一种多层次流道宽度的PEM电池流场板结构的制作方法

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种多层次流道宽度的pem电池流场板结构。

背景技术：

质子交换膜燃料电池(pem电池)以氢气和氧气作为燃料，通过燃料电池双极板的气体流道扩散进入气体扩散层，到达催化层后发生电化学反应进而发电，将化学能直接转变为电能，是一种环境友好的发电装置。由于不受卡诺循环限制，质子交换膜燃料电池的能量转化率极高，可达60％。

质子交换膜燃料电池流场板是一种刻有流道的极板，流场板在电池中起到隔离反应气体，实现电池的组装连接以及充当电子通道的作用。气体在刻有流道的流场板上流动，气体流道是反应气体从外部传输到电池内部以及生成物排除出的主要通道，流场的结构形状将影响反应气体的传输状态和利用率。气体在电池中的利用率以及是否能将水排出将影响整个电池的性能。因此，设计合理的流场是质子交换膜燃料电池设计的关键。合理的流场既能保证气体在整个电池反应活性区分布均匀，使得化学能充分转化为电能；还要让反应生成的水能够顺利排出流道，避免水淹，从而达到电池最佳转化效率及输出性能。

目前，常用的质子交换膜燃料电池流场有平行流场和蛇形流场。如图1所示平行流场是一种典型的燃料电池流场，包括入口流道3、出口流道4，以及分支流道5，每一个分支流道5的入口连着入口流道3，每一个分支流道5的出口连着出口流道4，气体从入口流道3进入，从出口流道4排出。由于平行流道中的气体流经的路径较短，进口压损小，反应气体分布均匀，然而流道中流速小，不能及时排出产生的液态水，导致水淹。蛇形流场反应气体流速大，压降大，能及时将反应产生的水排出流道，避免水淹。但是，对于大面积的蛇形流场，压降过大，气体分布不均。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种提高流场压降及气体均匀性的多层次流道宽度的pem电池流场板结构。

本发明采用的技术方案为：一种多层次流道宽度的pem电池流场板结构，包括板体，所述板体上开设有反应气体进口和反应气体出口，在反应气体进口与反应气体出口之间设有多级依次连通的流道场，第一级流道场与反应气体进口连通，末级流道场与反应气体出口连通；每级流道场内设多个流道肩，相邻两个流道肩形成单流道，各级流道场的单流道宽度依次递减。

按上述方案，各级流道场内的单流道均匀间隔且平行分布，各级流道场的单流道宽度满足以下关系：

a1²＝a2²+a3²+a4²+…+an-3²+an-2²+an-1²+an²；

a2²＝a3²+a4²+a5²+…+an-3²+an-2²+an-1²+an²；

……

an-3²＝an-2²+an-1²+an²；

an-2²＝an-1²+an²。

上式中，a1为第一级流道场内单流道宽度的一半，a2为第二级流道场内单流道宽度的一半，……，an为第n级流道场内单流道宽度的一半。

按上述方案，同一级内的每个单流道均与上一级流道场连通。

按上述方案，所述板体上开设有与反应气体进口连通的进气主干流道，进气主干流道与第一级流道场内的单流道连通。

按上述方案，所述板体上开设有与反应气体出口连通的出气主干流道，出气主干流道与末级流道场内的单流道连通。

按上述方案，所述板体的四周边沿间隔开设若干螺栓孔，通过连接螺栓与pem电池的其他结构相连。

本发明的有效效果为：本发明利用符合广义默里定律，设计多级流道宽度变化的流道场结构，类似于多级孔结构，物料的分布更均匀，水传输阻力减小，提升了质子交换膜燃料电池流场板的综合性能，进而提高整个燃料电池的效率；此外，与现有的普通平行流场相比，本发明所述流场板压降更大，更利于排水，避免水淹。

