流道寬度I脊寬度~
對比例I石I0.885
對比例2 9Tl0.485
實施例1 9轉(zhuǎn)3~ I0.885
[0027]將實施例1在相同操作條件下與對比例1、2的傳統(tǒng)蛇形流道進行了性能比較,實驗條件為:濕度RH=100%,化學(xué)計量比H2 =Air = 1.5: 2,操作壓力1.5bar,操作溫度80°C。性能比較結(jié)果如圖3、4所示。
[0028]圖3給出了三種流道的性能比較。由對比例I和2來看,對比例2在高電流區(qū)的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對比例I。對比例2的窄脊設(shè)計可以有效加強氣體在脊下擴散除水,由此可知,在高電流區(qū)域內(nèi)脊下擴散層的積水是限制電池性能提升的主要因素。實施例1在高電流區(qū)的電流要優(yōu)于對比例2,可見實施例1流道的排水性能更優(yōu)。就實施例1來看,流道的總橫截面減少了三分之二,使流速得到近三倍的提升。較高的流速促使了氣體的排水效果。從電池功率來看,實施例1的最大功率達(dá)到650mW,比對比例2提升了近lOOmW。
[0029]圖4給出了三種流道的高頻電阻與電流密度的關(guān)系。為有效除去脊下的積水,對比例2減小了脊的寬度,便于氣體在脊下擴散層的擴散。雖然這種設(shè)計有效提高了電池性能,但是減小了集流板與擴散層的接觸面,提高了電阻,使電池效率發(fā)生損失。實施例1通過提高氣體流速來增強擴散效果,在提高電池的排水性能的同時,保證了集流板與擴散層的接觸面積,使高頻電阻比對比例2降低了約20%左右。
[0030]以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是,本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式,本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改,這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種優(yōu)化燃料電池排水性能的質(zhì)子膜燃料電池流道,其特征在于,所述流道總體成蛇形排布,在氣體入口處為九條平行流道,至流道轉(zhuǎn)彎處每三根流道合并成一根;合并后形成的三根平行流道將氣體引導(dǎo)至出口處。
2.如權(quán)利要求1所述的優(yōu)化燃料電池排水性能的質(zhì)子膜燃料電池流道,其特征在于,所述流道的橫截面是邊長Imm的正方形,脊寬為0.885mm。
3.如權(quán)利要求1所述的優(yōu)化燃料電池排水性能的質(zhì)子膜燃料電池流道,其特征在于,所述合并后形成的每根流道與合并前的每根流道的橫截面積相等。
4.如權(quán)利要求1?3中任一項所述的優(yōu)化燃料電池排水性能的質(zhì)子膜燃料電池流道,其特征在于,在第一個流道轉(zhuǎn)彎處每三根平行流道合并成一根。
5.如權(quán)利要求4所述的優(yōu)化燃料電池排水性能的質(zhì)子膜燃料電池流道,其特征在于,所述流道具有六處轉(zhuǎn)彎。
6.如權(quán)利要求4所述的優(yōu)化燃料電池排水性能的質(zhì)子膜燃料電池流道,其特征在于,所述流道在質(zhì)子膜燃料電池流場板上的布局為5cm*5cm的正方形。
【文檔編號】H01M8/02GK103746129SQ201410012652
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月10日
【發(fā)明者】章俊良, 王超, 蔣峰景, 崔智 , 朱鳳娟 申請人:上海交通大學(xué)