一种质子交换膜燃料电池双极板仿生自输运排水流场

摘要

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池双极板仿生自输运排水流场，反应气体入口和反应气体出口之间设有多个流道，每个流道依次间隔设有多个输运块，沿反应气体流动方向每个输运块依次设有前输运块和后输运块，前输运块和后输运块之间设有间隙，前输运块和后输运块之间形成凹坑，后输运块横截面由上至下逐渐缩小，后输运块设有对应的第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁设于前输运块与第二侧壁之间，第一侧壁中部设有第一凹陷部，第二侧壁中部设有第一突出部，第一突出部与第一凹陷部的朝向均与反应气体流动方向相同，第二侧壁垂直于流场本体表面。提高了质子交换膜燃料电池的性能及稳定性，为其在燃料电池汽车中的进一步广泛应用奠定基础。

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，特别是涉及一种质子交换膜燃料电池双极板仿生自输运排水流场。

背景技术

燃料电池是继火电、水电和核电之后的第四代发电技术。作为燃料电池中被研究得最多的一员，质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)由于工作温度低、体积小、启动时间短、比功率高、结构简单、操作方便等突出优点，很适合用作电动汽车的动力源。

然而，PEMFC在正常工作的过程中随着化学反应的不断进行，阴极侧生成的水分不断积累，如果不能被及时排出，将发生严重的“水淹”现象。随着“水淹”现象的越来越严重，阴极流道被堵塞，严重阻碍氧气传输，使氧气供应不足，浓差极化增大，从而导致PEMFC的性能急剧下降。另外，在恒定电流密度下，“水淹”现象会导致输出电压的大幅波动，影响PEMFC性能的稳定性。

目前所采用的排水方式基本还是依靠原本通入的反应气体(空气或氧气)将流道中的水分吹往出口，其效果完全受限于流场的结构形式及几何尺寸等。而且，这种被动的吹扫排水方式大大增加了反应气体的传输阻力，效果也不尽如人意；另一方面，通过间歇性加大通入气体流量来提高排水效果又将严重影响PEMFC性能的稳定性，大大限制了其应用与发展。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种质子交换膜燃料电池双极板仿生自输运排水流场，突破传统吹扫方式的排水极限，实现自发性的真正主动排水功能，降低反应气体的输入功率，使反应更均匀，提高质子交换膜燃料电池的性能及稳定性，为其在燃料电池汽车中的进一步广泛应用奠定基础。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种质子交换膜燃料电池双极板仿生自输运排水流场，包括流场本体，流场本体两端分别设有反应气体入口和反应气体出口，反应气体入口和反应气体出口之间设有多个流道，每个流道依次间隔设有多个输运块，沿反应气体流动方向每个输运块依次设有前输运块和后输运块，前输运块和后输运块之间设有间隙，前输运块和后输运块之间形成凹坑，后输运块横截面由上至下逐渐缩小，后输运块设有对应的第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁设于前输运块与第二侧壁之间，第一侧壁中部设有第一凹陷部，第二侧壁中部设有第一突出部，第一突出部与第一凹陷部的朝向均与反应气体流动方向相同，第二侧壁垂直于流场本体表面。

进一步，前输运块设有对应的第三侧壁和第四侧壁，第三侧壁中部设有第二突出部，第四侧壁中部设有第二凹陷部，第二凹陷部设于第二突出部与后输送块之间，第二突出部与第二凹陷部的朝向均与反应气体流动方向相反。

进一步，第三侧壁和第四侧壁均垂直于流场本体表面。

进一步，第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁均为弧面，第一侧壁为曲面。

进一步，前输运块上端面与下端面的面积相等。

进一步，多个输运块分成两排以上布置于流道。

进一步，流场本体与输运块均由不锈钢制成。

进一步，流场本体为平行流场。

进一步，流场本体为蛇形流场。

进一步，流场本体为交指流场。

总的说来，本发明具有如下优点：

第一侧壁与流道之间所形成的楔角在毛细作用下可以使液体沿着流动方向快速填充，实现了自发性的真正主动排水功能。

在液体流经第二侧壁时，第二侧壁不会限制液体的流动，从而有利于保持液体的正向流动。

前输运块和后输运块之间形成的凹坑有利于减少反应气体的流动阻力，使得流场本体内反应更均匀，同时由于反应气体流动更活跃，具有加快液体输运速度的作用。

突破了传统吹扫方式的排水极限，实现了自发性的真正主动排水功能，降低了反应气体的输入功率，使反应更均匀，提高质子交换膜燃料电池的性能及稳定性，为其在燃料电池汽车中的进一步广泛应用奠定基础。

