一种质子交换膜燃料电池变截面阴极流场板

本发明涉及新能源与高效节能，具体涉及一种质子交换膜燃料电池变截面阴极流场板。

背景技术：

1、由于化石燃料的过度消耗，气候变化、能源危机、环境污染和温室效应在20世纪显著加剧。人类生存空间受到严重威胁，给子孙后代带来许多潜在威胁。因此，开发先进的清洁能源已成为当务之急。燃料电池技术具有可再生、低污染、高效等多重优势，是新兴的清洁能源技术之一。在过去的几十年里，燃料电池技术发展迅速，在汽车、火电站、移动设备等各个领域都有应用。在各类燃料电池中，质子交换膜燃料电池(pemfc)是一种通过电化学反应将反应物的化学能转化为电能的低温燃料电池。与其他类型的燃料电池相比，pemfc具有几个明显的优势，其中包括不涉及氢和氧燃烧的发电过程，高能量转换效率，无污染发电，模块化发电机组安装维护方便，可靠性高，静音运行能力强等优点。

2、pemfc的流道结构起着至关重要的作用。良好设计的流道结构可以有效分配反应物和排放产物，确保质子交换膜周围的水分平衡，同时最大程度地减小压降，提高电池的效率和稳定性。然而，设计不善的流道结构可能导致多种负面影响。不良设计可能造成反应物供应不足或不均匀，导致部分电池单元效率低下或停止工作。此外，不合理的流道结构可能增加压降，增加系统能耗，降低电池的整体效率。更严重的是，不良设计可能导致质子交换膜周围的水分不均匀，影响电池的稳定性和寿命，甚至引发腐蚀或损坏。因此，在设计质子交换膜燃料电池流道结构时，需要综合考虑气体分配、压降控制和水分管理等因素，以确保电池的高效运行和长期稳定性。

3、相较于阳极一侧的氢气，阴极侧的氧气化学活性和扩散系数低许多，且电池运行生成的水也主要从阴极侧排出，因此改善阴极侧流场的排水性能，避免水淹影响电池性能，成为了燃料电池流场板设计的关键。一个设计良好的燃料电池流场板可以在加强传质能力，加快反应气体进入气体扩散层的同时，快速排出反应生成的多余液态水，防止堵塞反应气体的传输。

4、在传统直流道平行流场板中，在排水性能和气体分布方面存在缺陷。首先，在排水性能方面，由于反应气体，沿流道延伸方向，流速的下降，容易导致水分在流道，特别是中间数根流道的末端滞留或积聚，而不易有效排出。这可能导致流场板末端的气体扩散层被堵塞，反应气体难以进入，影响电池的工作性能。其次，在气体分布方面，传统平行直流道流场难以确保气体在整个电池中的均匀分布，中间数根流道的末端部分区域的气体供应不足，影响了反应物的及时传递，从而降低了电池的效率和稳定性。因此，改进流道设计以提高排水性能和确保气体分布均匀是提升传统平行直流道流场性能的关键。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池变截面阴极流场板，旨在提高排水性能和确保气体分布均匀，以提升平行直流道流场性能。

2、为实现上述目的，本发明通过下述技术方案实现：

3、一种质子交换膜燃料电池变截面阴极流场板，所述阴极流场板包括基板，所述基板两侧均设置有直流道，所述直流道内侧的所述基板上间隔设置有多个中间流道，所述中间流道由多个横截面积恒定的主体段和横截面积变化的变截面段交替衔接构成，相邻两个所述中间流道之间的流道脊上设置有树状侧流槽，所述树状侧流槽用于连接相邻两个所述中间流道上的主体段。

4、优选地，所述变截面段的两侧及顶部均具有行波状凸起，使所述变截面段的横截面积小于所述主体段的横截面积。

5、优选地，所述变截面段两侧的行波状凸起由第一上坡弧面和第一下坡弧面衔接构成，所述变截面段顶部的行波状凸起由第二上坡弧面和第二下坡弧面衔接构成，所述第一、二上坡弧面的半径分别大于所述第一、二下坡弧面的半径，所述第一、二上坡弧面沿流道延伸方向的长度分别大于所述第一、二下坡弧面沿流道延伸方向的长度。

