质子交换膜燃料电池整体式阴极流道的优化结构

摘要

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池整体式阴极流道的优化结构，其结构为：由6块挡气块、1块上挡气板、1块侧边上水板、1块中间上水板、1块挡水板组合为一组，视阴极流道的总长度设置N组置于阴极流道中，在流道中每间隔三个与四个挡气板的中间位置，各设有一块倾斜145度的侧边上水板和中间上水板。挡气块左右两侧面呈V字形60度结构，输水板将阴极流道分成上下两层通道，上挡气板将上通道的气体引入下通道。挡气块引导氧气进入阴极流道下壁面，侧边上水板与中间上水板引导液态水脱离阴极流道的下壁面。该结构可强化液态水排出和氧气传输的两种功能，显著改善质子交换膜燃料电池阴极“水淹”和氧气不足的现象，提升燃料电池的性能。

说明书

技术领域

本发明属于电化学燃料电池领域，具体涉及质子交换膜燃料电池流道的结构装置。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种能将燃料中的化学能直接转化为电能的电化学反应动力装置，具有高功率密度和零碳排放等优点，被广泛认为是将来最有可能取代内燃机作为汽车动力的装置。目前质子交换膜燃料电池性能及寿命还存在很大的提升空间，其中水管理和反应气体传输的优劣均是影响其性能的关键因素。

质子交换膜燃料电池工作时会在阴极产生水，特定工况下(如：高电流密度)有可能发生“水淹”现象，即生成的水不能及时排除，而导致堵塞反应气体传输的通道。同时目前流道中的反应气体大部分是通过扩散的形式进入电极，速度较慢，这些现象会导致燃料电池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优化设计来促进阴极产生水的排出和氧气的传输，是提升燃料电池性能及寿命的一个关键手段。

发明内容

本发明的目的是提出一种质子交换膜燃料电池整体式阴极流道的优化结构，在阴极流道内通过设置整体式的导流板结构，从而促进阴极反应生成水从流道中排出和参与反应的氧气从流道中进入电极，提升燃料电池的性能。

本发明通过下述技术方案予以实现：质子交换膜燃料电池整体式阴极流道的优化结构，燃料电池的流道被质子交换膜分割成阴极和阳极两个区域，阴极极板开槽构成阴极流道，阴极流道的下面是气体扩散层。

该技术方案为：挡气块、上挡气板、侧边上水板、中间上水板、挡水板和输水板作为导流板组合为整体结构设置在阴极流道中。在阴极流道中每间隔三个与四个挡气板的中间位置，设有一块顺时针倾斜145度的侧边上水板和一块顺时针倾斜145度的中间上水板。中间上水板为T形结构，挡气块左右两侧面呈V字形60度结构。挡气块与阴极流道的侧壁面接触，输水板位于挡气块的上端面，输水板的左侧设有条形槽道，槽道的一端设有挡水板；另一端设有顺时针倾斜30度的上挡气板，输水板将阴极流道分成上下两层通道。上挡气板将上通道的气体引入下通道，挡气块引导氧气进入阴极流道下壁面，侧边上水板与中间上水板引导液态水脱离阴极流道的下壁面，使液态水沿阴极流道的上通道流出，挡水板防止上通道的液态水流到下通道。由6块挡气块、1块上挡气板、1块侧边上水板、1块中间上水板、1块挡水板组合为一组，视阴极流道的总长度设置N组。

质子交换膜燃料电池的整体结构如图1所示。燃料电池的流道被质子交换膜分割成阴、阳极两个区域，两个区域的结构对应相同，都包括极板、流道、气体扩散层(GDL)和催化层(CL)等。燃料电池工作时，加湿的空气和氢气分别从阴、阳极的入口进入流道中，然后穿过气体扩散层到达催化层中参与反应。反应过程中阳极催化层消耗氢气，生成的氢离子可直接穿过质子交换膜到达阴极催化层，而生成的电子只能通过外电路到达阴极催化层，从而形成了一个连通的电路，而且到达阴极催化层的氢离子和电子与阴极的氧气反应生成水。

电池阴极流道的导流板在外面做成一个整体，然后组装到流道中。质子交换膜燃料电池阴极流道的整体化结构可强化液态水排出和氧气传输的两种功能。

本发明的特点以及产生的有益效果是：质子交换膜燃料电池的阴极流道结构简单，易于加工，可方便的放置在阴极流道中。该结构一方面可以促进阴极流道中液态水的排出，防止液态水堵塞反应气体传输的通道，同时还可以通过增强气体对流作用来促进流道氧气进入电极，防止电极中的反应区域出现氧气不足的现象，提升燃料电池的性能。

附图说明

图1为质子交换膜燃料电池结构原理图。

图2为本发明结构原理立体示意图。

图3为图2剖面结构原理图。

图4为本发明实施例电池性能效果对比图。

图5为本发明实施例催化层中氧气平均浓度对比图。

图6a和图6b是表示整体式结构流道侧边和中间液滴通过上水板的流动状况。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的，不以此限定本发明的保护范围。

