一种适用于宇航静态排水的新型阴极流道的制作方法

本发明涉及一种燃料电池阴极流道。

背景技术：

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,简称PEMFC)是燃料电池的一种，氢气通过阳极流道，从阳极扩散层扩散到阳极催化层，在此解离成质子和电子，电子通过外电路回到阴极，质子通过质子交换膜扩散到阴极，与阴极催化层生成的氧分子及电子通过化学反应生成水，释放出电能和热能。

PEMFC在大电流密度或气流速度较小的情况下，反应物水在阴极饱和凝结，导致阴极水淹，使得反应气体分布不均，无法通过膜阴极扩散层到达阴极催化层发生电化学反应，导致电池性能下降。

目前燃料电池水管理，存在排水装置稳定性不足，流道内流体分布不可控等问题，燃料电池中安装针状导流装置等现有技术在改善排水效果与提升燃料电池排水效率上有所欠缺。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于宇航静态排水的新型阴极流道，不改变阴极极板本体构型，可搭配多种流道类型，不仅具有多样性，更具良好实用性，有利于静态排水，改善燃料电池长期工作导致的膜水淹现象，提升燃料电池性能。

本发明所采用的技术方案是：一种适用于宇航静态排水的新型阴极流道，包括：阴极极板、静态排水阀、阴极流道；阴极流道为阴极极板平面上的凹槽形通道；阴极极板两条平行侧边处分别开有气流入口、气流出口，气体入口和气体出口之间通过阴极流道连通，静态排水阀分布在阴极流道侧壁；静态排水阀在电路控制下摆动，静态排水阀的材料为亲水性材料；质子交换膜燃料电池的质子交换膜覆盖在阴极极板开有阴极流道的一侧。

所述静态排水阀包括轴体、阀本体、阀电控线路；阀本体为长方形片状结构，一侧与轴体固定；轴体安装在阴极流道侧壁上，在阀电控线路的控制下摆动。

所述阴极流道在气体入口、气体出口处的凹槽分别与阴极极板上未开有气体入口、气体出口的侧边平行。

所述阴极流道在气体入口、气体出口处的凹槽之间的连接流道由两部分组成，一部分为与阴极极板上未开有气体入口、气体出口的侧边平行的主凹槽段，另一部分为主凹槽段之间的连通凹槽段。

所述主凹槽段之间的连通凹槽段与主凹槽段垂直。

所述静态排水阀在阴极流道里均匀分布或沿阴极流道从气体入口至气体出口逐渐加密分布，扫动角度范围为阀本体与阴极流道凹槽侧壁间夹角从0°至90°。

所述轴体的高度与阴极流道凹槽深度一致。

所述阀本体边缘与阴极极板上覆盖的质子交换膜之间、阴极流道凹槽底面之间存在间隙。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明与原有质子交换膜燃料电池相比，原有质子交换膜在工作过程当中，产生的水越来越多，虽然会随着气体排出一部分，一旦水汽饱和，水滴凝结于质子交换膜表面，降低了参与反应气体与扩散层催化层接触的有效面积，降低反应速率；本发明在阴极极板上安装静态排水阀，有利于静态排水，改善燃料电池长期工作导致的膜水淹现象，提升燃料电池性能。

(2)本发明静态排水阀绕其安装轴扫动，在扫动过程中其亲水性能将水滴带离膜表面。安装默认状态为常开状态即排水阀本体与流道内流体流动方向一致，阀扫动最大状态为排水阀本体与凹槽侧壁垂直；阀本体扫动角度推荐为0°～90°，一个扫动周期完毕，恢复到默认状态，有利于气流带走阀本体上收集的水滴。

(3)本发明的静态排水阀安装固定在阴极极板上，位于弯度较小的流道中，安装轴靠近其中一个侧壁，阀本体的长度方向l小于该流道槽宽L,阀本体的高度方向h小于该流道高度H；安装数量可根据实际工况进行布局，根据工况参数可均匀布局于流道中，也可从入口至出口的流道中安装逐渐加密，气体能够有效的将静态排水阀上的水带离阴极，提高效率。

(4)本发明可应用于宇航燃料电池阴极流道设计，其也可以广泛应用于地面燃料电池阴极流道设计中。使用静态排水阀实现亲水带离膜表面水滴的功能，因其表面积更大，有更好的排水效果；电控阀体改变排水阀本体转动方向，根据不同工况可实时控制扫动频率，扫动角度等，可配合多种流道形式，更具可控性和实用性。静态排水阀加工简单，提升电池性能的同时有效控制成本。

