一种仿鱼骨形燃料电池流场结构

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种仿鱼骨形燃料电池流场结构。

背景技术

化石燃料的巨量使用，使能源短缺问题越来越严重，同时也造成了温室气体的大量排放，导致全球气候日益变暖。寻找可替代的绿色清洁能源被认为是解决该问题的关键。而在能源动力工程中，氢能以其可再生、无污染等优点成为研究的热点。而以氢能为动力来源的质子交换膜燃料电池以其高功率密度、零污染物、低工作温度等特点得到各国研究人员的广泛关注。在质子交换膜燃料电池工作过程中会产生大量液态水，如不及时排出会造成“水淹”现象。同时，在低温环境下，燃料电池的水管理还极大影响了电池的冷启动性能，如果液态水被冻结在流道或者气体扩散层而无法被融化排出，会堵塞通道，使反应气体无法到达反应区，使电池无法正常启动，因此其量产还存在较大问题。

而流场的性能取决于流场的结构，优良的流场结构设计可以提高燃料电池的排水速度。常见的流场形状有直通道流场、蛇形通道流场、波浪通道流场等等，然而传统的流场结构因为不能同时兼顾排水和供气的良好性能而影响了燃料电池的运行性能。研究人员在此又设计出了如仿生流场、3D细网格流场、金属泡沫流场等新型流场，一定程度上改善了燃料电池流道的水管理性能。

但目前存在的新型流场中，大多数结构的设计的较为复杂，不利于加工，将其应用到质子交换膜燃料电池上，无法实现大量的商业化应用，且很少考虑到低温环境流道的结冰融化性能。

发明内容

针对现有技术的不足和加工的复杂问题，本发明的目的在于提供一种仿鱼骨形燃料电池流场结构。本发明在所述仿鱼骨形燃料电池流场设计了鱼骨状的流道结构，所述鱼骨状流道分为主干和分支结构，分支均匀间隔分布在主干上，深度小于主干，且流道之间是相互连通的。鱼骨状的流场结构能加快融化结冰的液态水，提高电池冷启动性能，分支结构的存在能够对液态水起到疏散作用，防止单个流道中液态水过多而堵塞通道，有效阻止了“水淹”现象。

本发明是通过以下技术手段实现上述目的的：

一种仿鱼骨形燃料电池流场结构，所述燃料电池流场结构由若干仿鱼骨形流道组成，用于将反应介质输送至反应区；所述仿鱼骨形流道包括鱼骨形流道主干和鱼骨形流道分支，所述鱼骨形流道主干至少一侧分布若干鱼骨形流道分支；所述鱼骨形流道主干一侧的鱼骨形流道分支与相邻的鱼骨形流道主干连通或与相邻的鱼骨形流道主干另一侧的鱼骨形流道分支连通。所述仿鱼骨形流道能提高流道低温环境下的融冰特性，提高燃料电池冷启动性能。同时分支结构可以疏散流道聚集的液态水，有效防止燃料电池“水淹”现象。

进一步，所述鱼骨形流道分支的长度通过鱼骨形流道主干流道的入口气体质量流量和气体流速大小确定，表达式如下：

其中：

进一步，所述鱼骨形流道分支为直线型或者弧线型。

进一步，所述鱼骨形流道主干和鱼骨形流道分支的横截面形状为正方形或长方形或圆形或三角形或多边形。

进一步，所述鱼骨形流道主干的宽度为整个流场宽度的1%~10%；例如1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%或10%等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。所述鱼骨形流道主干的深度为0.5~2.5mm。

进一步，所述鱼骨形流道分支的深度小于鱼骨形流道主干的深度，所述鱼骨形流道分支的深度为鱼骨形流道主干深度的80%~90%。例如80%、81%、82%、83%、84%、85%、86%、87%、88%、89%或90%等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

进一步，所述鱼骨形流道分支的宽度为流场宽度的10%~20%。例如10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、18%、19%或20%等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

进一步，所述鱼骨形流道分支与鱼骨形流道主干之间的夹角为100°~130°。例如100°、103°、106°、109°、112°、115°、118°、121°、124°、127°或130°等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

进一步，相邻所述鱼骨形流道分支之间的间距为鱼骨形流道主干长度的5%~10%。例如5%、5.5%、6%、6.5%、7%、7.5%、8%、8.5%、9%、9.5%或10%等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

进一步，所述鱼骨形流道主干两侧分别分布若干鱼骨形流道分支；所述鱼骨形流道主干一侧的鱼骨形流道分支与相邻的鱼骨形流道主干另一侧的鱼骨形流道分支连通；相邻两个所述鱼骨形流道主干之间的鱼骨形流道分支呈“m”型。

本发明的有益效果在于：

1．本发明所述的仿鱼骨形燃料电池流场结构，由若干仿鱼骨形流道组成，用于将反应介质输送至反应区；所述仿鱼骨形流道包括鱼骨形流道主干和鱼骨形流道分支，所述鱼骨形流道主干至少一侧分布若干鱼骨形流道分支，所述鱼骨形流道主干一侧的鱼骨形流道分支与相邻的鱼骨形流道主干连通或与相邻的鱼骨形流道主干另一侧的鱼骨形流道分支连通，能够提高对冰的融化速度，使液态水在低温环境下的融冰性能提升，防止温度较低时，流道被冰块堵塞，进一步提升燃料电池的冷启动性能。