附图说明

图1为传统的等流道宽度平行流场板。

图2为本发明一个具体实施例的结构示意图。

图3为分别利用本发明流场板和平行流场时质子交换膜燃料电池性能曲线对比图。

图4为实施例计算条件下0.7v时的阴极水的质量分数分布云图。

其中：1、反应气体进口；2、反应气体出口；3、进气主干流道；4、出气主干流道；5、第一级流道场；6、末级流道场；7、流道肩；8、单流道；9、板体。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。

如图2所示的一种多层次流道宽度的pem电池流场板结构，包括板体9，所述板体9上开设有反应气体进口1和反应气体出口2，在反应气体进口1与反应气体出口2之间设有多级依次连通的流道场，第一级流道场5与反应气体进口1连通，末级流道场6与反应气体出口2连通；每级流道场内设多个流道肩7，相邻两个流道肩7形成单流道8，各级流道场的单流道8宽度依次递减。

优选地，各级流道场内的单流道8均匀间隔且平行分布，且同一级内的每个单流道8均与上一级流道场连通；各级流道场的单流道8宽度满足以下关系：

a1²＝a2²+a3²+a4²+…+an-3²+an-2²+an-1²+an²；

a2²＝a3²+a4²+a5²+…+an-3²+an-2²+an-1²+an²；

……

an-3²＝an-2²+an-1²+an²；

an-2²＝an-1²+an²。

上式中，a1为第一级流道场5内单流道8宽度的一半，a2为第二级流道场内单流道8宽度的一半，……，an为第n级流道场内单流道8宽度的一半。

优选地，所述板体9上开设有与反应气体进口1连通的进气主干流道3，进气主干流道3与第一级流道场5内的单流道8连通。

优选地，所述板体9上开设有与反应气体出口2连通的出气主干流道4，出气主干流道4与末级流道场6内的单流道8连通。

优选地，所述板体9的四周边沿均匀间隔开设若干螺栓孔，通过连接螺栓与pem电池的其他结构相连。

本实施例中，进气主干流道3深度为1mm，宽度为3mm；出气主干流道4深度为1mm，宽度为3mm；进气主干流道3与出气主干流道4之间设有三级流道场，其中第一级流道场5内设六个流道肩7，共形成七个单流道8，该单流道8深度为1mm，宽度为2.8mm；第二级流道场内设十六个流道肩7，共形成十七个单流道8，该单流道8深度为1mm，宽度为2mm；第三级流道场内单流道8深度为1mm，宽度为1.6mm；末级流道场6内单流道8深度为1mm，宽度为1mm。

无论是植物还是动物都有类似的组织传输结构，这些组织含有层次分明的空隙网络，孔隙的大小比已经进化成最大的质量传输和反应速率，在物质传递过程中所受的阻力最小，运输效率最高，这种优化的层次设计符合默里定律。广义默里定律中表示对于多级孔的孔径关系为其中α与传输类型有关，一般为2或3；x是孔隙传输过程中质量变化率。本发明基于默里定律设计多级流道宽度变化的流场板结构，气体的分布更均匀，水传输阻力更小，提高了pem电池性能。

采用本发明所述流场板结构和采用传统平行流场结构的质子交换膜燃料电池性能曲线如图3所示(其中对比例表示采用平行流道场，实施例表示采用本发明所述流场板结构)。在燃料电池温度为80℃，压强为0.15mpa的操作条件下，通入质量流量为1.5e-06kg/s的氢气和2.6e-05kg/s的空气。在开路电压为1v的条件下，改变电压大小，记录对应电流密度，从图3中可以看出，采用本发明所述流场板结构的pem电池性能较采用传统平行流道的较高，流道宽度小的位置速度相对较大，且分布更均匀。从而可以得出，本发明所述流场板结构，不但保持了平行流场电池分布均匀的优点，并增强了气体分配均匀性，提升了质子交换膜燃料电池的整体性能。实施例计算条件下0.7v时的阴极水的质量分数分布云图如图4所示。从左到右是入口到出口的方向，入口的水的质量分数相对于其他位置较低，流道区域的水的质量分数分布均匀。

最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。