一种新型填充分级多孔介质电解质膜除湿组件流道结构

本发明涉及电解质膜除湿，具体为一种新型填充分级多孔介质电解质膜除湿组件流道结构。

背景技术：

1、除湿在现代社会的生产生活中占据着越来越重要的地位，特别是一些电子精密仪器制造业和一些昂贵物品的保存，对除湿的精度和便携有着极为重要的要求。在一些电气产品中，高湿度会加速金属氧化和腐蚀、加速化学或电化学反应和绝缘介质电阻及热性能降低等危害，而低湿度则会导致材料失效，干湿交替情况下，由于金属表面干湿交替，会大幅度加速电化学腐蚀，针对上述问题，电解质膜除湿组件在运行过程中，会产生物理场分布不均匀问题，严重影响除湿组件的除湿效率和稳定性。研究发现导致其除湿速率低及耐久性差的主要原因是阳极侧发生的析氧反应不足及反应中阳极催化剂溶蚀导致的电阻增大,流道作为电解质膜除湿组件重要部件之一，起着气体分配的作用。流道的设计不合理会导致反应气体浓度的降低引起催化剂的降解和扩散层的腐蚀，严重影响催化剂性能和扩散层的耐久性，相当于间接提高了电解质膜除湿组件的运行成本问题。目前，针对电解质膜除湿组件阳极侧流道的填充多孔金属纤维的结构优化较为单一，主要为填充固定孔隙率的多孔介质，缺少一种填充变孔隙率多孔介质的新型流道，使反应气体在阳极侧流道分布更均匀，以提高整体组件物理场的均匀性和除湿效率；

2、目前，针对膜电极组件填充多孔金属纤维为固定孔隙率，仍存在物理场分布不均匀问题，由流道对角气体分布不均匀，传统的流道设计可能导致气体在流道内分布不均匀，特别是对角气体分布较少，这可能会导致反应过程中的不均匀性，降低整体组件的物理场均匀性和除湿效率；传热性能较差，会导致组件的稳定性下降，反应效率降低；无法准确地反映多孔介质内气体流动和反应过程中的气体分布，这可能导致设计的不准确，效果不理想，没有简单的流通结构，无法准确地反映多孔介质内气体流动和反应过程中的气体分布。这可能导致设计的不准确，效果不理想，发明人提出一种新型填充分级多孔介质电解质膜除湿组件流道结构用于解决上述问题。

技术实现思路

1、为了解决传统的流道设计可能导致气体在流道内分布不均匀，特别是对角气体分布较少，导致反应过程中的不均匀性，传热性能较差且没有简单的流通结构，无法准确地反映多孔介质内气体流动和反应过程中的气体分布的问题本发明的目的在于提供一种新型填充分级多孔介质电解质膜除湿组件流道结构。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种新型填充分级多孔介质电解质膜除湿组件流道结构，包括以下步骤：

3、s1、设计分级多孔介质流道；

4、s2、多孔介质流道模型构建；

5、s3、仿真模拟验证。

6、优选地，s1中的设计多级多孔介质流道：通过将流道内沿对角分为若干区域，每个区域沿对角填充多孔介质孔隙率逐渐上升，以改善气体在流道中的流动特性，流道内沿流道对角分为若干区域，每个区域沿对角填充多孔介质孔隙率逐渐上升。通过气体在不同孔隙率的流动特性，填充多孔介质的流道中，多孔介质内部具有一定的孔隙结构，气体需要穿过多孔介质流动。在多孔介质中，气体主要通过分子扩散和对流流动两种方式进行传递。另外，由于采用分级多孔介质流道，在整个流道中，气体进入流道后会改善对角区域气体分布不足；

7、s2中的多孔介质流道模型构建：包括随机生成圆柱体中心点、旋转圆柱体、计算孔隙率与目标值进行比较等步骤，以构建分级多孔介质流道的模型，如果实现了定义参数的目标值，则导出模型，形成联合体，构建成分级多孔介质流道。否则，反复调整纤维的数量和方向，从而创建全新的结构；

8、s3中的仿真模拟验证：通过对阳极流道湿空气摩尔浓度所有节点数据进行统计分析，用离散系数来展示气体分布均匀性。同时检测阳极出口湿空气摩尔浓度，来展示除湿效率。从图中可以看到，填充完分级多孔介质流道后，整体的离散系数远小于原始流道，阳极出口湿空气摩尔浓度也得到降低，得出气体分布的均匀性得到极大改善并且整体组件内部物理场分布更均匀。