附图说明

图1为静态排水阀默认常开状态；

图2为静态排水阀扫动最大状态；

图3为静态排水阀开关状态扫动范围二维示意图；

图4为静态排水阀构型图；

图5为静态排水阀结构尺寸图。

具体实施方式

下面结合图示对本发明做进一步说明。

一种适用于宇航静态排水的新型阴极流道如图1所示，包括：阴极极板1、静态排水阀2、阴极流道3。阴极流道3为阴极极板1平面上的凹槽形通道；阴极极板1两条平行侧边处分别开有气流入口、气流出口，气体入口和气体出口之间通过阴极流道3连通，静态排水阀2分布在阴极流道3侧壁；静态排水阀2在电路控制下摆动，静态排水阀2的材料为亲水性材料；质子交换膜燃料电池的质子交换膜覆盖在阴极极板1开有阴极流道3的一侧。

阴极流道3在气体入口、气体出口处的凹槽分别与阴极极板1上未开有气体入口、气体出口的侧边平行。阴极流道3在气体入口、气体出口处的凹槽之间的连接流道由两部分组成，一部分为与阴极极板1上未开有气体入口、气体出口的侧边平行的主凹槽段，另一部分为主凹槽段之间的连通凹槽段。主凹槽段之间的连通凹槽段与主凹槽段垂直。

如图4所示，静态排水阀2包括轴体21、阀本体22、阀电控线路23；阀本体22为长方形片状结构，一侧与轴体21固定；轴体21安装在阴极流道3侧壁上，在阀电控线路23的控制下摆动。轴体21的高度与阴极流道3凹槽深度一致。阀本体22边缘与阴极极板3上覆盖的质子交换膜之间、阴极流道3凹槽底面之间存在间隙。

如图4、图5所示，根据燃料电池阴极极板流道设计构型，结合流道的尺寸包括槽宽、槽深等进行静态排水阀2的设计，轴体21和阀本体22设计时应注意阀本体22与轴体21连接一侧的高度H、阀本体22与轴体21平行一侧的边长h和阀本体22的宽度l的选取如图5所示。

H与槽深一致，即该静态排水阀2预安装在阴极极板1上，安装时，轴体21端部接触膜表面，起到支撑作用。h的大小应略小于H，并且上下两端都不与轴体21端面平齐，避免在扫动过程中划伤膜表面，同时确保不影响已形成水滴被阀本体22带离膜表面。l的大小不应超过槽宽L，避免在扫动过程中与槽道边缘碰撞，也不应过小，导致扫动扇形面积小，影响静态排水效果。通过阀电路线路控制阀本体22扫动，扫动角度范围为阀本体22与凹槽侧壁间夹角从0°至90°，如图3所示。

流道中静态排水阀2的布局应充分考虑燃料电池工况，考虑流道中流体流动状态，静态排水阀2在阴极流道3里均匀分布或沿阴极流道3从气体入口至气体出口逐渐加密分布。

工作原理：

本发明适用于宇航静态排水新型阴极流道的静态排水阀2安装于阴极极板1上，电动控制静态排水阀2改变扫动方向。质子交换膜燃料电池是能量转换装置，将燃料的化学能转化为电能，其工作原理是氢气通过阳极流道，从阳极扩散层扩散到阳极催化层，在此解离成质子和电子，电子通过外电路回到阴极，质子通过质子交换膜扩散到阴极，与阴极催化层生成的氧分子及电子通过化学反应生成水，释放出电能和热能。燃料电池的阴极流道的流体分布对燃料电池的功率有着关键的决定性作用。长时间工作时，生成物水汽累积逐渐饱和凝结成水滴，在宇航失重的情况下，随机气流分布在流道各处，为避免水滴过多造成水淹，同时避免快速气流带走水滴造成的膜干燥和膜破损，确保质子交换膜的阴极端维持适度湿度以及稳定流动状态，提出本发明的静态排水阀，适用于宇航燃料电池阴极极板静态排水。如图2、图3所示，静态排水阀2垂直方向上不接触质子交换膜，避免其扫动时划伤质子交换膜表面。静态排水阀2为亲水材料，在扫动过程中将凝结的水滴吸离膜表面，每个扫动动作之后，静态排水阀2回到默认位置即与流道内流体方向相同，通过气流将静态排水阀2上的水滴带离，逐级通过各静态排水阀2带到至下游，直至排出燃料电池。扫动频率：开机至稳定工作时间内不扫动；稳定工作开始至关机，扫动频率取决于阴极极板流道整体构型以及工况关系，包括进出口流速，膜催化特性等。

本发明能加强燃料电池水管理能力，提升静态排水可控性和燃料电池阴极排水效率，可配合多种流道类型使用，更具多样性。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。