一种具有变工况水管理功能的质子交换膜燃料电池阴极流道制造技术

本发明专利技术属于燃料电池领域，并公开了一种质子交换膜燃料电池阴极流道的优化结构，优化方式是在流道中布置具有吸水膨胀性质的挡块，其次在阴极板肋靠近扩散层处开设辅助流道。当流道内发生“水淹”时，挡块吸水膨胀，流道阻塞率增加，气体流速增加，从而加速液态水的除去，当液态水除去后，挡块水分减少自动恢复初始状态；辅助流道在基本不降低极板结构强度的条件下，扩大了活化反应区域，减少了肋下液态水积聚情况，更重要的是挡块吸水膨胀的同时，能迫使主流道的气体进入辅助流道，进一步促进肋下反应物传输和液态水的除去。本发明专利技术的阴极流道结构简单可靠，并且具有变工况调节的能力，对质子交换膜燃料电池水管理和反应物传输能力提升作用显著。提升作用显著。提升作用显著。

【技术实现步骤摘要】
一种具有变工况水管理功能的质子交换膜燃料电池阴极流道


[0001]本专利技术专利属于质子交换膜燃料电池领域，具体涉及质子交换膜燃料电池的流道结构设计改进。

技术介绍

[0002]随着化石燃料大量消耗，环境污染和能源短缺已成为人类社会发展面临的主要挑战。鉴于化石燃料的枯竭及其过度使用引起的环境和社会经济问题，氢能凭借清洁、高效和资源丰富的优势，有望成为新一轮能源技术变革的方向。在氢能应用方式中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有功率密度高、快速启动和零排放等优点，是理想的动力装置。近年来，多个国家和组织制定了PEMFC发展规划，有望在汽车、备用电源、便携式电子产品等众多场景中进行应用。在推动PEMFC的发展过程中，提高输出电流密度和加强水管理能力等都是亟需解决的技术难题。其中，由于PEMFC双极板的流场具有分配反应气体、疏导反应过程中产生的水以及传导电流等作用，因此流场结构的优化设计被认为是提升PEMFC的输出电流密度与水管理能力最为有效的技术手段之一。
[0003]PEMFC工作时会在阴极产生水，特定工况下(如：高电流密度，高加湿)发生“水淹”现象，即生成的水不能及时排除，而导致扩散层以及流道中反应气体传输的通道被堵塞。与此同时，目前流道中的氧气大部分是通过扩散的方式进入扩散层，传输速度较慢。这些情况均会导致PEMFC阴极催化层中氧气供应严重不足，尤其是出口处，从而降低PEMFC的性能。此外，肋下与扩散层接触紧密，肋下液态积聚的液态水更难以除去。已有众多研究表明，在流道中设置挡块的方式可以极大增强燃料电池的水管理能力与反应气体传输能力。但是，挡块的存在增大了流道的压降，造成寄生功率的升高，同时也不利于燃料电池的耐久性。因此，将进一步对挡块作用方式进行优化，克服其造成流道压降过大的问题。

