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CN108550875B - 一种质子交换膜燃料电池流道 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种质子交换膜燃料电池流道，包括设置在双极板上的阴极流道，阴极流道包括具有入口的入口流道、具有出口的出口流道以及至少一个分支流道，分支流道的入口与入口流道连通，分支流道的出口与出口流道连通，至少一个分支流道中间隔设置有堵块，使得减少分支流道在堵块处的截面积。本发明通过在气体流动方向上设置堵块，使得气体在通过流道的过程中流速增加，更易传递至扩散层中，极大的提升了气体利用率，使电池整体水平得到提高。

Description

一种质子交换膜燃料电池流道
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池流道。
背景技术
质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种新型的能源处理方式，以其工作温度低、无污染、无腐蚀、比功率大、启动迅速等诸多优点，已经成为能源领域研究的热点，国内外近年来都在加大对这一技术的研究投入，已取得一些关键的进展。双极板流道的设计与加工对PEMFC性能、效率以及成本都有很大的影响。适当的流道设计能够使电池性能提高50%左右，从而保证燃料电池具有较好的性能和稳定性。
目前典型的质子交换膜燃料电池直流道如图1所示，流道中的反应气体大部分是通过扩散现象进入电极，速度较慢，这些现象会导致燃料电池的阴极出口处氧气严重不足，从而降低燃料电池的性能和寿命。因此，通过对燃料电池的阴极流道进行结构优化设计，可以促进氧气的传输，使燃料电池具有更好的传质性，是提升电池性能和寿命的一个重要手段。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种质子交换膜燃料电池流道，提高流道内气体的利用率。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种质子交换膜燃料电池流道，包括设置在双极板上的阴极流道，阴极流道包括具有入口的入口流道、具有出口的出口流道以及至少一个分支流道，分支流道的入口与入口流道连通，分支流道的出口与出口流道连通，其特征在于：至少一个分支流道中间隔设置有堵块，使得减少分支流道在堵块处的截面积。
按上述方案，所述的堵块覆盖所述的分支流道截面积的60%-80%。
按上述方案，分支流道之间的结构为岸，堵块的顶部与所述的岸顶部相平，堵块的底部与分支流道的底部之间设有供气体通过的空间，堵块与岸固定连接。
按上述方案，所述的堵块沿分支流道等距间隔设置。
按上述方案，所述的分支流道的宽度为1mm，分支流道的高度为0.85mm；分支流道之间的结构为岸，岸的宽度为0.5mm；堵块的宽度为1mm，堵块的高度为0.595mm，堵块的长度为1mm。
按上述方案，相邻的堵块之间的距离为2.5mm；离入口流道最近的堵块与入口之间的距离为2mm。
按上述方案，所述的阴极流道的整体布局为20mm*21mm的矩形。
本发明的有益效果为：通过在气体流动方向上设置堵块，使得气体在通过流道的过程中流速增加，更易传递至扩散层中，极大的提升了气体利用率，使电池整体水平得到提高。
附图说明
图1为是已有的典型的质子交换膜燃料电池流道的示意图。
图2为本发明一实施例的结构示意图。
图3为图2的AA剖面图。
图4为本发明与现有典型流道内氧气摩尔浓度的对比图。
图5为本发明与现有典型流道内气体传质效果的对比图。
图中：1-入口流道，2-出口流道，3-分支流道，4-堵块，5-岸。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种质子交换膜燃料电池流道，如图2和图3所示，包括设置在双极板上的阴极流道，阴极流道包括具有入口的入口流道1、具有出口的出口流道2以及至少一个分支流道3，分支流道3的入口与入口流道1连通，分支流道3的出口与出口流道2连通，至少一个分支流道3中间隔设置有堵块4，使得减少分支流道3在堵块4处的截面积。分支流道3之间的结构为岸5。堵块4的顶部与所述的岸5顶部相平，堵块4的底部与分支流道3的底部之间设有供气体通过的空间，堵块4与岸5固定连接。所述的堵块4覆盖所述的分支流道3截面积的60%-80%。堵块4沿分支流道3等距间隔设置。
本实施例中，在质子交换膜燃料电池流场板上，阴极流道的整体布局为20mm*21mm的矩形，所述的分支流道3的宽度为1mm，分支流道3的高度为0.85mm；岸5的宽度为0.5mm；堵块4的宽度为1mm，堵块4的高度为0.595mm（即占分支流道3高度的70%），堵块4的长度为1mm。相邻的堵块4之间的距离为2.5mm；每个分支流道3上设有5个堵块4，离入口流道最近的堵块4与入口之间的距离为2mm。各流道内反应气浓度梯度与压力梯度优化反应气的传输特性，提高了反应气的利用效率，有利于降低传质阻力，提高传质效率。
发明的对比例：对比例采用传统的直流道设计，参数与本实施例流道相同，分支流道长度为20mm，宽度为1mm，高度为0.85mm，岸宽为0.5mm。
将本实施例在相同操作条件下与对比例的传统直流道进行了性能比较，试验条件为：空气加湿度10%，操作压力1ATM，操作温度363K，H2O和O2组分的质量分数分别为0.018、0.229。性能比较结果如图4、5所示。
图4给出了两种流道内氧气摩尔浓度的比较。对比例在沿流道方向上的氧气摩尔浓度始终比本发明实施例中的氧气摩尔浓度小，由此可知，本发明实施例中由于堵块的存在使得流道内气体压降较大，气流速度也较高，传质效果比对比例更为明显。
图5给出了两种流道内有效传质系数的比较。对比例由于采用传统直流道，使得其压降过小，有效传质系数一直处于较低状态，本发明实施例中数个波峰均处于堵块下方，由此可以看出，本发明实施例通过增加堵块，提升了其有效传质系数，使电极流道中气体的利用率大幅提高。
本发明在传统质子交换膜平行流道结构上的改进，根据流道总体布局形状、单流道内堵块的几何形状及尺寸、以及间距及排列可以调控的特点，提高反应气传输利用率、提高电池性能及寿命。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种质子交换膜燃料电池流道，包括设置在双极板上的阴极流道，阴极流道包括具有入口的入口流道、具有出口的出口流道以及至少一个分支流道，分支流道的入口与入口流道连通，分支流道的出口与出口流道连通，其特征在于：至少一个分支流道中间隔设置有堵块，使得减少分支流道在堵块处的截面积；每个堵块的结构和连接方式相同；
所述的堵块覆盖所述的分支流道截面积的60％-80％；
分支流道之间的结构为岸，堵块的顶部与所述的岸顶部相平，堵块的底部与分支流道的底部之间设有供气体通过的空间，堵块与岸固定连接；
所述的堵块沿分支流道等距间隔设置；
所述的分支流道的宽度为1mm，分支流道的高度为0.85mm；分支流道之间的结构为岸，岸的宽度为0.5mm；堵块的宽度为1mm，堵块的高度为0.595mm，堵块的长度为1mm；
相邻的堵块之间的距离为2.5mm；离入口流道最近的堵块与入口之间的距离为2mm。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池流道，其特征在于：所述的阴极流道的整体布局为20mm*21mm的矩形。
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