6、优选地，所述变截面段顶部的行波状凸起的波峰高度高于所述变截面段两侧的行波状凸起的波峰高度。

7、优选地，所述第一、二上坡弧面沿流道延伸方向的长度分别为所述第一、二下坡弧面沿流道延伸方向的长度的两倍；所述变截面段两侧的行波状凸起的波峰高度为所述中间流道的深度的1/4，所述变截面段顶部的行波状凸起的波峰高度为所述中间流道的深度的1/2；所述变截面段的最小横截面积为所述主体段的横截面积的3/8。

8、优选地，相邻两个所述中间流道上的变截面段交错布置。

9、优选地，所述树状侧流槽由主杆段和分支段组成，所述主杆段沿流道延伸方向设置于所述流道脊上，所述分支段交错布置于所述主杆段两侧并用于连接两侧的主体段，所述分支段与所述主杆段之间的夹角为锐角。

10、优选地，所述变截面段的长度和所述主体段的长度相同，所述变截面段的最大宽度和所述主体段的宽度相同。

11、优选地，多个所述中间流道之间互相平行，每个所述中间流道上的变截面段的数量和主体段的数量相同。

12、优选地，所述直流道与中间流道之间互相平行，所述直流道的横截面积恒定。

13、本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

14、(1)在现有的流场板中，靠浓度差的扩散作用，是反应气体由流道中进入多孔电极的主要驱动力；传质能力不佳，尤其是在高电流密度下，反应物无法快速到达催化剂层导致燃料电池性能骤降。对此，本发明设计的流场针对传统平行流场存在的排水性能和气体分布均匀性的不足，在容易产生水淹的流道内布置若干变截面段以快速排出多余液态水；同时为了弥补变截面段所带来的反应面积减小，在流道脊设有树状侧流槽连接相邻流道的主体段。

15、(2)本发明中变截面段的三面具有行波状凸起，使变截面段的横截面积小于主体段，行波状凸起的上坡弧面可以有效减小流体速度方向与质子交换膜法向之间的夹角，增强流体扩散和传质的协同效应；行波状凸起的下坡弧面呈最速降线，提高反应气体流速。行波状凸起结构不影响流场的流动规律，但会增加局部增强传质点的数量，行波间距的存在使流体绕过波峰后流动更加均匀，为强化传质提供了有利条件。

16、(3)目前的直流道内沿流道延伸方向，压力线性下降，整体流场板的反应气体和液态水会呈现两边多，中下部偏少的不均匀分布。对此，本发明设计的中间流道内布置的变截面段使单根流道内的压力分布成尺度状，交错布置的变截面段，使两相邻流道之间存在压力差，压差明显地诱导了气体扩散层的地下横流。这种对流通量有利于反应物气体的输送，使流道肋下的反应增强，提高燃料电池活性区域内的分布均匀性。同时仅在容易产生水淹和气体分布不均匀的流道设置变截面段，避免降低了变截面带来的压降，从而导致过高的寄生功耗，影响燃料电池的最大净功率。

17、(4)在高电流密度下，由于反应生成的多余液态水会堵塞多孔介质层影响电池性能。对此，本发明设计的流道内变截面段和主体段的交替布置，由于变截面段横截面积小于主体段，使反应气体通过变截面段时流速增大，能够更快排出多余水分，增加排水频率，提高流场板的除水性能。

