具有液态水自适应导流结构的深度渐浅流场板的制作方法

1.本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种具有液态水自适应导流结构的深度渐浅流场 板结构。


背景技术：

2.氢气是连接可再生能源与传统化石能源的桥梁，通过氢燃料电池的开发与利用，能够 实现未来洁净能源利用变革的愿景。
3.燃料电池因具有工作可靠、清洁高效、电化学反应有害产物较少、操作简单等优点而 得到长足发展，商业化应用前景广阔，核心技术不断突破，因此被视为最具发展前途的能 源动力装置之一。
4.流场板是燃料电池的重要组件之一，流场板的设计、制作及材料将直接影响电池的寿 命、体积、成本、质量等方面，其主要作用是用于分配反应气体、传导电子及排出反应生 成的液态水，因此燃料电池的流场板必须具备较好的导电性和排水能力。
5.为了提升电池性能，已有研究设计出渐浅流道，这种渐浅流道相对于直流道能够增加 氧气浓度，促进传质，并加速液态水排出，但是传统渐浅流道的形状和尺寸都是固定的， 无法适应变工况运行，并且在流道中没有液态水积存时，对两相流动阻力较大，泵功消耗 较多，从而降低电池净功率。


技术实现要素：

6.针对上述不足，本发明在渐浅流道平面上添加对液态水含量能够发生自适应变化的自 适应结构，使流场能够自适应不同的工况，达到提升电池净功率的效果。
7.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.本发明提供一种具有液态水自适应结构的深度渐浅流场板，其特征在于：反应物进口 和出口，流场板上分布若干条脊和流道以及用胶固定在凹槽里的自适应结构。
9.进一步，在渐浅流道中添加自适应结构，当流道中有积存的液态水时，自适应结构吸 水膨胀，流道深度沿反应物流动方向进一步逐渐变浅；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，流道横截面 积变大，流道仍为渐浅流道，从而实现渐浅流道深度对液态水含量的自适应变化。
10.进一步，自适应结构在同一条流道上多段布置且均匀分布，吸水前吸水前长度为1 mm～6mm，宽度为流道宽度的1/3～2/3。
11.进一步，自适应结构在流道平面上的投影为矩形、三角形、梯形或圆形。
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～7min内达 到吸水饱和，在80℃的条件下，吸水的饱和线膨胀度为50％～300％。
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。
15.进一步，流道中的凹槽结构最佳尺寸：长度为1mm～2mm，宽度为0.2mm～0.3mm， 深度为0.02mm～0.2mm。
16.进一步，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。
17.进一步，自适应结构适用于蛇形流场、仿生流场、平行流场、组合流场、交指型流场。
18.综上所述，本发明具有以下有益效果：
19.本发明所添加的自适应结构可根据流道内液态水含量的变化发生自适应变化。流道内 有积存的液态水时，自适应结构吸水膨胀，使渐浅流道的横截面积沿反应物流动方向进一 步减小，从而使反应物流速增大，加速液态水的排出；当流道内不再有积存的液态水时， 两相流动阻力较小，能够减少泵功消耗。此外，自适应结构还能够引导反应物向扩散层传 递。
附图说明：
20.图1是自适应结构吸水膨胀前燃料电池流场板结构平面图；
21.图2是自适应结构吸水膨胀前燃料电池流场板结构轴侧图；
22.图3是自适应结构饱和吸水膨胀后燃料电池流场板结构平面图；
23.图4是自适应结构饱和吸水膨胀后燃料电池流场板结构轴侧图；
24.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)；
25.图6是自适应结构吸水膨胀前固定方式示意图；
26.图中：1反应物进口、2反应物出口、3流道、4脊、5自适应结构、6胶。
具体实施方式：
27.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：
28.如图1和图2所示，在渐浅流道3上布置若干个自适应结构5，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流入相邻脊4之间形成的流道3，在流经自适应结 构5时，会增加气流的扰动，引导反应物向气体扩散层运输，反应物到达催化层发生电化 学反应，生成的液态水将会通过扩散层流入流道3，并随着反应气体一起从出口2流出。
29.如图3和图4所示，当流道3中存在积存的液态水时，自适应结构5吸水逐渐膨胀， 体积变大。吸水达到饱和后，每条流道3内相邻自适应结构5会贴合在一起，渐浅流道3 的横截面积进一步减小，能够增加反应物浓度，减少浓差极化的影响并增大反应物流速， 有利于液态水的排出。
30.如图5所示，当流道3中不再有积存的液态水时，自适应结构5在电池自身运行温度 及反应气体吹扫的条件下，内部水分会蒸发，使其脱水收缩，渐浅流道横截面积变大。与 自适应结构5吸水膨胀后相比，流道3内的两相流动阻力有所降低。通过自适应结构5的 吸水膨胀和脱水收缩实现流场对流道中液态水含量的自适应变化，能够在原始渐浅流道的 基础上进一步增加燃料电池的输出功率和净功率。
31.如图6所示，渐浅流道3平面上有凹槽结构，自适应结构5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5与凹槽粘贴到一起，采用榫卯结构和 胶
6对自适应结构5起到固定作用。此外，将自适应结构5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5起到一定的膨胀限制作用，保证暴露在流道3中的自 适应结构达到理想的膨胀尺寸。


