一种基于1/4圆形凸台强化传质的PEMFC阴极流道的制作方法

本发明属于质子交换膜燃料电池流道研究领域，具体涉及一种基于1/4圆形凸台强化传质的pemfc阴极流道。

背景技术

质子交换膜燃料电池(pemfc)利用氢氧混合反应产生电能，具有低温冷启动性好，无污染，能量转换效率高，可靠性好等诸多优点，被公认为是未来汽车能源的首选方式，质子交换膜燃料电池是一个复杂多相的系统，涉及到传热学，电化学，流体力学，材料学等学科知识，其电池的传质性能可反映出电池的整体性能，传质越强，电化学反应越强，电池电势越高，输出功率越大，其中影响着电池传质性能的主要因素是流道的结构，其作为引导反应气流动方向，确保反应气均匀分配到电极各处，经电极扩散层及催化层参与电化学反应，同时排出产生的水，目前开发的流道结构包含点状、网状、多孔体，直通道、蛇形和交指形等传统流场，这些流道并无变截面结构，其传质性能改善并不明显，对于大面积、高电流密度工作的pem燃料电池，流场的结构显得尤为重要，电极工作面积增大、工作电流密度提高的时候，流场设计不合理往往是导致电池性能下降的主要原因。因此，本发明拟通过对质子交换膜燃料电池阴极流道的结构进行优化设计来提升流道中的氧气摩尔浓度，提升电池的传质性能。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：

一种基于1/4圆形凸台强化传质的pemfc阴极流道，包括位于流道两端的阴极入口总流道和阴极出口总流道，其特征在于：所述阴极入口总流道和阴极出口总流道之间沿长度方向设有若干组中间流道，每组中间流道包括沿总流道宽度方向设置的若干主流道和设置在相邻主流道之间的分流道，所述中间流道的进出口分别与阴极入口总流道和阴极出口总流道相连，每个所述主流道靠近出口段沿流道长度方向上表面为1/4圆弧形，使得主流道沿长度方向截面为近梯形，主流道为变截面流道。

所述主流道宽度为0.8-1mm，长度为1.8-2mm，主流道入口高度为0.85mm，主流道出口高度为0.405mm，从入口到出口，主流道上表面呈内凹的1/4圆弧形结构。

所述中间流道前后进出口分别与阴极入口总流道、阴极出口总流道外壁口相距0.5mm，燃料电池中氧气燃料先由阴极入口总流道流入，后分配至相应的主流道与分流道中，最终反应渗透完多余的氧气经主流道和分流道的出口流出，最后经过0.5mm的出口距离由阴极出口总流道排出电池外部。

所述分流道位于相邻主流道之间，分流道宽度为0.6-0.8mm，长度为1.8-2mm，壁厚为0.15mm，分流道侧壁高度沿长度方向不发生变化，即分流道沿长度方向的截面形状为矩形。

沿流场的长度方向，相邻两组中间流道之间的间距为2.5mm，相邻组中间流道之间沿宽度方向存有0.5mm的偏移量，使得前后相邻组主流道中线位置存有0.5mm的偏移量，避免压降过高，影响功率。

本发明具有如下优点：

本发明提供的质子交换膜燃料电池阴极流道结构简单，相比常规流道的变截面结构在于改变流道气流方向上的结构尺寸，而本发明在于通过在主流道中设置1/4圆形凸台而使得流道截面改变，同时1/4圆弧凸台的存在可使传质阻力减小，气流速度提高，氧气浓度提升；且本发明通过在流道长度和宽度方向使得主分流道之间存有交错偏移，可使流道中的压力梯度得到改善，不至于压降多高，影响电池的功率，有助于促进生成液态水的流动排出，本发明有效缓解了燃料电池阴极传质不均的问题，使得流道中氧气摩尔浓度值提升，加强了流道中氧气的传输，提升了电池性能。

附图说明

图1为本发明质子交换膜燃料电池新型阴极流道模型图；

图2为应用本发明新型阴极流道制得的质子交换膜燃料电池简化三维模型图；

图3为质子交换膜燃料电池阴极流道直流道模型图；

图4为平行流道方向阴极扩散层中心线上阴极新型流道模型与直流道模型氧气摩尔浓度比较图；

图5为质子交换膜燃料电池阴极新型流道模型与直流道模型伏安特性曲线比较图；

其中：1-主流道，2-分流道，3-阴极入口总流道，4-阴极出口总流道，5-集流板，6-阴极流道，7-扩散层，8-催化层，9-质子交换膜，10阳极流道，11-气流方向。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，如图1所示，一种基于1/4圆形凸台强化传质的pemfc阴极流道，包括位于流道两端的阴极入口总流道3和阴极出口总流道4，阴极入口总流道3和阴极出口总流道4之间沿长度方向设有若干组中间流道，每组中间流道包括沿总流道宽度方向设置的若干主流道1和设置在相邻主流道之间的分流道2，中间流道的进出口分别与阴极入口总流道3和阴极出口总流道4相连，每个主流道1靠近出口段沿流道长度方向上表面为1/4圆弧形，使得主流道沿长度方向截面为近梯形，主流道1为变截面流道。

