液体燃料电池中具有竖琴状流场结构双极板及设计方法技术

本发明专利技术属于燃料电池技术领域，公开了一种液体燃料电池中具有竖琴状流场结构双极板及设计方法，燃料电池的流道结构采用仿生原理，利用竖琴状生物的身体形状，制作成阳、阴极板的流道，使燃料电池的燃料和氧化剂大面积地与膜电极接触，稳定燃料和氧化剂在流道中的流动，减小燃料和氧化剂在流道中的流动阻力，增加压降，使燃料和氧化剂在膜电极的表面均匀分布。本发明专利技术能够从技术原理上解决燃料电池性能提高的问题，为燃料电池的商业化应用提供理论技术支持，加速燃料电池商业化应用，本发明专利技术减小了燃料和氧化剂在流道中的流动阻力，合理增加压降，促使燃料和氧化剂在电极的表面均匀分布，提高电池的性能。

Bipolar Plate with Harmonic Flow Field in Liquid Fuel Cell and Its Design Method

【技术实现步骤摘要】
液体燃料电池中具有竖琴状流场结构双极板及设计方法
本专利技术属于燃料电池
，尤其涉及一种液体燃料电池中具有竖琴状流场结构双极板及设计方法。
技术介绍
目前，最接近的现有技术：自工业化革命以来，随着化石能源等传统能源的大量开采和利用，能源枯竭和环境污染问题开始陆续出现，并已成为当今世界所面临的两大重大挑战性课题，世界各国的科学家开始致力于研发和推广绿色清洁能源来取代传统的能源，以缓解能源危机和保护环境。随着科技的发展，便携式电子产品在全球已经普及，但产品外型的日趋短小轻便以及功能的日渐复杂也给电子产品的电池带来了严重的挑战，现有的电池技术已经无法满足便携式电子产品日渐增长的能耗需求，而太阳能、风能、水力发电、生物能源、地热发电等电能无法应用于移动及便携式电子设备上。因此亟待需要开发新型能源和电池来取代传统的能源与电源。燃料电池是一种环境友好、高效的发电装置，它可将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，不受卡诺循环的限制，能量转化效率高，对环境无污染和能小型化等特点，因此受到各国科学家的青睐，成为21世纪取代传统能源、保护生态环境、解决能源危机和能够应用于小型电子设备上的重要能源之一。所以研究燃料电池对于保护生态环境具有重要的生态意义，对于保障国家的能源安全具有重要的战略意义。燃料电池由含催化剂的阳极、阴极和离子导电的电解质构成，按电解质类别可以划分为磷酸型燃料电池、固体氧化物燃料、碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池因为能量转换率更高、能量比更大、结构简单、移动性好、持久耐用、环境友好和模块化等特点，因此具有广阔的应用前景，已被公认为电动汽车、区域性电站、航天器和各种小型移动设备的首选能源。质子交换膜燃料电池根据所用燃料的种类，分为以氢气为燃料的氢燃料电池和以醇类、酸类等为燃料的液体燃料电池两大类。在液体燃料电池中，双极板是燃料电池关键部件之一，它负责分配电池所需燃料和氧化剂，其流场结构特性直接影响燃料电池的性能。燃料电池中双极板的流场结构设计是否合理，不但会影响电池的发电性能，而且还会影响燃料电池运行的稳定可靠性及寿命。理想的燃料电池双极板流场设计应该使整个导流场中的燃料与空气中的氧气向电极传质均匀，而且又可以将电极反应生成的产物水及时带出，否则，将导致整个双极板的电流密度、功率密度和发热量分布的不均匀，造成局部过热、失水，直接影响到电池的运行性能。另外双极板槽道的设计，单从气体或液体分配的角度看，槽道中的流动阻力越小越好。液体燃料电池传统的流场结构主要有点状流场、网状流场、平直并联流场、蛇形流场和交指形状流场。点状流场在流体经过流场时易发生短路，流体分布不均匀，不利于液态水排出，会影响电池性能；网状流场流体分布较均匀，有利于反应气传质，减少浓差极化，但金属网的防腐工艺很难，而且阻力降较高；交指形状流场，在很大程度上提高了电池比功率，强化了扩散层的传质能力和扩散层内水的排出，但反应物在电极各处分布不均匀；平直并联流道中电解液的流程较短、流动阻力较小，但是电解液分布不均匀，影响了电池的性能；蛇形流场是目前最流行的一种流场结构，电解液分布均匀，但是其流程较长，流动阻力较大，也对电池性能产生不利影响。因此迫切需要专利技术一种新型的流场结构，从工作原理上克服上述流场结构的缺陷。