技术特征：
1.具有液态水自适应导流结构的深度渐浅燃料电池流场板，其特征在于：包括反应物进口(1)、出口(2)、流场板上分布若干条脊(4)和流道(3)、以及用胶(6)固定在凹槽里的自适应结构(5)；在渐浅流道中添加自适应结构(5)，当流道(3)中有积存的液态水时，自适应结构(5)吸水膨胀，流道(3)深度沿反应物流动方向进一步逐渐变浅；当流道(3)中不再有积存的液态水时，自适应结构(5)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，流道(3)横截面积变大，流道(3)仍为渐浅流道，从而实现渐浅流道深度对液态水含量的自适应变化。2.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于：所述自适应结构(5)在同一条流道(3)上多段布置且均匀分布，吸水前每段长度为1mm～6mm，宽度为流道宽度的1/3～2/3。3.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于：所述自适应结构(5)在流道(3)平面上的投影为矩形、三角形、梯形或圆形。4.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于：所述自适应结构(5)在电池运行温度下不会溶解。5.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于：所述自适应结构(5)所用的湿敏材料对膜电极无害，在水淹环境中5min～7min内达到吸水饱和，在80℃的条件下，吸水的饱和线膨胀度为50％～300％。6.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于：所述流道(3)平面上具有凹槽结构，自适应结构(5)的一部分是与凹槽相吻合的凸起结构。7.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于：所述流道(3)中的凹槽结构尺寸：长度为1mm～2mm，宽度为0.2mm～0.3mm，深度为0.02mm～0.2mm。8.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于：所述自适应结构(5)使用对膜电极无害的胶粘(6)到流道(3)平面的凹槽结构上。9.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于：所述自适应结构(5)适用于蛇形流场、仿生流场、平行流场、组合流场或交指型流场。

技术总结
本发明公开了一种具有液态水自适应导流结构的深度渐浅流场板，流场板的结构包括：反应物进口和出口，流场板上分布的若干条脊和流道，在渐浅流道凹槽上布置自适应结构。当流道内有积存的液态水时，自适应结构能够吸水膨胀，各相邻自适应结构之间的距离缩短，甚至会贴合到一起，流道横截面积变小；当流道内不再有积存的液态水时，自适应结构能够在电池运行温度及反应物吹扫的条件下，内部液态水蒸发，使其脱水收缩，流道横截面积变大。本发明所添加的自适应结构能够根据流道内液态水含量变化发生而自适应改变，当液态水含量较多时，反应物流速加快，能够加快液态水排出；当液态水含量较少时，两相流动阻力低，能够减少泵功消耗。耗。耗。


技术研发人员：郭航 毕康璐 牟禹辉 叶芳 陈浩
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2021.10.10
技术公布日：2022/3/25