本發(fā)明屬于燃料電池，具體涉及一種增設(shè)凸臺的蜿蜒型流道以及質(zhì)子交換膜燃料電池。

背景技術(shù)：

1、本部分的陳述僅僅是提供了與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)信息，不必然構(gòu)成在先技術(shù)。

2、質(zhì)子交換膜燃料電池(pemfc)是一種以純氫為燃料的能量轉(zhuǎn)換裝置，其具有零/低排放、壽命長、可用空氣做氧化劑、工作溫度低、能量密度高、啟動迅速和輸出功率可隨意調(diào)整的優(yōu)點，目前已應(yīng)用于航空航天、飛機、汽車、儲能等領(lǐng)域。未來也將在軌道交通領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，因此，其被認(rèn)為是未來最具潛力和競爭力的清潔能源轉(zhuǎn)換裝置，是未來車用動力的理想選擇之一。

3、質(zhì)子交換膜燃料電池在多環(huán)境、多工況下的工作可靠性和運行耐久性一直是阻礙其商業(yè)化步伐的重點問題，質(zhì)子交換膜燃料電池運行中電池內(nèi)水的生成、相變、傳輸和去除過程是主導(dǎo)電池性能的重要過程，也是電池水管理研究的關(guān)鍵問題。燃料電池催化層是一種多尺度、多相多孔材料，由用催化劑顆粒(通常是鉑或其合金)內(nèi)嵌的碳主鏈組成，并涂有離聚物薄膜(例如nafion)，制造成本較高。質(zhì)子交換膜燃料電池反應(yīng)氣體流經(jīng)流道中后段時反應(yīng)氣體含量較少而導(dǎo)致的催化劑利用率較低。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種增設(shè)凸臺的蜿蜒型流道以及質(zhì)子交換膜燃料電池，本發(fā)明通過優(yōu)化雙極板的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，可以改善反應(yīng)物在催化層中的分布，提高燃料利用率，并最大限度地減少濃差極化，最終提高pemfc的輸出性能。

2、根據(jù)一些實施例，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種增設(shè)凸臺的蜿蜒型流道，在蜿蜒型流道中、靠近極板的一側(cè)，設(shè)置有多個凸臺；

4、各凸臺間隔設(shè)置，凸臺整體呈圓柱形，每個凸臺的端部設(shè)置有一曲線剖面，所述曲線剖面背向極板的一側(cè)。

5、作為可選擇的實施方式，所述凸臺的高度隨著氣體流動方向逐漸增大。

6、作為可選擇的實施方式，曲線剖面的曲線方程為：

7、

8、其中，h為曲線剖面開始的高度，0≤h≤h，h為圓柱的總高度，r為圓柱的半徑，xl為曲線剖面沿流道方向的長度，k為控制曲線剖面曲率的參數(shù)，0＜k≤1，m、n為常數(shù)，且m+n＝1。

9、作為可選擇的實施方式，所述凸臺的數(shù)量沿反應(yīng)氣體流動的方向逐漸增多。

10、作為進(jìn)一步的，相鄰?fù)古_之間的間距變化規(guī)律符合反余切函數(shù)。

11、作為進(jìn)一步的，相鄰?fù)古_之間間距滿足以下關(guān)系：

12、δx＝k1arccotk2xn；

13、其中，δx為凸臺之間的間距，δx＞2r，k1、k2為常數(shù)，xn為第n個凸臺，r為圓柱的半徑。

14、作為可選擇的實施方式，所述曲線剖面通過沖壓法、激光切割法或者電化學(xué)蝕刻法得到。

15、作為可選擇的實施方式，蜿蜒型流道的函數(shù)方程為：

16、y＝asin(bx+c)+d；

17、其中，y為流道在質(zhì)子交換膜燃料電池寬度方向的位置，單位為mm；x為沿著氣體流道方向流道的長度，單位為mm；a為波幅，b、c為常數(shù)，波長為w，d是與流道位置有關(guān)的常數(shù)。

18、一種質(zhì)子交換膜燃料電池，包括陰極部件、陽極部件和質(zhì)子交換膜，所述陽極部件包括依次布設(shè)的極板、流道、擴(kuò)散層和催化層，所述陰極部件包括依次布設(shè)的極板、流道、擴(kuò)散層和催化層，其中，陰極部件和陽極部件以質(zhì)子交換膜為中心對稱設(shè)置；

19、所述陽極部件的流道和所述陰極部件的流道均為上述增設(shè)凸臺的蜿蜒型流道。

20、作為可選擇的實施方式，兩個極板由碳纖維增強聚合物或金屬材料制作而成；

21、兩個流道的橫截面為矩形，且?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)相同，高度為hf，范圍為3～5mm，寬度為wf，范圍為3～5mm；凸臺高度為0.6～0.8hf，半徑為0.6～1wf；

