一种质子交换膜燃料电池的仿生游隼流道结构及其应用

1.本发明属于燃料电池的技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池的仿生游隼流道结构及其应用。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池由膜电极(质子交换膜、催化剂层、气体扩散层)、双极板、集流板等组成，其中膜电极和双极板决定了燃料电池性能。双极板作为燃料电池的核心部件，在燃料电池中，起到了膜电极结构支撑、分隔氢气和氧气、收集电子、传导热量、提供氢气和氧气通道、排出反应生成的水、提供冷却液流道等诸多重要作用。其中流道结构更是决定着pemfc的水热管理、质量输运和电流密度分布，严重影响燃料电池的综合性能。流道中的反应气体以扩散的方式依次进入扩散层，催化层。其中扩散速度的快慢、扩散是否均匀，即流道的传质能力直接影响着发电性能。质子交换膜燃料电池在工作时，阴极会生成水。在高电流密度下，产生的水若无法及时排出，会堵塞反应气体传输通道。从而造成“水淹”现象，影响性能，且大大减少燃料电池的使用寿命。
3.常规流场有直通道、蛇形、螺旋形、交指型和网格形等，同时相关研究人员也在不断开发新型流场。目前，普通的三维流道结构的质子交换膜燃料电池的后段，在高电流密度下，随着反应气体特别是氧气的大量消耗，且由于较高的压降，往往会出现电池催化层供气不足、反应气体分布不均匀的情况，导致电流密度大幅下降，增大系统的寄生功率，降低电池的净功率。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术存在的不足，提供一种质子交换膜燃料电池的仿生游隼流道结构及其应用。
5.为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
6.一种质子交换膜燃料电池的仿生游隼流道结构，上表面为若干个仿生游隼腹部流线型的不对称波形单元组成的周期结构，下表面呈水平状；所述不对称波形单元是由第一弧形和第二弧形于最低点相接形成的流线型不对称波形曲线，第一弧形和第二弧形沿气体传送方向排布且最高点位于同一水平线，l1为第一弧形的水平长度，l2为第二弧形的水平长度，h为最高点与最低点的高度差，h：l1：l2＝1：2.5-3.5：4.5-5.5。
7.可选的，h：l1：l2＝1：3：5。
8.可选的，所述最高点与最低点的高度差h为所述最高点与所述下表面的高度差的35％-85％。
9.可选的，相邻所述不对称波形单元的水平距离s为0-10mm。
10.可选的，相邻所述不对称波形单元于最高点相接或通过最高点的水平线段相接。
11.可选的，所述仿生游隼流道结构形成于双极板和扩散层之间；其中双极板的表面形成有所述不对称波形单元，或双极板的表面增设所述不对称波形单元。
12.一种质子交换膜燃料电池，包括质子交换膜以及位于质子交换膜两侧的阳极流道和阴极流道；所述阳极流道和/或阴极流道采用上述的仿生游隼流道结构。
13.可选的，所述质子交换膜和所述阳极流道之间还按序设有阳极催化层和阳极扩散层；所述质子交换膜和所述阴极流道之间还按序设有阴极催化层和阴极扩散层。
14.可选的，所述阳极流道的外侧还设有阳极集流板，所述阴极流道的外侧还设有阴极集流板。
15.本发明的有益效果为：
16.本发明的仿生游隼流线型不对称波形波流道结构，首先通过上下起伏的仿生波形流道，使得流动方向与扩散方向形成一定的夹角强制更多的反应气体冲向膜电极，进入扩散层及催化层，从而提高催化层反应气体浓度，进而提高电流密度、功率密度。其次通过仿生三维结构可快速增大气体流速，对反应生成的液态水有很好的吹扫效果，有效防止“水淹”的产生，同时也改善流道后半段供气不足的情况。最后利用减阻效果优秀的仿游隼流线型波形流道结构减低了流道压降差，减小系统的寄生功率，从而提升燃料电池的综合性能。
附图说明
17.图1是实施例1的仿生游隼流道结构的截面示意图；
18.图2(a)为仿生对象游隼的照片：图2(b)为仿生游隼腹部的不对称波形单元的结构示意图；
19.图3是实施例2的质子交换膜燃料电池结构图主视图；
20.图4是实施例2的质子交换膜燃料电池结构图侧视图；
21.图5是实施例2的仿生游隼流道质子交换膜燃料电池三维结构图；
22.图6是对比例1的正弦波流道质子交换膜燃料电池三维结构图；
23.图7是对比例2的常规直流道质子交换膜燃料电池三维结构图；