综上所述，现有技术存在的问题是：(1)现有技术中，燃料电池中双极板流场设计使整个导流场中的燃料与空气中的氧气向电极传质不均匀，而且不能将电极反应生成的产物水及时带出，导致整个双极板的电流密度、功率密度和发热量分布的不均匀，造成局部过热、失水，直接影响到电池的运行性能。(2)现有技术中，点状流场在流体经过流场时易发生短路，流体分布不均匀，不利于液态水排出，会影响电池性能；网状流场流体金属网的防腐工艺很难，而且阻力降较高；交指形状流场反应物在电极各处分布不均匀；平直并联流道中电解液分布不均匀，影响了电池的性能；蛇形流场其流程较长，流动阻力较大，也对电池性能产生不利影响。解决上述技术问题的难度：为了提高具有点状流场、网状流场、平直并联流场、蛇形流场和交指形状流场结构燃料电池的性能，目前解决的方法是通过流场结构参数优化，达到提高电池性能的目的。虽然通过流场结构优化可以提高燃料电池的性能，但如果想要继续提高燃料电池性能，从技术角度来讲，则非常困难，因此必须专利技术新型燃料电池流场结构，才能从技术原理上解决燃料电池无法提高性能的问题。解决上述技术问题的意义：本专利技术能够从技术原理上解决燃料电池性能提高的问题，为燃料电池的商业化应用提供理论技术支持，加速燃料电池商业化应用。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种液体燃料电池中具有竖琴状流场结构双极板及设计方法。本专利技术是这样实现的，一种流场结构双极板的设计方法，所述流场结构双极板的设计方法包括：燃料电池的流道结构采用仿生原理，利用竖琴状生物的身体形状，制作成阳、阴极板的流道，使燃料电池的燃料和氧化剂大面积地与膜电极接触，稳定燃料和氧化剂在流道中的流动，减小燃料和氧化剂在流道中的流动阻力，增加压降，使燃料和氧化剂在膜电极的表面均匀分布。进一步，稳定燃料和氧化剂在流道中的流动时，阳极流道燃料分配稳定器和阴极流道氧化剂分配稳定器均二次分配燃料和氧化剂，以及均使反应物强制对流通过燃料和氧化剂扩散层，使燃料和氧化剂接近催化剂层。进一步，阳极板和阴极板的外形呈正方形或长方形，中间的工作区域呈正方形或长方形；流道宽度、深度、辐射角、稳定器和脊宽参数的大小根据电池的大小和性能进行设计，流道宽度为0、5-4、5mm，流道的深度为0、5-2mm，流道的脊宽0、5-2、5mm，辐射角为30-60°，稳定器的直径为1-10mm；辐射角的大小决定阳、阴双极板的外形和中间的工作区域的形状，当辐射角为45°时，阳、阴双极板的外形和中间的工作区域的形状为正方形；当辐射角为45°以外角度时，阳、阴双极板的外形和中间的工作区域的形状为长方形；阳极板和阴极板的的基材选用聚碳酸酯板材、聚乙烯、有机玻璃PMMA或不锈钢板；基材选用聚碳酸酯板材、聚乙烯和有机玻璃，辅助材料选用金属电镀液、碳纳米管；基材选用不锈钢板，辅助材料选用银、铂或氮化钛；金属电镀液包括铝、钛、镍电镀液和银电镀液。本专利技术的另一目的在于提供一种流场结构双极板，所述流场结构双极板包括阳极板和阴极板；阳极板和阴极板的流场结构呈竖琴状；阳极板包括燃料流入通道、阳极板固定销孔、燃料流出流道出口、燃料回流支路、燃料流出通道、阳极流道、阳极流道燃料分配稳定器和燃料流入流道入口；阴极板包括氧化剂流出流道出口、阴极流道、氧化剂流入通道、阴极流道氧化剂分配稳定器、氧化剂流入流道入口、氧化剂流出通道、氧化剂回流支路和阴极板销孔。阳极板的燃料流入流道入口通过燃料进入通道与阳极流道燃料分配稳定器相连通；相邻对称阳极流道与阳极流道燃料分配稳定器相连通；燃料流出流道出口通过燃料流出通道与阳极流道燃料分配稳定器相连通；燃料回流支路将阳极流道燃料分配稳定器和阳极流道连接在一起；固定销通过阳极板固定销孔将多片阳极板的外壳体连接；燃料流出流燃料流出通道将燃料输送至下一阳极板的燃料流入流道入口；阴极板的氧化剂流入流道入口通过氧化剂流入通道与阴极流道氧化剂分配稳定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种流场结构双极板的设计方法，其特征在于，所述流场结构双极板的设计方法包括：燃料电池的流道结构采用仿生原理，利用竖琴状生物的身体形状，制作成阳、阴极板的流道，使燃料电池的燃料和氧化剂大面积地与膜电极接触，稳定燃料和氧化剂在流道中的流动，减小燃料和氧化剂在流道中的流动阻力，增加压降，使燃料和氧化剂在膜电极的表面均匀分布。

