葉脈狀燃料電池流場結(jié)構(gòu)、燃料電池雙極板及燃料電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及質(zhì)子交換膜燃料電池流場結(jié)構(gòu)，特別涉及一種基于葉脈狀仿生的質(zhì)子交換膜燃料的流場結(jié)構(gòu)、燃料電池雙極板及燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池是在分子量級上通過氧化還原反應(yīng)將儲存在燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能輸出的裝置。它不同于傳統(tǒng)熱機，不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)化率較高。尤其是質(zhì)子交換膜燃料電池，熱電聯(lián)供時，總能量轉(zhuǎn)化效率可達到80%以上，由于其使用的是氫氣和氧氣作為燃料，所以同時具備了清潔能源的技術(shù)。
[0003]雙極板又稱集流板，是燃料電池的重要部件，需滿足如下有求:(I)實現(xiàn)電池間電的聯(lián)接；(2)排除電池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的廢熱；(3)分隔燃料和氧化劑。
[0004]流場是在雙極板上加工的各種形狀的溝槽，為反應(yīng)物和生成物提供進出通道，流道結(jié)構(gòu)決定反應(yīng)物與生成物在流場內(nèi)的流動狀態(tài)，要保證質(zhì)子交換膜燃料電池正常運行，必須使電極各處均能獲得充足的反應(yīng)物，并及時將生成的水排出，因此流場機構(gòu)對質(zhì)子交換膜燃料電池的性能有很大的影響。
[0005]流場設(shè)計的優(yōu)劣直接會反應(yīng)到燃料氣體的分布和反應(yīng)產(chǎn)物的排出，從而對燃料電池的效率產(chǎn)生一定的影響。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池屬于低溫電池，其工作溫度一般在室溫到80°C，所以不可避免的產(chǎn)生液態(tài)水，這對于流道設(shè)計有著更高的要求，一個好的質(zhì)子交換膜燃料流場設(shè)計應(yīng)能合理的分布反應(yīng)氣體，還有及時排出生成的水，防止流道"水淹"降低電池效率。
[0006]現(xiàn)在常用的質(zhì)子交換膜燃料電池流場有平行流場、蛇形流場及交指型流場等。
[0007]平行流場的一個顯著優(yōu)點在于氣體進口和出口之間的總壓降較低，但當流場的寬度相對較大時，每個流道中的流體分布會出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，這就會引起部分區(qū)域的水的堆積，導(dǎo)致傳輸耗損的增加，從而降低了電流密度。
[0008]蛇型流場的優(yōu)點在于排水能力，單一流動路徑能推動液態(tài)水的排出。但在大面積的流場中，蛇型流場的壓降很大，且氣體濃度分布不均勻。
[0009]交指型流場的設(shè)計促進了反應(yīng)氣體在擴散層中的強制對流，其水管理的效果遠優(yōu)于平行流場和蛇型流場，但氣體擴散層中的強制對流導(dǎo)致很大的壓降損耗。
[0010]質(zhì)子交換膜燃料電池使用氫氣和氧氣作為燃料，由于氫氣并非隨處可得且氫氣具有較低的體積能量密度，所以氫氣的制備及儲備為現(xiàn)階段質(zhì)子交換膜燃料電池的難題之一，特別是微型質(zhì)子交換膜燃料電池，氫氣的儲存量是一定的，提高氫氣利用率是提升微型電池性能的關(guān)鍵之一。流場板的幾何形狀中，如圖1所示的，交指型流場的性能是較高的一種，因其壓差較大，所以經(jīng)常會用于微型質(zhì)子交換膜燃料電池中。
[0011]交指型流場能提高電池效率且排水較好，但因為是不連續(xù)流場，電池中壓力較大，不適應(yīng)有效面積過大的流傳設(shè)計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的是針對常規(guī)流場的不足，提供了一種基于仿生相似基礎(chǔ)上的分形流場，通過新的流場幾何形狀的設(shè)計，提高燃料電池，特別是質(zhì)子交換膜燃料電池的整體性會K。
[0013]本發(fā)明為達到上述目的所采用的技術(shù)方案:
[0014]一種葉脈狀燃料電池流場結(jié)構(gòu)，其中氣體流場結(jié)構(gòu)為葉脈狀流場，包括反應(yīng)氣進口，反應(yīng)氣出口和氣體流道；其中反應(yīng)氣進口設(shè)在葉脈的葉柄處；反應(yīng)氣出口設(shè)在葉脈的葉尖處。
[0015]優(yōu)選的，氣體流場為交指型流場。
[0016]進一步，氣體流道包括進氣口主干流道，出氣口主干流道，多個進氣分支流道和多個出氣分支流道，反應(yīng)氣進口與進氣口主干流道相連，反應(yīng)氣出口和出氣口主干流道相連，進氣口主干流道和進氣口分支流道相連，出氣口主干流道和出氣口分支流道相連。
[0017]進一步，進氣口分支流道分布在進氣口主干流道的周圍，進氣口分支流道與進氣口主干流道的夾角為約37度。
[0018]進一步，出氣口分支流道分布在出氣口主干流道的周圍，出氣口分支流道與出氣口主干流道的夾角為約37度。
[0019]進一步，進氣口分支流道和出氣口分支流道不對稱分布。
[0020]進一步，分支流道的寬度略小于主干流道的寬度。
[0021]本發(fā)明還提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板，所述雙極板的兩個板面均設(shè)有前述的流場結(jié)構(gòu)。
[0022]本發(fā)明提供一種微型質(zhì)子交換膜燃料電池，所述燃料電池具有采用具有前述的流場結(jié)構(gòu)的雙極板。
[0023]本發(fā)明的有效效果:
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明將葉脈的結(jié)構(gòu)引入流場設(shè)計，將葉脈中流體流動阻力小，流體分布均勻的特點使用于流場設(shè)計，部分提升了電池性能。本發(fā)明的葉脈仿生流場結(jié)構(gòu)用于燃料電池中，特別是微型燃料電池中，可以減輕儲氫的困難及提高燃料利用率，有著廣泛的社會效益與市場前景。
[0025]進一步的，將交指型流道設(shè)計引入葉脈形流場設(shè)計中，將入氣的葉脈與出氣的葉脈斷開，加大了氣體的強制對流，大大提高了燃料氣體的利用率，同時減輕了濃差極化現(xiàn)象。
[0026]進一步的，采用了不對稱的流道設(shè)計，使流體分布更加均勻，特別是在氫氣供應(yīng)有限時，提升了氫氣擴散率和均勻度。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明【背景技術(shù)】傳統(tǒng)交指型流場結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖2是本發(fā)明實施例1中設(shè)有葉脈狀流場結(jié)構(gòu)的雙極板的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖3是采用本發(fā)明實施例1中的流場結(jié)構(gòu)和采用圖1中傳統(tǒng)交指型流場結(jié)構(gòu)的質(zhì)子交換膜燃料電池性能曲線。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0031]實施例1
[0032]圖2是本發(fā)明實施例1中葉脈狀流場結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]如圖2所示:一種葉脈狀交指型結(jié)構(gòu)流場的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板，雙極板的兩個板面均包括反應(yīng)氣進口 2，反應(yīng)氣出口 3和氣體流場，及氣體流場周圍的密封圈I。
[0034]本實施例中的雙極板采用金屬，如不銹鋼、鈦合金等