技术实现思路

[0004]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、气体扩散层和催化层等。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，而生成的电子通过外电路到达阴极催化层，从而形成了一个闭合回路。氢离子和电子到达阴极催化层与氧离子反应生成水。
[0005]阴极极板开槽构成阴极流道，本专利技术在阴极板肋上开设有辅助流道；阴极流道内固定有可根据流道中液态水含量调节大小的挡块，特定工况下(如：高电流密度，高加湿)发生“水淹”液态水积聚时，挡块吸水膨胀，增大流道阻塞率，提高流道内气流速度。当恢复正常工况后，“水淹”现象解除后，反应气体吹扫挡块，挡块脱水逐渐恢复到初始状态。
[0006]进一步的，在极板肋中央部位，开设辅助流道。辅助流道在基本不降低极板结构强度的情况下，扩大反应区域，提升肋下的除水效果。同时能与挡块协同作用，当挡块膨胀时，
可迫使更多主流道的气体进入辅助流道，增加催化层反应物浓度，加强肋下除水的能力。
[0007]进一步的，辅助流道形状为矩形并且位于肋的中部。
[0008]进一步的，辅助流道深度为0.3 mm，宽度为0.4 mm，长度为流道长度的4/5
‑
5/6，其一侧与出口方向的流道连通。
[0009]进一步的，挡块排布在流道中，挡块形状为等腰梯形，具有较好的导流作用。
[0010]进一步的，挡块间隔为10 mm，挡块初始尺寸底边长度为0.5 mm，高度为0.2 mm，底角为45
°
，宽度为流道宽度的3/10
‑
1/2，固定在流道中央。
[0011]进一步的，挡块材料为吸水膨胀胶，具有吸水膨胀、脱水后恢复初始状态的能力，吸水膨胀胶邵氏A硬度：40
‑
55，膨胀率为2
‑
4，吸水0.001 ml达到完全膨胀，在0
‑
105℃的温度范围工作。
[0012]本专利技术的特点以及产生的有益效果是：该结构一方面可以促进特定工况下阴极流道中液态水的排出，解除“水淹”问题，防止因液态水堵塞反应气体传输的通道，而导致反应速率降低。另一方面挡块的设置可以增强气体对流作用来促进流道内反应气体进入扩散层，防止催化层区域出现反应气体不足的现象，从而提升燃料电池的性能。同时，挡块可以根据流道中液态水含量调节大小，在没有液态水积聚的情况下挡块处于初始尺寸时，随着流道内水含量的增加挡块逐渐变大，具备变工况调节的。此外，“水淹”情况发生后，肋下积聚的液态水更难以除去。对此在肋下设置辅助流道，辅助流道在基本不降低极板结构强度的情况下扩大反应区域，因为辅助流道成为肋下排水的直接通道，所以可以提升肋下的除水效果。并且，辅助流道能与挡块产生协同作用，挡块吸水膨胀后，反应气体经过挡块时，可迫使更多气体进入辅助流道，一方面增加催化层反应物浓度，另一方面进一步加强了肋下除水的能力。
附图说明
[0013]图1为质子交换膜燃料电池结构示意图。
[0014]图2为本专利技术结构立体示意图。
[0015]图3为辅助流道与挡块结构详细图。
[0016]图4为本专利技术实施例电池性能效果对比图。
[0017]图5为本专利技术实施例催化层界面氧气分布对比图。
[0018]图6为本专利技术实施例催化层界面液态水含量分布对比图。
具体实施方式
[0019]下面结合附图和具体实施例对本专利技术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，不以此限定本专利技术的保护范围。
[0020]参照附图2
‑
3，在阴极流道中布置间隔均匀的挡块1，同时肋上开设辅助流道2。当流道内部出现“水淹”情况时，挡块1吸水膨胀，加速液态水的除去；当“水淹”情况解除后，挡块随之水分蒸发，逐步恢复到初始状态，以便减少寄生功率。
[0021]使用了3种燃料电池作为实施例，流道长度设置为50 mm，流道高度与宽度设置为1 mm，肋的宽度设置为1 mm。其中第一种为的阴极流道为未经优化的常规流道；第二种为阴极流道采用挡块与肋下开设辅助流道设计，此时挡块处于原始尺寸情形下；第三种为阴极流
道采用挡块与肋下开设辅助流道设计，此时挡块处于膨胀情形下。3种燃料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100％，进气流量为 3.15
×
10
‑
7 kg/s；阳极通入加湿的氢气，其加湿程度为100％，进气流量为3.75
×
10
‑
6 kg/s，阴阳极出口的压力均为一个大气压。
[0022]附图4给出了3种情形下，燃料电池的极化曲线和输出功率密度的对比。从图中可以看出，当工作电压为0.6 V时，挡块膨胀前相比原始流道电流密度提升了8.6%，挡块膨胀后相比原始流道电流密度提升了18.3%，优化后的流道结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有变工况水管理功能的质子交换膜燃料电池阴极流道，其特征在于：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，阴极板肋上开设有辅助流道；阴极流道内固定装有可根据流道中液态水含量自动调节大小的挡块，当流道内发生液态水积聚时，挡块吸水膨胀，增大流道阻塞率，提高流道内气流速度，加快吹扫液态水，当积聚的液态水除去后，挡块逐渐脱水恢复到初始状态。2.根据权利要求1所述的一种具有变工况水管理功能的质子交换膜燃料电池阴极流道，其特征在于：所述辅助流道形状为矩形并且位于肋的中部。3.根据权利要求2所述的一种具有变工况水管理功能的质子交换膜燃料电池阴极流道，其特征在于：所述辅助流道深度为0.3 mm，宽度为0.4 mm，长度为流道长度的4/5
‑
5/6，其中一侧与出口侧主流道连通。4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：左青松，李启明，沈壮，张翮辉，丁燕怀，欧阳亦宣，朱颖芳，何文远，朱国辉，陈伟，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：