一种燃料电池变密度点状交错水滴流场

本发明属于燃料电池，涉及一种燃料电池变密度点状交错水滴流场。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池由于其高能量密度和效率、低工作温度和排放而被认为是最有前途的汽车发动机替代能源之一。车用燃料电池堆通常由数百个单电池组成，每个电池的有效面积为250-350cm2。由于质子交换膜燃料电池内部电化学反应的特点，气体和水沿流动方向的分布均匀性较差。此外，车用质子交换膜燃料电池的性能和耐久性通常受到多孔阴极电极缺氧和水淹的限制。因此，充足的反应气体供应和高分布均匀性是质子交换膜燃料电池设计和开发的重要课题。流场设计在气体传输、水热管理和电流收集等方面起着决定性作用，改进燃料电池的流场结构是目前降低燃料电池成本、提升耐久性的主要途径之一。

2、质子交换膜燃料电池流场中沿流动方向气体和水分布方面表现出显著变化，因此不同流场区域有着不同的设计需求。在流场的上游，由于反应速率高，流场板和扩散层之间需要更大的接触面积来进行电子传导。相反，在流场的下游，由于持续耗氧和积水，需要在流道和扩散层之间有更大的区域用于输气和除水。然而，以往的研究往往忽略了这一点，对整个流场区域采用相同的设计，这显然是不合适的。以往研究表明，保证流场板与扩散层之间充足的接触面积对于电流传导至关重要。沟道面积越大，电子从扩散层到流场板的传导距离越长，欧姆阻抗越高。因此，为进一步提高燃料电池性能并增加气体分布均匀性，在流场设计过程中需考虑不同流场区域的设计需求，平衡流道与脊的比例。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种燃料电池变密度点状交错水滴流场。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种燃料电池变密度点状交错水滴流场，包括燃料电池流场板，在所述燃料电池流场板两端分别设有反应物进口和出口，在所述燃料电池流场板中，沿所述反应物进口和出口方向交错布置有若干水滴状挡板，且所述水滴状挡板分布密度沿反应物流动方向逐渐稀疏。

4、进一步，所述交错布置方式如下：将燃料电池流场板中的水滴状挡板沿反应物流动方向划分为n列，第n+1列和n-1列中的各水滴状挡板均设置在第n列中每两个水滴状挡板之间，从而形成交错点状式分布。

5、进一步，每一列的宽度沿反应物流动方向逐渐增大，范围由2～7mm，相邻水滴状挡板在垂直流动方向间距为2～4mm。

6、进一步，所述水滴状挡板结构一致，大小相同。

7、进一步，所述水滴状挡板上靠近反应物进口的一端为半圆形或半椭圆形，靠近出口的一端为尖角形。

8、进一步，所述水滴状挡板的长度为1～2mm，宽度为0.5～1.5mm。

9、进一步，所述燃料电池流场板采用1.5mm厚的石墨板作为基板材料。

10、本发明的有益效果在于：

11、(1)本发明所述的变密度点状交错水滴流场流阻低，所述水滴状挡板具有低流阻特性，高密度点状交错分布的水滴挡板的压降与传统平行流场相当。

12、(2)本发明所述的水滴状挡板结构在流场平面呈点状交错布置，使气体流通截面积沿流动方向不断变化，增大了气体在流道内的扰动程度，提高了流道的传质性能和反应气体分布均匀性，有助于提高燃料电池性能和耐久性。

13、(3)本发明所述变密度点状交错水滴流场充分考虑燃料电池流场沿流动方向的水气分布特性与流场设计需求，水滴挡板分布密度沿着流动方向逐渐减小；在流道上游，高密度分布的水滴可提供更大的双极板和扩散层接触面积以供高反应速率下的电子传输；在流道下游，低密度分布的水滴可提供更大的流道和扩散层接触面积以增强传质性能排出液态水，提高燃料电池的水管理能力。

14、(4)本发明中的流场板结构简单，尺寸和位置均可根据实际情况进行调整，增强了流场结构的普适性，且加工方便有利于燃料电池大规模的生产和应用。

15、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

技术特征：

1.一种燃料电池变密度点状交错水滴流场，其特征在于：包括燃料电池流场板，在所述燃料电池流场板两端分别设有反应物进口和出口，在所述燃料电池流场板中，沿所述反应物进口和出口方向交错布置有若干水滴状挡板，且所述水滴状挡板分布密度沿反应物流动方向逐渐稀疏。

2.根据权利要求1所述的燃料电池变密度点状交错水滴流场，其特征在于：所述交错布置方式如下：将燃料电池流场板中的水滴状挡板沿反应物流动方向划分为n列，第n+1列和n-1列中的各水滴状挡板均设置在第n列中每两个水滴状挡板之间，从而形成交错点状式分布。

3.根据权利要求2所述的燃料电池变密度点状交错水滴流场，其特征在于：每一列的宽度沿反应物流动方向逐渐增大，范围由2～7mm，相邻水滴状挡板在垂直流动方向间距为2～4mm。

4.根据权利要求1所述的燃料电池变密度点状交错水滴流场，其特征在于：所述水滴状挡板结构一致，大小相同。

5.根据权利要求1所述的燃料电池变密度点状交错水滴流场，其特征在于：所述水滴状挡板上靠近反应物进口的一端为半圆形或半椭圆形，靠近出口的一端为尖角形。

6.根据权利要求1所述的燃料电池变密度点状交错水滴流场，其特征在于：所述水滴状挡板的长度为1～2mm，宽度为0.5～1.5mm。

7.根据权利要求1所述的燃料电池变密度点状交错水滴流场，其特征在于：所述燃料电池流场板采用1.5mm厚的石墨板作为基板材料。

技术总结
本发明涉及一种燃料电池变密度点状交错水滴流场装置，属于燃料电池技术领域，包括燃料电池流场板，在所述燃料电池流场板两端分别设有反应物进口和出口，在所述燃料电池流场板中，沿所述反应物进口和出口方向交错布置有若干水滴状挡板，且所述水滴状挡板分布密度沿反应物流动方向逐渐稀疏。本发明充分考虑燃料电池流场中沿流动方向水气分布特性，可高效实现反应物均匀分布，具有更好的水管理与传质性能，且低流阻水滴可极大减少两相流动阻力，提升电池净功率。结构相对简单，易于加工与生产；具有很好的应用前景。

技术研发人员：张财志,蔡浪,魏中宝,曾韬,赵富强,樊敏,陈会翠
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15