技术特征：

1.一种质子交换膜燃料电池变截面阴极流场板，所述阴极流场板(7)包括基板(7.1)，其特征在于：所述基板(7.1)两侧均设置有直流道(7.2)，所述直流道(7.2)内侧的所述基板(7.1)上间隔设置有多个中间流道(7.3)，所述中间流道(7.3)由多个横截面积恒定的主体段(7.31)和横截面积变化的变截面段(7.32)交替衔接构成，相邻两个所述中间流道(7.3)之间的流道脊上设置有树状侧流槽(7.4)，所述树状侧流槽(7.4)用于连接相邻两个所述中间流道(7.3)上的主体段(7.31)。

2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池变截面阴极流场板，其特征在于：所述变截面段(7.32)的两侧及顶部均具有行波状凸起(7.33)，使所述变截面段(7.32)的横截面积小于所述主体段(7.31)的横截面积。

3.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池变截面阴极流场板，其特征在于：所述变截面段(7.32)两侧的行波状凸起(7.33)由第一上坡弧面(7.34)和第一下坡弧面(7.35)衔接构成，所述变截面段(7.32)顶部的行波状凸起(7.33)由第二上坡弧面(7.36)和第二下坡弧面(7.37)衔接构成，所述第一、二上坡弧面的半径分别大于所述第一、二下坡弧面的半径，所述第一、二上坡弧面沿流道延伸方向的长度分别大于所述第一、二下坡弧面沿流道延伸方向的长度。

4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池变截面阴极流场板，其特征在于：所述变截面段(7.32)顶部的行波状凸起(7.33)的波峰高度高于所述变截面段(7.32)两侧的行波状凸起(7.33)的波峰高度。

5.根据权利要求4所述的质子交换膜燃料电池变截面阴极流场板，其特征在于：所述第一、二上坡弧面沿流道延伸方向的长度分别为所述第一、二下坡弧面沿流道延伸方向的长度的两倍；所述变截面段(7.32)两侧的行波状凸起(7.33)的波峰高度为所述中间流道(7.3)的深度的1/4，所述变截面段(7.32)顶部的行波状凸起(7.33)的波峰高度为所述中间流道(7.3)的深度的1/2；所述变截面段(7.32)的最小横截面积为所述主体段(7.31)的横截面积的3/8。

6.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池变截面阴极流场板，其特征在于：相邻两个所述中间流道(7.3)上的变截面段(7.32)交错布置。

7.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池变截面阴极流场板，其特征在于：所述树状侧流槽(7.4)由主杆段(7.41)和分支段(7.42)组成，所述主杆段(7.41)沿流道延伸方向设置于所述流道脊上，所述分支段(7.42)交错布置于所述主杆段(7.41)两侧并用于连接两侧的主体段(7.31)，所述分支段(7.42)与所述主杆段(7.41)之间的夹角为锐角。

8.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池变截面阴极流场板，其特征在于：所述变截面段(7.32)的长度和所述主体段(7.31)的长度相同，所述变截面段(7.32)的最大宽度和所述主体段(7.31)的宽度相同。

9.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池变截面阴极流场板，其特征在于：多个所述中间流道(7.3)之间互相平行，每个所述中间流道(7.3)上的变截面段(7.32)的数量和主体段(7.31)的数量相同。

10.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池变截面阴极流场板，其特征在于：所述直流道(7.2)与中间流道(7.3)之间互相平行，所述直流道(7.2)的横截面积恒定。

技术总结
本发明公开了一种质子交换膜燃料电池变截面阴极流场板，所述阴极流场板包括基板，所述基板两侧均设置有直流道，所述直流道内侧的所述基板上间隔设置有多个中间流道，所述中间流道由多个横截面积恒定的主体段和横截面积变化的变截面段交替衔接构成，相邻两个所述中间流道之间的流道脊上设置有树状侧流槽，所述树状侧流槽用于连接相邻两个所述中间流道上的主体段。本发明设计的交错变截面平行流场，在中间流道内布置均匀间隔的变截面段，变截面段的行波上升段可以有效减小流体速度方向与质子交换膜法向之间的夹角，增强流体扩散和传质的协同效应。

技术研发人员：陈奔,张博韬,王禧乐,林仕豪,袁嘉城
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/8/15