一种可变进气式燃料电池流场及其控制方法

1.本发明属于燃料电池领域，特别涉及一种可变进气式燃料电池流场及其控制方法。


背景技术：

2.燃料电池是如今新能源应用领域最具有前景的技术之一，其由双极板与膜电极组成。反应气体(一般是氢气和空气)通过双极板上的流道源源不断输送到膜电极上参与电化学反应，从而实现电流的输出。双极板上的流场结构和进气方式对这一过程有着重要的影响。为确保燃料电池长期安全高效运行，合理且有效的流场结构与进气方式设计是必不可少的。
3.目前，燃料电池中最常规的流场包括平行流场、蛇形流场、交指型流场等。平行流场结构简单、便于加工，但在反应物传输过程中容易出现因局部氧气浓度过低而产生的“氧饥饿”问题，以及因液态水积聚而产生的“水淹”问题。蛇形流场提高了压降，性能较平行流场有所提升，平行流场反应物分布不均匀的问题在蛇形流场(如申请号202023165390.8所示结构)中也有所改善，但蛇形流场流道较长，下游依然容易出现“水淹”现象。当前，交指型流场的应用已经越来越少，因其过高的压降会导致系统泵送功率过高，使得燃料电池系统净功率下降。
4.近年来，新型流场设计已屡见不鲜，常见的是在流道中加入挡板或凹槽结构来增强传质与水管理。如专利cn112038658a提出了一种不连续凹道的燃料电池流场板，基于湍流原理，在脊的两侧上间隔设置凹槽，产生局部湍流，加强反应气体向膜电极的传质；凹槽将流道壁面进行分割，减少了液滴与流道壁面的有效接触面积，避免形成连续的水膜，并且使气体流速增大，缓解了“水淹”现象的发生。此种设计虽然缓解了“水淹”问题且强化了传质，但考虑工况较单一，在燃料电池运行过程中，在不同的工况下对流场性能的要求是不同的。比如在低温启动后，需要增强传质来快速提高电池工作温度，使其有着正常的输出功率；低功率输出时，则电池内部则需要保持一定的水含量来保证高质子导电率，且此时高压降反而会使电池净功率下降；而在高功率输出工况，电池内部对反应物浓度需求大、产水多，燃料电池内部则需要流场提高压降和增快流速来增强传质、避免“水淹”，使电池持续以高功率稳定输出。
5.至于进气方式，目前所有的流场均有着固定的进气口和出气口，对燃料电池不同工况下的适应性不强。针对以上不足，设计一种既能缓解“水淹”现象、强化传质，又能满足燃料电池在不同工况下对传质与压降的不同要求的流场结构与进气方式是必要的。
6.上述燃料电池常规流场无法完全解决电池水管理及传质问题，不适用于日益成熟的燃料电池；新型流场虽然强化了传质与水管理，但考虑的工况过于简单、进气形式过于单一，并未考虑多工况下燃料电池对于传质与压降的要求的不一致性。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提出一种可变进气式燃料电池流场及其控制方法，其特征在于，所述可变进气式燃料电池流场是基于特斯拉阀的燃料电池流场；该燃料电池流场由若干根多级特斯拉阀单流道2并联组成，在流场两端分别设置反应物进/出口1和反应物进/出口3；所述每根多级特斯拉阀单流道由若干个单级特斯拉阀串联组成；多级特斯拉阀单流道两端分别设置反应物进/出口5和反应物进/出口4；多级特斯拉阀单流道2的具体流道数、每根流道所用单级特斯拉阀数以及每两个单级特斯拉阀之间的间隔l由流场的大小以及所需的压降决定。
8.所述单级特斯拉阀是构成燃料电池流场的基本单元，由弧型弯管流道将两根呈夹角β的直流道连接而成；流道的横截面参数需要根据不同的燃料电池双极板尺寸、反应物流速决定，其尺寸大小不是唯一的。
9.一种可变进气式燃料电池流场的进气控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
10.第一步：燃料电池处于正常运行状态，此时进气方式根据输出功率状态而确定，在燃料电池输出高功率时，反应物从进/出口1进入，即为反向进气；在燃料电池输出低功率时，反应物从进/出口3进入，即为正向进气；
11.第二步：外部负载改变，燃料电池输出功率需要发生变化，或以低功率输出，或以高功率输出；
12.第三步：燃料电池功率输出发生变化后，判断是否需要改变进气方式，判断依据可以是功率大小变化，若是由高功率变为低功率输出或由低功率变为高功率输出，则需要改变，进入下一步，否则维持原进气方式不变；
13.第四步：若需要改变进气方式，则此时做好改变进气方式前准备，可以是降低气流量，停止供入反应气，通入保护气等，起到保护电池的作用；
14.第五步：当确定燃料电池改变为高功率输出时，反应物从进/出口1进，进入反向进气工作模式；当确定燃料电池改变为低功率输出时，反应物从进/出口3进，进入正向进气工作模式；
15.第六步：改变进气方式后，燃料电池平稳运行，直至外部负载再次改变，燃料电池输出功率再次发生变化,由此实现燃料电池始终以最佳的流场进气方式平稳工作。
16.所述燃料电池流场由于特斯拉阀具有一定的流体单向导通性，反向进气产生的压降远大于正向进气所产生的压降，正是这种压降的不一致性所导致的燃料电池性能的不一致性，可以通过适时调节进气方向，以应用于燃料电池的不同工况。