【技术特征摘要】
1.一种流场结构双极板的设计方法，其特征在于，所述流场结构双极板的设计方法包括：燃料电池的流道结构采用仿生原理，利用竖琴状生物的身体形状，制作成阳、阴极板的流道，使燃料电池的燃料和氧化剂大面积地与膜电极接触，稳定燃料和氧化剂在流道中的流动，减小燃料和氧化剂在流道中的流动阻力，增加压降，使燃料和氧化剂在膜电极的表面均匀分布。2.如权利要求1所述的流场结构双极板的设计方法，其特征在于，稳定燃料和氧化剂在流道中的流动时，阳极流道燃料分配稳定器和阴极流道氧化剂分配稳定器均二次分配燃料和氧化剂，以及均使反应物强制对流通过燃料和氧化剂扩散层，使燃料和氧化剂接近催化剂层。3.如权利要求1所述的流场结构双极板的设计方法，其特征在于，阳极板和阴极板的外形呈正方形或长方形，中间的工作区域呈正方形或长方形；流道宽度、深度、辐射角、稳定器和脊宽参数的大小根据电池的大小和性能进行设计，流道宽度为0、5-4、5mm，流道的深度为0、5-2mm，流道的脊宽0、5-2、5mm，辐射角为30-60°，稳定器的直径为1-10mm；辐射角的大小决定阳、阴双极板的外形和中间的工作区域的形状，当辐射角为45°时，阳、阴双极板的外形和中间的工作区域的形状为正方形；当辐射角为45°以外角度时，阳、阴双极板的外形和中间的工作区域的形状为长方形；阳极板和阴极板的的基材选用聚碳酸酯板材、聚乙烯、有机玻璃PMMA或不锈钢板；基材选用聚碳酸酯板材、聚乙烯和有机玻璃，辅助材料选用金属电镀液、碳纳米管；基材选用不锈钢板，辅助材料选用银、铂或氮化钛；金属电镀液包括铝、钛、镍电镀液和银电镀液。4.一种利用权利要求1所述流场结构双极板的设计方法设计的流场结构双极板，其特征在于，所述流场结构双极板包括阳极板和阴极板；阳极板和阴极板的流场结构呈竖琴状；阳极板包括燃料流入通道、阳极板固定销孔、燃料流出流道出口、燃料回流支路、燃料流出通道、阳极流道、阳极流道燃料分配稳定器和燃料流入流道入口；阴极板包括氧化剂流出流道出口、阴极流道、氧化剂流入通道、阴极流道氧化剂分配稳定器、氧化剂流入流道入口、氧化剂流出通道、氧化剂回流支路和阴极板销孔；阳极板的燃料流入流道入口通过燃料进入通道与阳极流道燃料分配稳定器相连通；相邻对称阳极流道与阳极流道燃料分配稳定器相连通；燃料流出流道出口通...

【专利技术属性】
技术研发人员：于海明，谢秋菊，李海源，郭建永，吴智锋，邓杰文，纪伟民，吴东龙，李剑英，朱先勇，神会存，蔡超明，
申请(专利权)人：肇庆学院，
类型：发明
国别省市：广东,44