9、一种新型填充分级多孔介质电解质膜除湿组件流道结构，包括电解质膜除湿组件本体，其特征在于，所述电解质膜除湿组件本体包括空气通道盒和钛网，所述钛网共有两层，所述空气通道盒共有两个，两个所述钛网位于两个空气通道盒之间。

10、优选地，所述空气通道盒远离钛网的一侧安装有阳极流道和阴极流道，所述空气通道盒包括一号空隙、二号空隙和三号空隙，所述一号空隙、二号空隙和三号空隙共有两个，所述钛网内侧固定设有阳极气体扩散层，所述阳极气体扩散层下方设有阳极催化剂层，所述阳极催化剂层远离阳极气体扩散层的一侧设有质子交换膜，所述质子交换膜远离阳极催化剂层的一侧设有阴极气体催化剂层，所述阴极气体催化剂层远离质子交换膜的一侧设有阳极气体扩散层，另一个所述钛网与阳极气体扩散层底侧固定连接。

11、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

12、1、本发明设计方法提供了一种分级纤维流道，能使流道内反应气体分布更均匀，解决流道对角气体分布较少的问题，提升整体组件物理场的均匀性和除湿效率，本发明中的分级多孔介质流道填充为金属纤维，具有较好的传热性能，能显著提升组件的稳定性；

13、2、本发明模型采用真实多孔介质模型构建，更能体现真实多孔介质内气体流动以及反应过程中气体分布；

14、3、本发明中流道设计结构简单，经过反复模拟除湿效果显著，并且易于加工生产，成本较低，改善电解质膜除湿组件的除湿效率，反应气体分布更均匀，电解质电流密度更高，组件的稳定性也得到大幅度提升。

技术特征：

1.一种新型填充分级多孔介质电解质膜除湿组件流道结构，包括以下步骤，其特征在于：

2.如权利要求1所述的一种新型填充分级多孔介质电解质膜除湿组件流道结构，其特征在于：

3.如权利要求1所述的一种新型填充分级多孔介质电解质膜除湿组件流道结构，其特征在于：

4.如权利要求1所述的一种新型填充分级多孔介质电解质膜除湿组件流道结构，其特征在于：

5.如权利要求1-4任意一项所述的一种新型填充分级多孔介质电解质膜除湿组件流道结构，包括电解质膜除湿组件本体(1)，其特征在于，所述电解质膜除湿组件本体(1)包括空气通道盒(110)和钛网(120)，所述钛网(120)共有两层，所述空气通道盒(110)共有两个，两个所述钛网(120)位于两个空气通道盒(110)之间。

6.如权利要求5所述的一种新型填充分级多孔介质电解质膜除湿组件流道结构，其特征在于，所述空气通道盒(110)远离钛网(120)的一侧安装有阳极流道(111)和阴极流道(112)，所述空气通道盒(110)包括一号空隙(130)、二号空隙(131)和三号空隙(132)，所述一号空隙(130)、二号空隙(131)和三号空隙(132)共有两个。

7.如权利要求5所述的一种新型填充分级多孔介质电解质膜除湿组件流道结构，其特征在于，所述钛网(120)内侧固定设有阳极气体扩散层(121)，所述阳极气体扩散层(121)下方设有阳极催化剂层(122)，所述阳极催化剂层(122)远离阳极气体扩散层(121)的一侧设有质子交换膜(123)，所述质子交换膜(123)远离阳极催化剂层(122)的一侧设有阴极气体催化剂层(124)，所述阴极气体催化剂层(124)远离质子交换膜(123)的一侧设有阳极气体扩散层(125)，另一个所述钛网(120)与阳极气体扩散层(125)底侧固定连接。

技术总结
本发明公开了一种新型填充分级多孔介质电解质膜除湿组件流道结构，涉及电解质膜除湿技术领域；一种新型填充分级多孔介质电解质膜除湿组件流道结构，包括以下步骤：设计分级多孔介质流道、多孔介质流道模型构建、仿真模拟验证；一种新型填充分级多孔介质电解质膜除湿组件流道结构，包括电解质膜除湿组件本体，电解质膜除湿组件本体包括空气流道、钛网、气体扩散层和膜电极，膜电极位于气体扩散层之间；一种分级纤维流道，能使流道内反应气体分布更均匀，解决流道对角气体分布较少的问题，提升整体组件物理场的均匀性和除湿效率，分级多孔介质流道填充为金属纤维，具有较好的传热性能，能显著提升组件的稳定性。

技术研发人员：李贺勇,杨伟,孙红闯,胡文凤,商俊华,李亚威,袁培
受保护的技术使用者：郑州轻工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24