一种波纹状流场结构

本发明涉及一种波纹状流场结构，属于燃料电池领域。

背景技术：

由于能源需求的上升以及环境问题的日益突出，传统能源转换装置的弊端，如内燃机，被逐渐放大，世界各地的人们对于新能源的呼声也越来越高。而燃料电池，特别是质子交换膜燃料电池由于具有零排放、高效以及温和的工作条件等优势，在新能源中脱颖而出，成为近年来的研究热点。然而，燃料电池的大规模商业化目前受到一系列技术问题的困扰，而其中，除氢源外，成本是最主要的问题之一。成本问题的解决，一方面需要改进材料，例如使用非铂催化剂或者降低材料或部件加工过程的成本；另一方面还需要通过提升电池性能来达到。当前的膜电极技术已经发展到一个较高水平，要在担量不变情况下提升电池性能变得越来越困难。而相比于膜电极技术的提升，流场设计对于电池性能的提升作用就要明显很多。

传统的燃料电池用流场包括平行沟槽流场、蛇形流场、点状流场以及交趾状流场。这些流场的优点是加工简单，适合大规模生产。然而，这些流场的传质动力均为单一的分子扩散，在大流密度下电池很容易面临原料气缺乏以及生成物水无法排出的问题，因此需要发展传质效果更好的流场。

自丰田的二代燃料电池汽车mirai问世以来，三维流场的热度一直在上升。相比于传统的二维流场，三维流场具有垂直于膜电极的速度分量，能够提升电池向膜电极传递气体以及将产物水排出电池的能力，进而提升电池性能。这一效果在高电流密度下格外明显。然而，丰田的三维流场极其复杂，对于原材料以及加工的要求很高，使得其成本偏高，并不一定适合燃料电池的大规模应用，因此需要发展更为高效且更为简单的三维流场，以适应燃料电池的大规模商业化。

技术实现要素：

本发明设计了一种新型波纹状流场结构，该流场结构具有周期性变化的流道，从而增加电池内部气体的湍动程度，提升电池性能，特别是在大电流密度下，效果更加明显。

本发明提供了一种波纹状流场结构，所述流场结构的中央区域由多个一级流道与多个二级流道交替构成；所述一级流道由多个相同的凹圆弧面与多个相同的凸圆弧面ⅰ交替构成；所述二级流道由多个相同的凸圆弧面ⅱ与多个相同的平面交替构成。

本发明所述一级流道是气体的主要流动通道，也是产物水的主要排出通道；二级流道不仅具有常规流场脊的作用，还能够沟通不同流道，使气体可以在全电池范围内流动

本发明优选为所述一级流道与二级流道平行布置。

本发明优选为所述凹圆弧面半径与凸圆弧面ⅰ半径相等，且所述凹圆弧面的半径为2-2.5mm。

本发明优选为所述凹圆弧面高度与凸圆弧面ⅰ高度相等。

本发明优选为所述凸圆弧面ⅱ的半径为2mm。

本发明优选为所述凸圆弧面ⅱ的高度为0.4-0.6mm。

本发明优选为所述凹圆弧面长度与凸圆弧面ⅱ长度相等。

本发明优选为所述凸圆弧面ⅰ长度与平面长度相等。

本发明优选为所述凹圆弧面与凸圆弧面ⅱ相邻。

本发明优选为所述凸圆弧面ⅰ与平面相邻。

本发明有益效果为：

本发明可以通过调节一级流道的圆弧面半径来控制气体在其中的湍动程度；

本发明所述二级流道是相邻一级流道之间的流道，二级流道可以使不同一级流道之间的气体得以沟通，最终使电池内部的气体自由流动；

本发明可以通过调节二级流道的圆弧面半径及圆弧面高度来控制电池内气体的湍动程度，进而调控电池性能。

附图说明

本发明附图3幅，

图1为本发明所述波纹状流场结构的结构示意图；

图2为本发明所述波纹状流场结构的正视图；

图3为实施例1-3的电池i-v曲线图；

其中：1、入口歧管，2、出口歧管，3、平面，4、凸圆弧面ⅱ，5、凸圆弧面ⅰ，6、凹圆弧面。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1

