流道对液态水含量自适应分流的燃料电池流场板

1.本发明属于燃料电池领域，涉及到一种燃料电池液态水自适应流场板结构。


背景技术：

2.化石燃料燃烧和去森林化使每年大气中的co2的浓度以0.4％的速率在增长，所造成的温室效应使地球表面的温度急剧上升。因此寻找低碳或零碳的能源迫在眉睫。而氢能作为一种清洁无污染的能量介质，通过燃料电池把化学能转换为电能，或者通过氢内燃机把化学能转化为机械能，最后转换为电能；此外还有生物质能、风能、太阳能、地热能等清洁可再生能源。
3.燃料电池的理论转换效率高达85％～90％，当用燃料电池供电时，可持续产生电能，具有污染低、使用范围广、高功率密度等优点。是一种未来可行的发电装置。燃料电池由阴阳极端板、流场板、气体扩散层、催化层和质子交换膜等组成，其中流场板是燃料电池的一个重要部件，具有集流、支撑、散热等作用。
4.目前，已有研究通过改变流场板中流道的截面形状、尺寸等方法来提高电池性能。其中，现有分支流场是一种能够随着反应物的流动，使流道横截面积变小，能够提高反应物利用率并加快液态水排出。但这种逐级分支结构在液态水较少的情况下，往往会增加气液两相流的流动阻力，反应物流速的突然增大也会增加对膜电极的冲击力，降低其耐久性，其尺寸也是无法改变的，对工况的变化缺乏自适应能力。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，针对上述不足，提供流道对液态水含量自适应分流的燃料电池流场板结构，能够使流场适应不同工况的流场板结构，以达到提升电池性能和耐久性的目的。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
7.本发明提供一种流道对液态水含量自适应分流的燃料电池流场板结构，其特征在于：反应物进口和出口，流场板上设有若干脊和流道，流道平面上的凹槽及布置自适应结构。
8.进一步，在流道中布置自适应结构，当流道中有积存的液态水时，自适应结构逐渐吸水膨胀，吸水饱和后高度变得与流道深度一致，从而实现流道的分流，使分流后的每一个流道内的流速都得了提升；当流道中不再有积存的液态水时，自适应结构能够在电池运行温度下加热或者反应气体吹扫的情况下脱水收缩，自适应结构高度低于流道深度，自适应结构两侧的流体重新汇集。
9.进一步，自适应结构吸水膨胀前，宽度为流道宽度的1/10～2/5、高度为流道深度的1/3～2/3，长度为流道长度的1/50～1/5。
10.进一步，自适应结构在同一条流道上布置单个或者多个。多个自适应结构在同一条流道上等距或非等距布置，在相邻流道上相对布置或交错布置。
11.进一步，自适应结构在流道平面上的投影为椭圆形、圆形、矩形或梯形。
12.进一步，自适应结构在电池运行温度下不会溶解。
13.进一步，自适应结构所用的湿敏材料对膜电极无害，在水淹环境中5min～10min内达到吸水饱和，在80℃的条件下，吸水的饱和线膨胀度为40％～280％。
14.进一步，流道平面上具有凹槽结构，自适应结构的一部分是与凹槽相吻合的凸起结构，自适应结构使用对膜电极无害的胶粘到流道平面的凹槽结构上。
15.进一步，流道平面上的凹槽结构最佳尺寸为：长度为0.5mm～2mm，宽度为0.1mm～0.3mm，深度是0.1mm～0.3mm。
16.进一步，自适应结构适用于仿生流场、点状流场、蛇形流场、交指流场、平行流场、组合流场。
17.综上所述，本发明具有以下有益效果：
18.本发明在流道中添加自适应结构能够根据流道中的液态水含量发生自适应变化，实现反应物和生成物的自适应分流。当流道中没有积存的液态水时，自适应结构能够将液滴打碎，延迟水淹到来，此外，流道内两相流动阻力较低，泵功消耗较少；当流道中存在积存的液态水时，自适应结构吸水膨胀饱和后，使其高度和流道脊的高度一致，从而将反应物和生成物分流，加速液态水的排出，从而提升电池性能。
附图说明：
19.图1是案例一自适应结构吸水膨胀前流场板结构平面图；
20.图2是案例一自适应结构吸水膨胀前流场板结构轴侧图；
21.图3是案例一自适应结构饱和吸水膨胀后流场板结构平面图；
22.图4是案例一自适应结构饱和吸水膨胀后流场板结构轴侧图；