22、兩個擴(kuò)散層的厚度均為tgdl，范圍為1～3mm，孔隙率εgdl范圍為0.6-0.8，接觸角θ為110°-150°。

23、作為可選擇的實施方式，所述的催化層由用催化劑顆粒內(nèi)嵌的碳主鏈組成，并涂有離聚物薄膜，孔隙率εcl范圍為0.6-0.8。

24、作為可選擇的實施方式，靠近陽極極板的陽極流道一側(cè)增設(shè)凸臺，在靠近陰極極板的陰極流道一側(cè)增設(shè)凸臺，凸臺高度變化規(guī)律滿足反余弦曲線，且兩部分凸臺以質(zhì)子交換膜中心水平線為對稱軸對稱設(shè)置。

25、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

26、本發(fā)明的陰、陽極流道為蜿蜒型增設(shè)凸臺，凸臺在靠近氣體擴(kuò)散層的一側(cè)表面形狀遵循反余弦曲線變化規(guī)律，當(dāng)反應(yīng)氣體沿著流道流動時，能更好的向氣體擴(kuò)散層擴(kuò)散，催化層中反應(yīng)氣體的濃度，提高反應(yīng)速率，反余弦曲線曲率可以更改，不會使氣體因流動方向變化較大而導(dǎo)致氣體穿透質(zhì)子交換膜。隨著反應(yīng)氣體在流道中的流動方向，凸臺數(shù)量逐漸增多，可以增強燃料電池中后段反應(yīng)氣體向氣體擴(kuò)散層和催化層的擴(kuò)散效果，提高燃料電池后段催化劑的利用效率。

27、為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合所附附圖，作詳細(xì)說明如下。

技術(shù)特征：

1.一種增設(shè)凸臺的蜿蜒型流道，其特征是，在蜿蜒型流道中、靠近極板的一側(cè)，設(shè)置有多個凸臺；

2.如權(quán)利要求1所述的一種增設(shè)凸臺的蜿蜒型流道，其特征是，所述凸臺的高度隨著氣體流動方向逐漸增大。

3.如權(quán)利要求1所述的一種增設(shè)凸臺的蜿蜒型流道，其特征是，曲線剖面的曲線方程為：

4.如權(quán)利要求1所述的一種增設(shè)凸臺的蜿蜒型流道，其特征是，所述凸臺的數(shù)量沿反應(yīng)氣體流動的方向逐漸增多，相鄰?fù)古_之間的間距變化規(guī)律符合反余切函數(shù)。

5.如權(quán)利要求4所述的一種增設(shè)凸臺的蜿蜒型流道，其特征是，相鄰?fù)古_之間間距滿足以下關(guān)系：

6.如權(quán)利要求1所述的一種增設(shè)凸臺的蜿蜒型流道，其特征是，所述曲線剖面通過沖壓法、激光切割法或者電化學(xué)蝕刻法得到。

7.如權(quán)利要求1所述的一種增設(shè)凸臺的蜿蜒型流道，其特征是，蜿蜒型流道的函數(shù)方程為：

8.一種質(zhì)子交換膜燃料電池，包括陰極部件、陽極部件和質(zhì)子交換膜，所述陽極部件包括依次布設(shè)的極板、流道、擴(kuò)散層和催化層，所述陰極部件包括依次布設(shè)的極板、流道、擴(kuò)散層和催化層，其中，陰極部件和陽極部件以質(zhì)子交換膜為中心對稱設(shè)置；

9.如權(quán)利要求8所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池，其特征是，兩個極板由碳纖維增強聚合物或金屬材料制作而成；

10.如權(quán)利要求8所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池，其特征是，靠近陽極極板的陽極流道一側(cè)增設(shè)凸臺，在靠近陰極極板的陰極流道一側(cè)增設(shè)凸臺，凸臺高度變化規(guī)律滿足反余弦曲線，且兩部分凸臺以質(zhì)子交換膜中心水平線為對稱軸對稱設(shè)置。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種增設(shè)凸臺的蜿蜒型流道以及質(zhì)子交換膜燃料電池，在蜿蜒型流道中、靠近極板的一側(cè)，設(shè)置有多個凸臺；各凸臺間隔設(shè)置，凸臺整體呈圓柱形，每個凸臺的端部設(shè)置有一曲線剖面，所述曲線剖面背向極板的一側(cè)，各曲線剖面滿足反余弦曲線。本發(fā)明通過優(yōu)化雙極板的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，可以改善反應(yīng)物在催化層中的分布，提高燃料利用率，并最大限度地減少濃差極化，最終提高PEMFC的輸出性能。

技術(shù)研發(fā)人員：閆偉,王吉川,南勤文,孫潘,任艷鵬,王文斌
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山東大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/14