[發明專利]一種基于正弦波紋的衍生型波紋流場板

有效

• 申請號: 202110853393.0
• 申請日: 2021-07-27
• 公開（公告）號: CN113675424B
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發明（設計）人: 袁偉;李錦廣;吳澤宇;蘇曉晴;蔣子琮;柯育智;趙永豪;劉慶森;梁浩偉;林惠鋮;莊梓譯;盧彪武
• 申請（專利權）人: 華南理工大學;廣東氫機智創科技有限公司
• 主分類號: H01M8/0263
• 分類號: H01M8/0263;H01M8/1004
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍;江裕強

本發明公開了一種基于正弦波紋的衍生型波紋流場板，用于主動式直接甲醇燃料電池的陽極流場板，所述的衍生型波紋流場板設置有流道，所述的流道內設置有擾流結構。所述的擾流結構為規律分布的波紋結構，形成波紋流道。所述波紋結構由兩個及以上標準的正弦函數線性相加構成。本發明克服了標準正弦波紋流場存在速度死區的缺陷，提出的衍生型波紋流場增加了擾流結構迎風面的長度，降低了迎風面的曲率變化，減少了背風面的長度，使得CO₂氣柱能夠充分地貼合壁面，減少了流場內的速度死區，降低了流體動能的耗散和阻力。因此，衍生型波紋流場板中的擾流結構更有利于傳質過程的進行，從而提高電池的輸出性能。

技術領域

本發明涉及直接甲醇燃料電池技術領域，具體涉及一種基于正弦波紋的衍生型波紋流場板。

背景技術

直接甲醇燃料電池以甲醇為陽極燃料，因其工作溫度低(一般在室溫工作)、理論比能量高、攜帶方便和使用安全等特點，應用前景廣闊，被業界認為是最有希望率先實現市場化的一類燃料電池。

直接甲醇燃料電池的陽極產物二氧化碳氣體，通過多孔氣體擴散層進入到流道，若流場內的氣體產物未能及時有效脫離和排出，將會直接影響反應物的分布和供給，進而導致電池性能下降，甚至停止工作。因此，產物管理問題一直是直接甲醇燃料電池亟待解決的技術難題，不容忽視。

目前，絕大多數研究人員在解決產物管理問題時都是從催化層、擴散層的結構著手解決。對于流場板的研究大部分集中于流場宏觀形狀和整體分布的優化，較少涉及流道本身的幾何構型。

現有的一種波紋流場板(CN109390603A)，該波紋流場板中的擾流結構使得流道的壁面速度梯度增加，進而增加了璧面的剪切速率，加速了陽極側的生成物——二氧化碳氣體的排放，緩解陽極側因二氧化碳氣體堵塞所導致的燃料供給不足,電池性能下降的情況。然而，該波紋流道的壁面輪廓函數為標準的正弦式表達式，即A·sin(ωt+φ)，通過可視化實驗研究發現，標準正弦流場會不可避免地出現氣泡輪廓不貼合流道壁面的情況，產生了較大范圍的速度死區。針對上述缺陷，使用數碼顯微鏡對流場中間處的氣柱拍攝記錄，然后選取部分CO₂氣柱輪廓變形明顯的區域，作為改進設計的依據。對此段輪廓進行等距取點，每兩點間的相隔距離為0.06mm，最終得到一系列離散點的坐標值。利用C語言編寫擬合運行腳本，使用1stopt軟件對離散點進行曲線擬合。氣柱輪廓的擬合目標方程函數如下：是由兩個及以上標準的正弦函數線性相加構成的。擬合結果中，殘差平方和均小于4·10^-6，殘差平方和的值是通過擬合數據和原始數據之間誤差的平方求和得出的。同時，相關系數均大于0.9999，表明了擬合數據和原始數據高度相關性，表明擬合出的函數方程對原CO₂氣柱輪廓離散點的解析能力較強。

發明內容

為了有效緩解主動式直接甲醇燃料電池陽極側產物氣體堵塞流場的現象，強化傳質過程，進一步提高電池的輸出性能。本發明公開了一種基于正弦波紋的衍生型波紋流場板。

本發明至少通過如下技術方案之一實現。

一種基于正弦波紋的衍生型波紋流場板，用于主動式直接甲醇燃料電池的陽極流場板，所述的衍生型波紋流場板設置有流道，所述的流道內設置有擾流結構，所述擾流結構為波紋結構。

優選的，所述波紋結構包括兩個及以上的標準正弦函數線性相加構成，波紋結構的幾何特征函數為：其中a、b、c、d、x₁～x₄、w₁～w₄為常數。

優選的，所述的衍生型波紋流場板的材料為導電、耐腐蝕材料。

優選的，所述的導電材料包括碳材料、金屬、合金、不銹鋼導電材料以及導電、耐腐蝕的復合材料。

優選的，所述衍生型波紋流場板表面的表面粗糙度最高為Ra0.4。

優選的，所述流道的表面粗糙度最高為Ra0.8。