24.图8是实施例2与对比例1和对比例2的质子交换膜燃料电池极化曲线；
25.图9是实施例2与对比例1的阴极流道压降差值对比图；
26.图10是实施例2与对比例2的阴极催化层中氧气摩尔浓度的平均值对比图。
具体实施方式
27.以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系以及高/低的定义，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。
28.实施例1
29.参考图1，实施例1的仿生游隼流道结构，其上表面100a为若干个仿生游隼腹部流线型的不对称波形单元110组成的周期结构，下表面100b呈水平状。参考图2，不对称波形单元的结构曲线拟合自游隼腹部的曲线结构，具体，其是由第一弧形111和第二弧形112于最低点相接形成的流线型不对称波形曲线，第一弧形111和第二弧形112沿气体传送方向(箭头所示)排布且最高点位于同一水平线，l1为第一弧形111的水平长度，l2为第二弧形112的水平长度，h为最高点与最低点的高度差，h与l1的比例为1:3，h与l2的比例为1:5。高度差h
为最高点与下表面的高度差(定义为流道高度)的35％-85％。相邻不对称波形单元110的水平距离s为0-10mm，即，相邻不对称波形单元于最高点相接或通过最高点的水平线段相接。
30.第一弧形111和第二弧形112在最低点相接并平滑过渡，形成不对称的类似倒抛物线曲线。这里所述的平滑过渡，是指两条弧线在相接点处相切。
31.仿生游隼流线型不对称波形单元的位置，数量及分布的设计，适用于各种材料制成的双极板，包含但不局限于金属双极板，石墨双极板，复合材料双极板，也适用于各种加工方式制造的双极板，包含但不局限于冲压，模压，机加工，吹塑，液压等。本发明进一步的适用于专门针对带仿生游隼流线型不对称波形单元而设计的流场，也适用于初始设计时无仿生游隼流线型不对称波形单元，后续将仿生游隼流线型不对称波形单元增加在流场区。单元体之间的间隔可以但不限于流道长度的0％-50％；单元体结构的成形方法可以但不局限于：机加工成形、模压成形、注塑成型、冲压成形、第二道工序粘接、焊接、点胶。
32.游隼，世界上速度最快的生物，最快速度可达389km/h，游隼身体的所有部分，几乎都适应高速飞行，尤其具有像高速飞机一样的可以极大减少阻力的特殊流线型结构。经仿真结果表明，将提取自游隼腹部的流线型三维结构可以同时满足性能良好的双极板结构的三大特点，一是其三维结构的喷嘴效应能快速增大气体流速，增强气体的传质能力，其次会产生一个水平快速气流，对生成的液态水有吹扫效果，具有高除水性，最后其流线型结构的减阻能力可以极大降低流道的压降差，从而减小寄生功率。
33.实施例2
34.参考图3，实施例的质子交换膜燃料电池，由上至下结构为阴极双极板1、阴极流道2、阴极扩散层3、阴极催化层4、质子交换膜5、阳极催化层6、阳极扩散层7、阳极流道8和阳极双极板9。其中阴极流道2采用实施例1的仿生游隼流道结构。阴极流道2为阴极扩散层3和阴极双极板1(同时作为集流板)之间的通道。
35.结合图3至图5，本实施例通过上下起伏的仿生波形流道，使得流动方向与扩散方向形成一定的夹角强制更多的反应气体冲向膜电极，进入扩散层及催化层，从而提高催化层反应气体浓度，进而提高电流密度、功率密度。其次通过仿生三维结构可快速增大气体流速，对反应生成的液态水有很好的吹扫效果，有效防止“水淹”的产生，同时也改善流道后半段供气不足的情况。最后利用减阻效果优秀的仿游隼流线型波形流道结构减低了流道压降差，减小系统的寄生功率，从而提升燃料电池的综合性能。
36.仿生游隼流道结构应用在质子交换膜燃料电池的阴极，尺寸特征为：流道总体长96mm，宽a2为1mm，高b2(实施例1定义的流道高度)为1mm；不对称波形单元的h取流道高度的60％，即0.6mm，根据比例l1为1.8mm，l2为3mm；为了方便建模计算，不对称波形单元之间的距离s取0mm。阳极采用简单易加工的长方体直流道，长96mm，宽1mm，高1mm。阴阳极集流板尺寸均为长96mm，宽2mm，高2mm；阴阳极扩散层尺寸均为长96mm，宽2mm，高0.2mm；阴阳极催化层尺寸均为长96mm，宽2mm，高0.01mm；质子交换膜尺寸参数设置为长96mm，宽2mm，高0.05mm。