2．本发明所述的仿鱼骨形燃料电池流场结构，若干鱼骨形流道分支能够对聚集的液态水起到疏散作用，流道之间是相互连通的，当某个鱼骨形流道主干中液态水过多，可以通过分支运输道其余流道中，有效防止了“水淹现象”。分支与主干的高度差会产生局部压降变化，提高流道的排水速度，并且对总压降影响较小。

3．本发明所述的仿鱼骨形燃料电池流场结构，鱼骨形流道分支能够增加流场参与电化学反应的区域，提高反应速率，提升燃料电池整体性能。

4．本发明所述的仿鱼骨形燃料电池流场结构，鱼骨形流道主干和分支结构都较为简单，加工方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，显而易见地还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的仿鱼骨形燃料电池流场局部三维结构图。

图2为本发明实施例1的仿鱼骨形燃料电池流场局部正视图。

图3为本发明实施例1的鱼骨形流道分支的展开图。

图4为本发明实施例2的仿鱼骨形燃料电池流场局部三维结构图。

图5为本发明实施例2的仿鱼骨形燃料电池流场局部正视图。

图6为本发明实施例2的鱼骨形流道分支的展开图。

图7为本发明所述仿鱼骨形燃料电池流场与传统直流场融冰速度对比图。

图8为本发明所述仿鱼骨形燃料电池流场与传统直流场排水性能对比图。

图9为本发明所述仿鱼骨形燃料电池流场与传统直流场局部压降对比图。

图10为本发明所述仿鱼骨形燃料电池流场与传统直流场液态水饱和度对比图。

图中：

1-鱼骨形流道主干，2-鱼骨形流道分支，θ

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1、图2和图3所示，本发明所述的仿鱼骨形燃料电池流场结构，所述燃料电池流场结构由若干仿鱼骨形流道组成，用于将反应介质输送至反应区；所述仿鱼骨形流道包括若干鱼骨形流道主干1和鱼骨形流道分支2，若干所述鱼骨形流道主干1相互平行，每个鱼骨形流道主干1一侧设有若干与鱼骨形流道主干1连通的鱼骨形流道分支2，所述鱼骨形流道主干1一侧的鱼骨形流道分支2与相邻的鱼骨形流道主干1连通，如图1所示；一条鱼骨形流道主干1与其两侧的鱼骨形流道分支2构成仿鱼骨形流道。每个鱼骨形流道主干1一端为进口，另一端为出口。所述鱼骨主干和分支结构的横截面形状为正方形，也可以是长方形、圆形、三角形或者多边形等常规形状。如图1所示，所述鱼骨形流道分支2呈圆弧形，也可以是直线型。

所述鱼骨形流道主干1的宽度为整个流场宽度的1%~10%；所述鱼骨形流道分支2的深度小于鱼骨形流道主干1的深度，所述鱼骨形流道分支2的深度为鱼骨形流道主干1深度的80%~90%。所述鱼骨形流道分支2与鱼骨形流道主干1之间的夹角为100°~130°。相邻所述鱼骨形流道分支2之间的间距为鱼骨形流道主干1长度的5%~10%。所述鱼骨形流道分支2的宽度为流场宽度的10%~20%。

本实施例中，所述燃料电池流场材质为304不锈钢。所述仿鱼骨形流道主干1长度L

实施例2

如图4、图5和图6所示，本发明所述的仿鱼骨形燃料电池流场结构，所述燃料电池流场结构由若干仿鱼骨形流道组成，用于将反应介质输送至反应区；所述仿鱼骨形流道包括若干鱼骨形流道主干1和鱼骨形流道分支2，若干所述鱼骨形流道主干1相互平行，每个鱼骨形流道主干1两侧分别设有若干与鱼骨形流道主干1连通的鱼骨形流道分支2，所述鱼骨形流道主干1一侧的鱼骨形流道分支2与相邻的鱼骨形流道主干1另一侧的鱼骨形流道分支2连通，如图4所示；

实施例2中，所述仿鱼骨形流道主干1长度L

在实施例1或实施例2的中，鱼骨形流道分支2的长度极大影响了本发明的效果，根据燃料电池的不同输出功率，本发明所述的鱼骨流道分支2的长度由流道的入口气体质量流量和气体流速大小确定，表达式如下：

其中：

将传统直流场作为对比例，其弧形型流道长度为120mm，横截面积为2.5mm×2.5mm。本发明与对比例相比具有以下明显优势：

从图7中可以看出，相较于传统直流场，本发明的仿鱼骨形流道对结冰后液滴的融化速度有明显提升。在同一时刻，冰滴在鱼骨流道中融化掉的体积明显大于在传统直流道中，可见融冰速度和性能得到了提升。这对燃料电池低温冷启动性能是有益的。

从图8中可以发现，本发明的仿鱼骨形流道的分支结构中，明显存在液态水，说明本发明结构能使液态水运动到分支中，这对防“水淹”是有益的，且分支中少量液态水的存在能起到润湿气体的作用。

本发明相较于传统直流场，在排水速度和防止“水淹”方面有着极大促进作用。如图8所示，在同一时刻，液态水在仿鱼骨形流场中的运动位置明显要大于其在传统直流场，说明仿鱼骨流场提高了液态水的排除速度。从图9中，可以看出仿鱼骨形流场的局部压降明显大于直流场，这对排水是有益的。

从图10中可以看出，仿鱼骨形流场内的液态水饱和度明显小于直流场，说明在本发明流场中残余液态水较小，有利于提高气体的分布均匀性，有益于反应气体的畅通运输。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。