一种波纹状流场结构，所述流场结构包括多个入口歧管1、多个出口歧管2及入口歧管1与出口歧管2之间的中央区域；

所述中央区域由多个一级流道与多个二级流道交替构成，且所述一级流道与二级流道平行布置；

所述一级流道由多个相同的凹圆弧面6与多个相同的凸圆弧面ⅰ5交替构成，所述凹圆弧面6的半径为2mm，且所述凸圆弧面ⅰ5半径与凹圆弧面6半径相等，所述凸圆弧面ⅰ5高度与凹圆弧面6高度相等；

所述二级流道由多个相同的凸圆弧面ⅱ4与多个相同的平面3交替构成，所述凸圆弧面ⅱ4的半径为2mm，所述凸圆弧面ⅱ4的高度为0.6mm；

所述凹圆弧面6与凸圆弧面ⅱ4相邻，且所述凹圆弧面6长度与凸圆弧面ⅱ4长度相等；

所述凸圆弧面ⅰ5与平面3相邻，且所述凸圆弧面ⅰ5长度与平面3长度相等；

多个所述入口歧管1平行布置，且所述入口歧管1与一级流道连通；

多个所述出口歧管2平行布置，且所述出口歧管2与一级流道连通。

本实施例在0.1mpa、80℃、阳极100％增湿、阴极50％增湿、阳极计量比1.5、阴极计量比2.5的条件下测试的极化曲线见图3。

实施例2

一种波纹状流场结构，所述流场结构包括多个入口歧管1、多个出口歧管2及入口歧管1与出口歧管2之间的中央区域；

所述中央区域由多个一级流道与多个二级流道交替构成，且所述一级流道与二级流道平行布置；

所述一级流道由多个相同的凹圆弧面6与多个相同的凸圆弧面ⅰ5交替构成，所述凹圆弧面6的半径为2mm，且所述凸圆弧面ⅰ5半径与凹圆弧面6半径相等，所述凸圆弧面ⅰ5高度与凹圆弧面6高度相等；

所述二级流道由多个相同的凸圆弧面ⅱ4与多个相同的平面3交替构成，所述凸圆弧面ⅱ4的半径为2mm，所述凸圆弧面ⅱ4的高度为0.4mm；

所述凹圆弧面6与凸圆弧面ⅱ4相邻，且所述凹圆弧面6长度与凸圆弧面ⅱ4长度相等；

所述凸圆弧面ⅰ5与平面3相邻，且所述凸圆弧面ⅰ5长度与平面3长度相等；

多个所述入口歧管1平行布置，且所述入口歧管1与一级流道连通；

多个所述出口歧管2平行布置，且所述出口歧管2与一级流道连通。

本实施例在0.1mpa、80℃、阳极100％增湿、阴极50％增湿、阳极计量比1.5、阴极计量比2.5的条件下测试的极化曲线见图3。

实施例3

一种波纹状流场结构，所述流场结构包括多个入口歧管1、多个出口歧管2及入口歧管1与出口歧管2之间的中央区域；

所述中央区域由多个一级流道与多个二级流道交替构成，且所述一级流道与二级流道平行布置；

所述一级流道由多个相同的凹圆弧面6与多个相同的凸圆弧面ⅰ5交替构成，所述凹圆弧面6的半径为2.5mm，且所述凸圆弧面ⅰ5半径与凹圆弧面6半径相等，所述凸圆弧面ⅰ5高度与凹圆弧面6高度相等；

所述二级流道由多个相同的凸圆弧面ⅱ4与多个相同的平面3交替构成，所述凸圆弧面ⅱ4的半径为2mm，所述凸圆弧面ⅱ4的高度为0.4mm；

所述凹圆弧面6与凸圆弧面ⅱ4相邻，且所述凹圆弧面6长度与凸圆弧面ⅱ4长度相等；

所述凸圆弧面ⅰ5与平面3相邻，且所述凸圆弧面ⅰ5长度与平面3长度相等；

多个所述入口歧管1平行布置，且所述入口歧管1与一级流道连通；

多个所述出口歧管2平行布置，且所述出口歧管2与一级流道连通。

本实施例在0.1mpa、80℃、阳极100％增湿、阴极50％增湿、阳极计量比1.5、阴极计量比2.5的条件下测试的极化曲线见图3。