主流道宽度为0.8-1mm，长度为1.8-2mm，主流道入口高度为0.85mm，主流道出口高度为0.405mm，从入口到出口，主流道上表面呈内凹的1/4圆弧形结构。

中间流道前后进出口分别与阴极入口总流道3、阴极出口总流道4外壁口相距0.5mm，燃料电池中氧气燃料先由阴极入口总流道流入，后分配至相应的主流道与分流道中，最终反应渗透完多余的氧气经主流道和分流道的出口流出，最后经过0.5mm的出口距离由阴极出口总流道排出电池外部。

分流道位于相邻主流道之间，分流道宽度为0.6-0.8mm，长度为1.8-2mm，壁厚为0.15mm，分流道侧壁高度沿长度方向不发生变化，即分流道沿长度方向的截面形状为矩形。

沿流场的长度方向，相邻两组中间流道之间的间距为2.5mm，相邻组中间流道之间沿宽度方向存有0.5mm的偏移量，使得前后相邻组主流道中线位置存有0.5mm的偏移量，避免压降过高，影响功率。

如图2和图3所示的燃料电池简化模型图中由上而下分别为集流板5(厚度为1.5mm)，阴极流道6(厚度为0.85mm)，扩散层7(厚度为0.15mm)，催化层8(厚度为0.01mm)，质子交换膜9(厚度为0.012mm)，模型下部阳极部分与之对应。

图2所示新型阴极流道三维模型尺寸为长度9mm，宽度6.3mm，在新型流道中一共有三组中间流道，燃料电池阴极流场前后中间流道的进出口分别与阴极入口总流道、阴极出口总流道外壁端口相距0.5mm，每组中间流道内的主流道宽度为0.8-1mm，长度为1.8-2mm，高度为0.85mm，主流道出口高度为0.405mm。主流道沿长度方向截面形状似梯形，主流道出口段上表面设置向下凹的1/4圆弧形，有效改善流道中传质阻力问题，沿流场的长度方向，前后相邻两组中间流道之间的间距为2.5mm，且各主流道之间存有0.5mm的偏移量，在流场流道间设置0.5mm的过渡层，为主流道和分流道进出口的过渡区域，使得流道中的压力梯度得到改善。在相邻主流道间为分流道结构，分流道宽度是0.6-0.8mm，长度是1.8-2mm，壁厚0.15mm，分流道结构截面形状是一致的，沿流道宽度方向，主(分)流道间有0.15mm的沿流道宽度方向的位移。图3为阴极是直流道的模型图，其模型流道中一共有3个流道，流道与岸的宽度比例接近1:1，各电池模型中阳极流道模型尺寸都是一致的，都设置为3个直流道。

此发明结构方案的燃料电池通过反应气以一定的气流速度流入内部流道中，由于在主流道和分流道中相应的截面是不一样的，这导致气流速度在相应的流道间存有一定的压力变化，使得流道间的对流加强，传质增强，同时主流道截面中斜面是圆弧形，使得传质阻力降低，这两者的共同作用加强了电池的传质性能。

本实施例中的燃料电池模型均在同一工况下进行模拟，其电池工作温度设置为90℃，电流密度为1.6a/cm²，阴极给定加湿的空气作为反应气，加湿度为10％，进气流量为5.258*10^-7kg/s，阳极给定加湿的氢气作为反应气，加湿度为40％，进气流量为4.407*10^-8kg/s。

图4为平行流道方向阴极扩散层中心线上阴极新型流道模型与直流道模型氧气摩尔浓度比较图，电流密度取自高电流密度1.6a/cm²下，由图4可知，新型流道中氧气摩尔浓度是下降的趋势，这与反应气在流道内不断消耗有关，新型流道结构中氧气摩尔浓度大多数情况下都比直流道中要高，在流道出口处，新型流道结构氧气摩尔浓度出现陡降是因为流道出口处截面改变，且靠近出口有0.5mm过渡区域，气压出现较大的压降差，使得反应气流回流明显，更多的反应气聚集在截面相对更大的分流道内，由于扩散层中心线位于主流道下方，相对的在流道主流道中氧气摩尔浓度少于分流道，因而往扩散层中心线传递的反应气浓度降低，由图2得知，在远离流道出口处，阴极新型流道结构比直流道结构氧气摩尔浓度提高，传质性能增强。

图5为质子交换膜燃料电池阴极新型流道模型与直流道模型伏安特性曲线比较图，在不同的电流密度下得出电池模型相应的电压值，由图5可知，阴极新型流道模型其电压值明显高于阴极为直流道的模型，在高电流密度1.6a/cm²下时，阴极新型流道模型其电压值为0.644v，而阴极为直流道模型其相对应的电压值为0.587v，表明阴极流道为新型流道时其电池模型传质更好，电池性能更优。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。