[發明專利]一種帶有特斯拉閥結構的質子交換膜燃料電池流道

在審

• 申請號: 202111262213.8
• 申請日: 2021-10-28
• 公開（公告）號: CN113823810A
• 公開（公告）日: 2021-12-21
• 發明（設計）人: 韓青;劉學敏;李元宏;夏佃秀;殷子強;王紅巖
• 申請（專利權）人: 濟南大學
• 主分類號: H01M8/0263
• 分類號: H01M8/0263;H01M8/026;H01M8/0265;H01M8/10
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本發明公開一種帶有特斯拉閥結構的質子交換膜燃料電池流道，該流道采用中心對稱結構，包括基板中心的圓形進氣口，射線形主流道，特斯拉閥分支流道，圓環外周流道和出氣口。氣體通過圓形進氣口流入射線形主流道，經過特斯拉閥分支流道，通過射線形主流道和圓環外周流道連接處的過渡直線段，最終匯集到圓環外周流道并通過出氣口排出。其中，射線形主流道的過流斷面為半圓形，過流斷面面積由圓形進氣口到圓環外周流道逐漸減小，提高了氣體流速；特斯拉閥分支流道均布在射線形主流道上，由直線段和圓弧段以特定形式排列而成，進一步加速了氣體流動，有利于質子交換膜燃料電池的排水，并可以改善質子交換膜燃料電池流道的水管理性能。

技術領域

本發明涉及質子交換膜燃料電池技術領域，尤其涉及一種帶有特斯拉閥結構的質子交換膜燃料電池流道，可增加反應氣體利用率和氣體循環效率，能夠有效防止水淹。

背景技術

質子交換膜燃料電池的工作原理為：氫氣與空氣分別從陽極和陰極注入，氫氣通過陽極氣體擴散層到達催化劑層，在催化劑作用下變成氫離子和電子。氫離子通過質子交換膜到達陰極，電子經過陽極氣體擴散層，雙極板和集電片，通過外電路進入陰極，再經過陰極集電片和氣體擴散層到達催化劑層，與氧氣（來自陰極注入的空氣）、氫離子反應生成水。通過化學反應，外電路生成電流，化學能轉化為電能。

在反應過程中，雙極板起到分隔反應氣體、傳導電流、引導氣體等作用。這要求雙極板具備導電率高，阻氣性好，耐腐蝕性好等特點，為了更好地發揮雙極板的性能，流場結構設計是雙極板制造與創新的核心內容。合理的流場結構有利于傳質的進行，及時散熱，促進水的排出以及在流場內的均勻分布，加快化學反應速率。

常見的質子交換膜燃料電池雙極板的流場有平行流道(CN209515862U)，蛇形流道(CN112103531A)和交指型流道(CN112909285A)。平行流道制造簡單，進出口之間的壓降較低，缺點是水的分布不均勻，在流場內部容易造成水的堆積；蛇形流道的優勢在于具有良好的排水能力，但是在大面積的流場中，進出口之間的壓降很大，增加了損耗的功率；交指型流道能夠讓反應氣體在擴散層中強制對流，加強了流場的排水能力，然而反應物的分布卻不均勻，最終影響到電流輸出的穩定性。

除了常規的流道，新型流道結構也逐漸發展，如仿生流道(CN104821407B)，三維流道(US8445160)等。仿生流道是采用仿生學原理設計的，可以改善電池的性能，目前存在的問題是雙極板制造難度大，成本高。在三維流道中，流體并沒有固定的流道，具有三維流道的雙極板能夠顯著提升水管理能力和氣體輸送效率，但是同樣存在加工過程復雜，成本高等問題。

針對目前雙極板流場結構存在的問題，本發明將特斯拉閥應用到雙極板的流場結構設計中。其中特斯拉閥是1920年Nikola Tesla申請的一個無活動零件閥門的專利（US19160079703 19160221），這是一個固定形狀的單向閥，可以為流經閥門的流體提供從一個方向流動比從另一個方向流動大得多的阻力。特斯拉閥門在微流體控制系統、無移動部件閥門的開發、流體研究等方面具有潛在的應用價值，有重要的研究意義。

描述特斯拉閥單向導通性的參數雙極性（Diodicity），數值上等于逆向流動的壓降與正向流動壓降的比值，表達式為D_i=ΔP_r / ΔP_f其中，D_i代表雙極性Diodicity；ΔP_f為正向流動時特斯拉閥產生的壓降；ΔP_r為逆向流動時特斯拉閥產生的壓降。D_i值越大，意味著逆向流動越困難，閥的單向導通效果就越明顯。