23.图5是a区域自适应结构饱和吸水膨胀前后局部对比图(左图：吸水前；右图：饱和吸水后)；
24.图6是案例一自适应结构饱和吸水膨胀前固定方式示意图；
25.图7是案例二自适应结构吸水膨胀前流场板结构平面图；
26.图8是案例二自适应结构吸水膨胀前流场板结构轴侧图；
27.图9是案例二自适应结构饱和吸水膨胀后流场板结构平面图；
28.图10是案例二自适应结构饱和吸水膨胀后流场板结构轴侧图；
29.图11是d区域自适应结构饱和吸水膨胀前后局部对比图(左图：吸水前；右图：饱和吸水后)；
30.图12是案例二自适应结构饱和吸水膨胀前固定方式示意图；
31.图中：1反应物进口、2反应物出口、3自适应结构、4流道、5脊、6胶。
具体实施方式：
32.以下结合附图与案例对本发明的具体实施方式做进一步的描述：
33.案例一：
34.如图1和图2所示，在每条流道4的主流区布置若干自适应结构3，从而使流场具有一定的液态水自适应能力。反应物从进口1进入脊5之间形成的流道4，在流经自适应结构3
时，会增加气流的扰动，促进反应物向气体扩散层的传质，进而到达催化层进行电化学反应，生成的液态水将会通过扩散层流入流道4，并随着反应物一起从出口2流出。当流道4内液态水含量较少时，自适应结构3能够将液滴打碎，延迟水淹现象，从而提高电池性能。
35.如图3和图4所示，随着电化学反应的进行，流道4中开始出现积存的液态水，自适应结构3吸水逐渐膨胀，体积变大。吸水达到饱和后，其高度与流道4的深度相同，从而将反应物和生成物分流，反应物流速增加，有利于提高流场的排水性能。此外，由于自适应结构3的吸水膨胀，流道4的横截面积变小，在反应气体入口1流量一定时，能够增大流道内反应物浓度，从而提高反应物利用率。
36.如图5所示，当流道中不再有积存的液态水时，自适应结构3在电池自身运行温度和反应气体的吹扫的条件下，其内部水分会蒸发，自适应结构3脱水收缩，流道4横截面积变大，自适应结构3对流道4不再具有分流作用。此时，流道内两相流动阻力降低，泵功消耗减少。通过自适应结构对液态水含量的变化，实现流场对不同工况的自适应，从而既提高电池的输出功率，又提高电池的净功率。
37.如图6所示，流道4平面上加工有凹槽结构，自适应结构3的一部分为与凹槽相对应的凸起结构，用对膜电极无害的胶6将自适应结构3与凹槽粘贴到一起，采用榫卯结构和胶6对自适应结构3起到固定作用。此外，将自适应结构3与凹槽的所有接触面均采用胶粘黏，可对凹槽里的自适应结构3起到一定的膨胀限制作用，保证暴露在流道4中的自适应结构达到理想的膨胀尺寸。
38.案例二：
39.如图7和图8所示，在流道下游主流区布置长方体自适应结构，从而使流场具有一定的液态水自适应能力。反应物从进口1进入脊5之间形成的流道4，在流经自适应结构6时，反应物向扩散层传输。反应物进入扩散层，到达催化层进行电化学反应，生成的液态水通过扩散层进入流道4，并随剩余反应物一起从出口2流出。
40.如图9和图10所示，随着电化学反应的进行，流道4中的液态水没有及时排出时，流道4中开始出现积存的液态水，自适应结构3逐渐吸水膨胀，直至与扩散层接触，此时流道4一分为二，对反应物和液态水起到分流作用。流道4横截面积减小，气流速度增加，促进排水与传质，提升在高电流密度下的运行性能。
41.如图11所示，当流道中不再有积存的液态水时，自适应结构3受到电池运行温度的加热和反应气体的吹扫，其内部水分蒸发，自适应结构3脱水收缩，流道4横截面积变大，两相流阻减小。通过自适应结构3对液态水含量变化发生自适应改变，实现流道3出口段的自适应分流，能够促进液态水排处，能够有效避免流道3出口段水淹导致的电池性能降低，并降低泵功消耗，提升电池净功率。
42.如图12所示，以吸水膨胀前的单个流道4的出口段为例，流道4底部有凹槽结构，自适应结构6的一部分是与凹槽相对应的凸起结构，用对膜电极无害的胶6将自适应结构6与凹槽粘贴到一起，采用榫卯结构和胶6对自适应结构6起到固定作用。此外，将自适应结构6与凹槽的所有接触面均采用胶6粘黏，可对凹槽里的自适应结构6起到一定的膨胀限制作用，保证暴露在流道4中的自适应结构6达到理想的膨胀尺寸。