阴极流道导流板整体设置的具体结构是：挡气块1、侧边上水板2、中间上水板3、上挡气板4、挡水板5和输水板6作为导流板组合为整体结构设置在阴极流道中，在阴极流道中每间隔三个与四个挡气板的中间位置，设有一块顺时针倾斜145度的侧边上水板和一块顺时针倾斜145度的中间上水板。中间上水板为T形结构，侧边上水板为双条形。挡气块左右两侧面呈V字形60度结构，挡气块与阴极流道的侧壁接触。输水板位于挡气块的上端面，输水板的左侧设有条形槽道，槽道的一端设有挡水板；另一端设有顺时针倾斜30度的挡气板。输水板将阴极流道分成上下两层通道，上挡气板将上通道的气体引入下通道，挡气块引导氧气进入阴极流道。侧边上水板与中间上水板引导液态水脱离阴极流道的下壁面，使液态水沿阴极流道的上通道流出，挡水板防止上通道的液态水流到下通道。由6块挡气块、1块上挡气板、1块侧边上水板、1块中间上水板、1块挡水板组合为一组，视阴极流道的总长度设置N组。

作为实施例，阴极流道长度为90mm，每组导流板在阴极流道中的长度是30mm，所以实施例流道共设置了3组导流板。

阴极流道的宽度和高度均为1.0mm，上通道的高度为0.2mm，下通道的高度为0.7mm，中间输水板的厚度为0.1mm。

在阴极流道中作为整体设置的导流板中，第一块挡气板下端面距离阴极流道入口为3.0mm；其余挡气块下端面距离阴极流道下壁面为0.1mm。挡气块宽度为1mm，挡气块左侧面与液态水流动方向的夹角为30度(如图2)。

上挡气板宽度为0.4mm，板的厚度为0.1mm。上挡气板上端面与阴极流道上壁面接触，上挡气板与液态水流动方向的夹角为30度。

侧边上水板宽度为0.3mm，板的厚度为0.1mm。侧边上水板下端面与阴极流道下壁面接触，侧边上水板的外侧面与阴极流道侧壁面接触，侧边上水板与液态水流动方向的夹角为35度。

中间上水板宽度为0.4mm，板的厚度为0.1mm。中间上水板下端面与阴极流道下壁面接触，中间上水板与液态水流动方向的夹角为35度。

分体式结构的导流板均通过嵌入的方法固定到阴极流道旁边极板的凹槽中，整体式结构则通过板两侧过盈装配，固定在阴极流道中。

该阴极流道结构优化主要是设计了两种不同功能结构的导流板，其中挡气板的功能是促进流道中的氧气进入电极中参与反应，而侧边、中间上水板的功能则是引导液态水离开流道与气体扩散层(流道下壁面)的接触面，让其沿着流道的上壁面流出(流道上壁面具有较强的亲水性)，防止其堵塞气体进入电极的通道。

在本实施例中，流道长度均为90mm，图中仅给出了1/3(30mm)。

在阴极流道导流板整体设置中，挡气块的功能是促进流道中的氧气进入电极中参与反应，上挡气板的功能是尽量将上通道的气体引入下通道，侧边、中间上水板的功能也是引导液态水离开流道与气体扩散层(流道下壁面)的接触面，让其沿着流道的上通道流出，防止其堵塞气体进入电极的通道，挡水板的功能是防止上通道的液态水流到下通道。

本实施例用了二块燃料电池，其中第一块电池的阴极流道为未经优化的常规流道，第二块电池的阴极流道采用了整体式结构优化设计。这二块电池除了阴极流道的结构不同，其余结构以及采用的材料完全相同。二块电池均在同一工况下进行测试，电池以恒电压模式运行，其运行温度为80℃，阴极通入加湿的空气，其加湿程度为80％，进气流量为3.91kg/m²/s，阳极通入加湿的氢气，其加湿程度为90％，进气流量为0.42kg/m²/s，阴阳极出口的压力均为一个大气压。

附图3给出了2块电池的极化曲线和净功率输出(总输出功率减去进口泵气损失功率)的对比。从图中可以看出，整体式优化结构对提高燃料电池性能的提升非常明显。

附图5给出了2块电池阴极催化层中氧气浓度的平均值，从图中可以看出：在同一电流密度下，整体化结构对反应区氧气浓度的提升非常明显。值得说明的是，本试验阴极流道长度只取了90mm，在实际的单电池中流道更长，其阴极流道末端缺氧情况更加严重，从而本设计对单电池性能的提升会更加明显。

为了了解流道中液态水的流动状况，本实施例进行了液态水流动模拟试验。在试验中，取阴极流道中上水板附近最能体现液态水流动状况的一段作为模拟的区域，流道入口的流速为12m/s。如附图6所示，a、b分别表示整体式优化结构中侧边和中间液滴通过上水板的流动状况。从图中可以看出，流道下壁面的液态水绝大部分可通过上水板移动到流道的上通道后排出。所以该优化结构能有效减少附着在流道下壁面的液态水，促进液态水的排出。