一种提高质子交换膜燃料电池性能的方法及多通道蛇形流场双极板

本发明涉及质子交换膜燃料电池，尤其涉及一种燃料电池性能提升方法以及提升电池性能用的多通道蛇形流场双极板。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池(pemfc)作为一种极具发展前景的可再生能源技术，被广泛应用在汽车、轮船、无人机等领域，具有效率高、无污染、充电迅速等优点。pemfc主要由质子交换膜、催化剂层、气体扩散层、双极板及起支撑作用的端板组成，其主要工作原理是具有一定湿度和压力的氢气和氧气分别进入阳极和阴极,经扩散层到达催化层和质子交换膜的界面,分别在催化剂的作用下发生氧化和还原反应产生电流并生成水的过程。

2、双极板作为核心部件之一，承担着分配反应气体、传导电流、排出反应产生的热量和水、支撑膜电极和串联各单电池等功能。一般的流场设计要保证在流场中产生和维持稳定均匀的流体流动，以便反应物能够充分扩散并合理的分配到催化层反应。同时，催化层上通过电化学反应产生的热量和水能够快速排出以保持需要的温度和湿度。合理的pemfc双极板流道设计，可以优化电化学反应的整个传质过程，提高燃料电池运行效率，降低制造成本。

3、多通道蛇形流场作为典型的燃料电池流场结构之一，可以看作是许多并联的平行流道串联在一起。该流道结构既可以解决反应物在平行直流道中分布不均的问题，也能够有效解决单通道蛇形流场因气体流程过大而产生的较大压力损失。然而，由于流道压力的降低，多通道蛇形流场在流道的拐角处容易发生水淹、气体流量分配不均匀等问题，因此也影响着电池的运行效率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种通过解决多通道蛇形流程拐角水淹并且同步改善流道传质，从而提高质子交换膜燃料电池性能的方法，以及具有上述效果的多通道蛇形流场双极板。

2、为达到上述目的，本发明提出一种提高质子交换膜燃料电池性能的方法，质子交换膜燃料电池采用至少两条流道的蛇形流场双极板，蛇形流场的拐角处交替设置分流脊；通过提高介质在所述流道拐角处的流速防止流场拐角水淹；利用相邻流道间形成的压力差，促进相邻流道间的物质传质，从而提高质子交换膜燃料电池性能。

3、进一步的，通过减小所述流道在拐角处的截面积从而提高介质在所述流道拐角处的流速。

4、进一步的，通过改变相邻流道在同一拐角处的截面积从而使得相邻流道间形成压力差。

5、本发明还提出一种多通道蛇形流场双极板，包括双极板本体和多个分流脊；

6、所述双极板本体的表面设有至少两条相邻的流道；所述流道为蛇形流道，每条所述流道设有至少一个u型的大拐角；一个所述大拐角包括两个分拐角；相邻的所述流道在相邻的分拐角处交替设有所述分流脊。

7、进一步的，所述分流脊的形状与所述分拐角的形状相匹配，并且所述分流脊向所述分拐角两侧的延伸长度相同。

8、进一步的，若所述流道的数量大于两条，在一个大拐角内，最内侧流道的分流脊边缘延伸至另一侧分拐角位置；以两个分拐角之间间距的等分位置为分界点，其余流道内的分流脊边缘延伸至所述分界点位置；

9、若所述流道的数量为两条，在一个大拐角内，内侧流道的分流脊边缘延伸至另一侧分拐角位置；外侧流道内的分流脊边缘延伸至两个分拐角之间间距的等分位置。

10、进一步的，所述分流脊的高度与所述流道的深度相同，所述分流脊的宽度小于所述流道的宽度；所述分流脊将所述流道分隔为两条宽度相同的分流道。

11、进一步的，所述双极板本体的表面位于所述流道的两侧分别设有出气口和进气口；所述进气口和所述出气口和所述流道的两侧相互连通。

12、与现有技术相比，本发明的优势之处在于：

13、1、本发明的方法提出基于变径原理来改善反应气体在流场的传质，同步的利用变径原理形成相邻房流道间的压差解决传统多通道蛇形流场拐角水淹的现场，用最经济最便捷的方式解决传统多通道蛇形流场一直存在的问题，使燃料电池整体工作性能和稳定性得到有效提高。

14、2、本发明的多通道蛇形流场双极板通过添加分流脊对现有的双极板做出精妙的改造，使得多通道蛇形流场双极板拐角水淹和气体流量分配不均匀的问题得以有效解决，本发明的设计结构简单，适合工业规模化生产，同时本发明的双极板也适合对现有的蛇形多通道双极板进行改造，经济性和适用性高，有效提高质子交换膜染料电池的性能。

15、3、本发明的多通道蛇形流场双极板通过对分流脊进行长度以及排布方式的限定，在最经济的前提下，保证流道拐角处的气体流速，并且使得相邻流场的拐角处各个位置均存在压力差，从而促进反应物及产物在流道下方扩散层的输出，增强整个流道的传质。

技术特征：

1.一种提高质子交换膜燃料电池性能的方法，其特征在于，质子交换膜燃料电池采用至少两条流道的蛇形流场双极板；通过提高介质在所述流道拐角处的流速防止流场拐角水淹；利用相邻流道间形成的压力差，促进相邻流道间的物质传质，从而提高质子交换膜燃料电池性能。

2.根据权利要求1所述的提高质子交换膜燃料电池性能的方法，其特征在于，通过减小所述流道在拐角处的截面积从而提高介质在所述流道拐角处的流速。

3.根据权利要求1所述的提高质子交换膜燃料电池性能的方法，其特征在于，通过改变相邻流道在同一拐角处的截面积从而使得相邻流道间形成压力差。

4.一种多通道蛇形流场双极板，用于权利要求1-3中任意一项所述的提高质子交换膜燃料电池性能的方法，其特征在于，包括双极板本体和多个分流脊；

5.根据权利要求4所述的多通道蛇形流场双极板，其特征在于，所述分流脊的形状与所述分拐角的形状相匹配，并且所述分流脊向所述分拐角两侧的延伸长度相同。

6.根据权利要求4所述的多通道蛇形流场双极板，其特征在于，若所述流道的数量大于两条，在一个大拐角内，最内侧流道的分流脊边缘延伸至另一侧分拐角位置；以两个分拐角之间间距的等分位置为分界点，其余流道内的分流脊边缘延伸至所述分界点位置；

7.根据权利要求4所述的多通道蛇形流场双极板，其特征在于，所述分流脊的高度与所述流道的深度相同，所述分流脊的宽度小于所述流道的宽度；所述分流脊将所述流道分隔为两条宽度相同的分流道。

8.根据权利要求4所述的多通道蛇形流场双极板，其特征在于，所述双极板本体的表面位于所述流道的两侧分别设有出气口和进气口；所述进气口和所述出气口和所述流道的两侧相互连通。

技术总结
本发明提出一种提高质子交换膜燃料电池性能的方法及多通道蛇形流场双极板，本发明的方法基于变径原理提升气体流速，解决传统多通道蛇形流场存在的拐角水淹现象，利用相邻流道间的压差改善反应气体在整个流场的传质，使燃料电池整体工作性能和稳定性得到提高；本发明设计的双极板通过在传统的多通道蛇形流场的拐角处交替设置分流脊，从而以最简单高效的方式提高气体在流道拐角处的流速以防止流场拐角的水淹；同步实现相邻流道间压力差的形成，促进相邻流道间的物质传质，提高质子交换膜燃料电池性能。

技术研发人员：唐军英,杨如山,豆斌林,张华,王倩倩,崔国民
受保护的技术使用者：上海理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13