附图说明

图1为本发明实施例的流道设置单排输运块的示意图。

图2为本发明实施例的流道设置双排输运块的示意图。

图3为本发明实施例应用于平行流场的示意图。

图4为本发明实施例应用于蛇形流场的示意图。

图5为本发明实施例应用于交指流场的示意图。

附图标记说明：

1——后输运块、2——前输运块、3——凹坑、4——反应气体入口、5——反应气体出口。

具体实施方式

下面来对本发明做进一步详细的说明。

自然界中许多动植物表面都具有定向液体输运功能，如蜘蛛丝、仙人掌、滨鸟、沙漠甲虫、蝴蝶翼和猪笼草等，其仿生结构在传热、分离、微流体等许多化工过程中具有广泛的应用前景。其中，猪笼草口缘表面对于液滴、液膜以及液柱都具有稳定的自输运功能。另外，人们对仿生学的研究发现，臭蜣螂和穿山甲等许多生物体表都呈现出凸包、凹坑3、棱纹等非光滑结构，这种非光滑体表在空气中飞行和水中游泳时均具有减阻的效果。本发明实施例将猪笼草口缘表面的液体自输运功能和凹坑3对气体的减阻效果应用在质子交换膜燃料电池双极板流场结构的设计中，可望突破传统吹扫方式的排水极限，实现更高效的排水功能，从而提高质子交换膜燃料电池的性能及稳定性，为其在燃料电池汽车中的进一步广泛应用奠定基础。

如图1、图2所示，一种质子交换膜燃料电池双极板仿生自输运排水流场，包括流场本体，流场本体两端分别设有反应气体入口4和反应气体出口5，反应气体入口4和反应气体出口5之间设有多个流道，每个流道依次间隔设有多个输运块，沿反应气体流动方向每个输运块依次设有前输运块2和后输运块1，前输运块2和后输运块1之间设有间隙，前输运块2和后输运块1之间形成凹坑3，后输运块1横截面由上至下逐渐缩小，后输运块1设有对应的第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁设于前输运块2与第二侧壁之间，第一侧壁中部设有第一凹陷部，第二侧壁中部设有第一突出部，第一突出部与第一凹陷部的朝向均与反应气体流动方向相同，第二侧壁垂直于流场本体表面。

由于后输运块1横截面由上至下逐渐缩小，第一侧壁中部设置的第一凹陷部与反应气体流动方向相同，因此第一侧壁的第一凹陷部与流道表面之间的夹角形成了一个小于90度的楔角。根据猪笼草口缘表面的液体自输送原理，在流道上的液体达到受力平衡之前，第一侧壁与流道之间所形成的楔角在毛细作用下可以使液体沿着流动方向快速填充，实现了自发性的真正主动排水功能。

第二侧壁垂直于流场本体表面，根据吉布斯不等式条件，在液体流经第二侧壁时，第二侧壁不会限制液体的运动，从而有利于保持液体的正向流动。

仿照臭蜣螂和穿山甲等生物体表的设计，前输运块2和后输运块1之间形成的凹坑3有利于减少反应气体的流动阻力，使得流场本体内反应更均匀，同时由于反应气体流动更活跃，因此具有加快液体输运速度的作用。前输运块2和后输运块1之间设置的间隙，避免了液体从第一侧壁的第一凹陷部中回流至前输运块2。

本发明实施例模仿猪笼草口缘表面特殊的具有拱形边缘的周期性鸭嘴形微腔结构，并结合仿生非光滑凹坑3表面减阻特征，突破了传统吹扫方式的排水极限，实现了自发性的真正主动排水功能，降低了反应气体的输入功率，使反应更均匀，提高质子交换膜燃料电池的性能及稳定性，为其在燃料电池汽车中的进一步广泛应用奠定基础。

前输运块2设有对应的第三侧壁和第四侧壁，第三侧壁中部设有第二突出部，第四侧壁中部设有第二凹陷部，第二凹陷部设于第二突出部与后输送块之间，第二突出部与第二凹陷部的朝向均与反应气体流动方向相反。

前输运块2的第二凹陷部的朝向与反应气体流动方向相反，第二凹陷部与后输运块1的第一凹陷部之间形成面积较大的凹坑3，降低了反应气体流动阻力。

第三侧壁和第四侧壁均垂直于流场本体表面。根据吉布斯不等式条件，液体流经前输运块2时，输运块2不会限制液体的流动。

采用这种结构，前输运块2更容易制作。

第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁均为弧面，第一侧壁为曲面。

第一侧壁的曲面设计能够在第一侧壁与流道表面之间形成具有变化角度的楔角，进而产生毛细力驱动液体自发正向流动。

前输运块2上端面与下端面的面积相等。

前输运块2上端面与下端面均为平面且互相平行，前输运块2更容易制作。

多个输运块分成两排以上布置于流道。

多个输运块分成多排设置，增强了流道主动排水的能力，提升了排水效果。

流场本体与输运块均由不锈钢制成。

如图3所示，流场本体为平行流场。

如图4所示，流场本体为蛇形流场。

如图5所示，流场本体为交指流场。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。