17.本发明的有益效果是与其他方法相比，该方法主要具有以下优点：1.相比于常规流场结构，本发明给燃料电池带来更好的水管理以及传质性能；2.基于特斯拉阀流场，通过改变进气方式能让流道结构对多种工况更具有适应性；3.结构相对简单，易于加工与生产。本发明在燃料电池中具有很好的应用前景。
附图说明
18.图1为燃料电池流场结构示意图。
19.图2为单级特斯拉阀结构示意图。
20.图3为多级特斯拉阀的单流道不同进气方向的流速图，其中，a,为反向进气工作模
式；b,为正向进气工作模式。
21.图4为不同工况下燃料电池流场的工作流程示意图。
具体实施方式
22.本发明提出一种可变进气式燃料电池流场及其控制方法；下面结合附图对本发明予以进一步说明。
23.图1所示为燃料电池流场结构示意图。图中所示的流场结构是由若干根多级特斯拉阀单流道2并联组成，在流场结构两端分别设置反应物进/出口1和反应物进/出口3，所述每根多级特斯拉阀单流道由若干个单级特斯拉阀(如图2所示)串联组成；多级特斯拉阀单流道两端分别设置反应物进/出口,5和反应物进/出口4(如图3中a、b所示)；多级特斯拉阀单流道2具体的流道数、每根流道所用单级特斯拉阀数以及每两个单级特斯拉阀之间的间隔l由流场的大小以及所需的压降决定。如7cm
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7cm流场，可以设计10根10级特斯拉阀单流道并联组成，每两个单级特斯拉阀之间的间隔为1.14mm。
24.所述单级特斯拉阀是构成流场的基本单位，由弧型弯管流道将两根呈夹角β的直流道连接而成；流道的横截面参数需要根据不同的燃料电池双极板尺寸、反应物流速决定，其尺寸大小不是唯一的。
25.如图4所示为不同工况下燃料电池流场的工作流程示意图，对于常规流场来说，通常无论从哪端进气或出气，其流道产生的压降都是一致的，而由于特斯拉阀具有一定的流体单向导通性，反向进气产生的压降远大于正向进气所产生的压降，正是这种压降的不一致性所导致的燃料电池性能的不一致性，可以通过适时调节进气方向，以应用于燃料电池的多种工况。具体包括如下步骤：
26.第一步：燃料电池处于正常运行状态，此时进气方式根据输出功率状态而确定，在燃料电池输出高功率时，反应物从进/出口1进入，即为反向进气；在燃料电池输出低功率时，反应物从进/出口3进入，即为正向进气；
27.第二步：外部负载改变，燃料电池输出功率需要发生变化，或以低功率输出，或以高功率输出；
28.第三步：燃料电池功率输出发生变化后，判断是否需要改变进气方式，判断依据可以是功率大小变化，如若是由高功率变为低功率输出或由低功率变为高功率输出，则需要改变，进入下一步，否则维持原进气方式不变；
29.第四步：若需要改变进气方式，则此时做好改变进气方式前准备，可以是降低气流量，停止供入反应气，通入保护气等，起到保护电池的作用；
30.第五步：当确定燃料电池改变为高功率输出时，反应物从进/出口1进，进入反向进气工作模式；当确定燃料电池改变为低功率输出时，反应物从进/出口(3)进，进入正向进气工作模式；
31.第六步：改变进气方式后，燃料电池平稳运行，直至外部负载再次改变，燃料电池输出功率再次发生变化,由此实现燃料电池始终以最佳的流场进气方式平稳工作。
32.所述燃料电池流场结构由于特斯拉阀具有一定的流体单向导通性，反向进气产生的压降远大于正向进气所产生的压降，正是这种压降的不一致性所导致的燃料电池性能的不一致性，可以通过适时调节进气方向，来应用于燃料电池的多种工况。
33.图3为多级特斯拉阀的单流道不同进气方向的流速图，从图中可以看出多级特斯拉阀正向进气与反向进气流体主要经过的路径是不一致的，正向进气的路径类似于波浪形结构，路径较短；反向进气的路径较为蜿蜒，路径较长。在应用于燃料电池后，与常规流场相比，特斯拉阀流场无论正向或反向进气，由于压降的提升，反应物流速会加快，从而加速了流道中液态水的去除，能有效防止产生“水淹”现象。另一方面，相较于常规流场，特斯拉阀流场能使反应物流动时产生多个方向的速度，增强了反应物在多个方向上的传质，既能提高反应物分布的均匀性，又能提高电池的输出性能。而特斯拉阀流场的反向进气与正向进气相比，反向进气方式压降更大，流速更快，液态水的去除效率与传质增强更加明显，适用于燃料电池对传质、水管理要求较高的高功率输出工况；而正向进气方式所带来的压降较小，泵送功率损失小，能减小低功率输出时的净功率损失。
34.上述特斯拉阀流场在燃料电池流场结构中的不同进气方式的应用不仅限输出功率变化，其他工况如低温冷启动，通过不同的进气方式来快速提高电池工作温度；或通过监测“水淹”状态，以不同的进气方式来适用于不同的“水淹”程度，在提高电池的水管理等方面均可应用。
35.本发明的技术效果是本发明的特斯拉阀流场的结构相对简单，但具有较强的单向导通性，相对常规流场，在不增加结构复杂性与生产成本的基础上，增强了水管理与传质性能。进气方式的改变也相对简单，只在传统进气方式的基础上适时改变进/出口，却能让流场更好地适应燃料电池的不同工况，做到了多进气方式匹配多工况。