[發明專利]一種仿生鱗片式燃料電池三維流場結構

在審

• 申請號: 202210932081.3
• 申請日: 2022-08-04
• 公開（公告）號: CN115101773A
• 公開（公告）日: 2022-09-23
• 發明（設計）人: 汪延成;周彩瑩;梅德慶;宣凌鋒;藍錦偉;毛文澤
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01M8/0258
• 分類號: H01M8/0258;H01M8/026
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發明公開了一種仿生鱗片式燃料電池三維流場結構。包括雙極板本體和反應氣體擴散層，反應氣體擴散層緊貼在雙極板本體底部，雙極板本體頂端面上設置有多列鱗片式流場單元組，每列鱗片式流場單元組由多個等間距排列的鱗片式流場單元組成，且相鄰兩列鱗片式流場單元組交錯排列，沿著反應氣體流動的方向上，多列鱗片式流場單元的體積依次逐漸增大，且鱗片式流場單元的內壁分布有多條微流道。本發明通過改變鱗片式流場單元的大小及排布，促進反應氣體的擴散與對流，改善反應氣體分布的均勻性；鱗片式流場單元內壁微流道的毛細作用促進了流道內殘留液滴水的排出，增強燃料電池陰極的排水性能，提升燃料電池的發電性能與耐久性能。

技術領域

本發明涉及了燃料電池領域的一種三維流場結構，尤其涉及一種仿生鱗片式燃料電池三維流場結構。

背景技術

隨著化石能源的不斷消耗和環境污染問題的日益加劇，發展清潔高效的新能源成為全球面臨的重要議題。質子交換膜燃料電池PEMFC具有零排放、零污染、功率密度高等優點，已成為能源領域的研究重點。

雙極板是質子交換膜燃料電池PEMFC的重要部件之一，其主要作用包括為膜電極提供機械支撐、輸送反應氣體、傳導電流以及排出燃料電池內部生成的液態水。雙極板的流場設計是影響反應氣體分布均勻性和電化學反應速率的關鍵因素。不合理的流場結構設計很容易出現傳質效率低、反應氣體分配不均和水淹等問題，進而影響電池的壽命和輸出性能。

常見的雙極板流場結構主要分為蛇形流場、平行流場和叉指形流場等。其中，蛇形流場流道內氣體流速高，更易吹走反應生成的液態水，避免了液態水的積聚與堵塞。但其通道過長且存在較多轉彎，會增加流場壓降，產生額外的功率損失，且容易出現流道末段氣體濃度不足而導致電流密度過低的問題。平行流場流道長度較短，因此流道內部的壓降較小，但其存在氣體流速較低而容易出現液態水或者雜質聚集無法排出、堵塞流道等問題。叉指形流場的特點是流場內存在死端，可以增強反應氣體的強制對流，但同時也會造成很大的壓降，進而產生不必要的寄生功率損失。

基于以上幾種常見流場的局限性，開發出新型流場結構，使其兼具良好的傳質及排水效果、優異的發電性能以及適中的流場壓降等優點，成為亟待解決的問題。

發明內容

為了解決背景技術中存在的問題，本發明提供了一種仿生鱗片式燃料電池三維流場結構，通過改變流場單元的排布及其上的微織構形貌，增強流場傳質性能，促進反應氣體的擴散與對流且促進雙極板上殘留液滴水的排出，進而提高燃料電池的效率以及電流密度。

本發明采用的技術方案是：

本發明包括雙極板本體和氣體擴散層，所述氣體擴散層緊貼在雙極板本體底部，所述雙極板本體頂端面上設置有多列相互平行的鱗片式流場單元組；

每列所述鱗片式流場單元組均是由多個相同的鱗片式流場單元等間距依次排布組成，且相鄰兩列鱗片式流場單元組中的鱗片式流場單元交錯排布，所述雙極板本體頂端面上設置的多列鱗片式流場單元組沿反應氣體流向依次為兩列第一鱗片式流場單元組、多列第二鱗片式流場單元組、一列第三鱗片式流場單元組、一列第四鱗片式流場單元組和一列第五鱗片式流場單元組；且第一鱗片式流場單元組的鱗片式流場單元、第二鱗片式流場單元組的鱗片式流場單元、第三鱗片式流場單元組的鱗片式流場單元、第四鱗片式流場單元組的鱗片式流場單元和第五鱗片式流場單元組的鱗片式流場單元的體積依次逐漸增大，形成仿生鱗片式的三維流場結構；

在雙極板本體上的所述兩列第一鱗片式流場單元組所在的區域形成入口分配區，所述多列第二鱗片式流場單元組所在的區域形成中間反應區，所述一列第三鱗片式流場單元組、一列第四鱗片式流場單元組和一列第五鱗片式流場單元組所在的區域形成出口區；使得反應氣體經入口分配區流入中間反應區后由出口區流出。

第一鱗片式流場單元組的鱗片式流場單元、第二鱗片式流場單元組的鱗片式流場單元、第三鱗片式流場單元組的鱗片式流場單元、第四鱗片式流場單元組的鱗片式流場單元和第五鱗片式流場單元組的鱗片式流場單元均具有相同的結構且豎直高度均相同；