37.质子交换膜燃料电池工作时，加湿的氢气、空气分别从阳极与阴极的入口进入流道中，然后穿过扩散层到达催化层中发生反应。在反应过程中，阳极催化层氢气发生氧化反应失去一个电子并生成氢离子，生成的氢离子直接穿过质子交换膜到达阴极催化层，而生成的电子只能通过外电路到达阴极催化层，从而形成了一个连通的电路，而且到达阴极催
化层的氢离子和电子与阴极的氧气发生还原反应生成水。通过上下起伏的仿生波形流道，使得流动方向与扩散方向形成一定的夹角强制更多的反应气体冲向膜电极，进入扩散层及催化层，从而提高催化层反应气体浓度，进而提高电流密度、功率密度。其次通过仿生三维结构可快速增大气体流速，对反应生成的液态水有很好的吹扫效果，有效防止“水淹”的产生，同时也改善流道后半段供气不足的情况。最后利用减阻效果优秀的仿游隼流线型波形流道结构减低了流道压降差，减小系统的寄生功率，从而提升燃料电池的综合性能。
38.本实施例的仿生流道能够实现电池内部反应气体的均匀分布，提高电池的性能。
39.对比例1
40.参考图6，为验证仿游隼结构的减阻效果，设置阴极为正弦波流道的质子交换膜燃料电池作为对比例1，尺寸特征：阴极流道尺寸长96mm，宽1mm，高1mm，其阴极流道曲线结构采用方程式驱动：y＝a*sin(b*x)，其中a为振幅，跟实施例取相同高度为0.6，b为角频率，取π/2；阳极采用简单易加工的长方体直流道，长96mm，宽1mm，高1mm；其余部件尺寸参数及采用的材料均与实施例2的仿生游隼流道质子交换膜燃料电池相同。
41.对比例2
42.参考图7，设置普通直流道质子交换膜燃料电池作为对比例2，其阴阳极流道均采用常规直流道，尺寸为长96mm，宽1mm，高1mm；其余部件尺寸参数及采用的材料均与实施例2的仿生游隼流道质子交换膜燃料电池相同。
43.实施例2、对比例1和对比例2的电池均以恒电压模式运行，温度为333k。阳极通入加湿的氢气，其相对湿度为60％，质量流量为2.273
×
10-7
kg/s；阴极通入加湿的空气，其相对湿度为60％，进气质量流量为2.8242
×
10-6
kg/s，阴、阳极出口的压力均为一个标准大气压，通过cfd模拟，得出结果。
44.三块电池的极化曲线的对比如图8所示。从图8中可以看出，相较于常规直流道流道的单电池，仿生游隼流道的燃料电池与正弦波流道燃料电池的性能均有大幅度提升，特别是在低输出电压、高电流密度的情况下，提升更加明显。主要原因在于仿游隼结构与正弦波结构在流道中可以引导反应气体冲击膜电极，相比于直流道的自由扩散会有更好的传质效果，在增大一点压降的基础上提升了燃料电池的电池性能。而仿游隼流道燃料电池相比于正弦波流道燃料电池，其峰值电流密度与功率密度均有所提升，主要原因是仿游隼结构流道在流道后段，反应气体特别是氧气大量消耗的情况下，通过减小阻力，使得流道中的反应气体更易进入催化层，提高电池后段的反应强度，提高电池的功率密度，降低压降，减小系统寄生功率，从而提高净输出功率，特别是在低输出电压、高电流密度的情况下，提升更加明显。
45.实施例2与对比例1的阴极流道压降差如图9所示，从图9中可以看出：
46.随着电流密度的增大，质子交换膜燃料电池阴极的压降也在增大。在同一电流密度下，相较于对比例一，仿生游隼流道的阴极流道压降差更小，最大降低了25.65％。其原因是：随着反应进一步进行，电流密度增大的同时有更多的氧气消耗以及水的生成，导致阴极流道压降进一步增大。而仿游隼结构因其仿自游隼腹部特殊的流线型，在跟正弦波同是波浪结构的基础上有更好的减阻效果，在不降低峰值功率密度的同时，能减小寄生功率，增大燃料电池的净功率密度，也验证了前文提到的仿游隼结构具有的优秀减阻效果。
47.实施例2与对比例2的阴极催化层中氧气摩尔浓度的平均值如图10所示，从图9中
可以看出：
48.在同一电压下，相较于对比例2，仿生游隼流道的电池催化层平均氧气浓度的提升明显。其原因是，沿着电池反应气体的流动方向，其结构强制反应气体冲击膜电极，使得气体更易进入电池内部，进而催化层的氧气浓度相应提升。特别是在低输出电压、高电流密度下，提升幅度更大，这也验证了前文提到的仿游隼结构具有的优秀传质能力。
49.上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种质子交换膜燃料电池仿生游隼流道结构及其应用，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。