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CN1933222A - 质子交换膜燃料电池用神经网络分形流道双极板 - Google Patents

质子交换膜燃料电池用神经网络分形流道双极板 Download PDF

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CN1933222A CNA2006101246396A CN200610124639A CN1933222A CN 1933222 A CN1933222 A CN 1933222A CN A2006101246396 A CNA2006101246396 A CN A2006101246396A CN 200610124639 A CN200610124639 A CN 200610124639A CN 1933222 A CN1933222 A CN 1933222A
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罗志平
覃群
潘牧
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Wuhan University of Technology WUT
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Wuhan University of Technology WUT
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Abstract

本发明涉及质子交换膜燃料电池用神经网络分形流道双极板，其极板一面设有用于输送氧化剂气体的阴极流场，另一面设有用于输送燃料的阳极流场，极板上还设有气体进出口、冷却流体进出口，气体进出口附近均存在一个流场过渡区(7)和位于其间的且与之连通的流场反应区(8)；其中，流场过渡区(7)的流道采用了多通道的神经网络分形结构。本发明流场中各流道的长度以及气体在各流道中的流动阻力基本相等，从而有利于气体在流场中的均匀分布和传输，限制了气体在从小面积进气口向大面积反应区传输时形成湍流；同时可以减少双极板入口处的气体压力，避免对质子交换膜造成损坏，因此有利于提高燃料电池运行的稳定性。

Description

质子交换膜燃料电池用神经网络分形流道双极板
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池，特别是涉及一种质子交换膜燃料电池用神经网络分形流道双极板。
背景技术
燃料电池是一种通过化学反应将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能的装置，具有室温下启动快、能量转换效率高、对环境污染小、噪音低等突出优点，在交通、发电、军事、航天航空等领域有着广阔的应用前景。
质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，缩写：PEMFC)以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，铂/碳或铂-钌/碳为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板。
PEMFC的核心部件是膜电极和双极板，其中双极板的设计成本在整个PEMFC的成本中可占到60-70％。双极板的两侧加工有由流道构成的流场，流场的主要功能是引导反应气均匀分配到电极的各处，经电极扩散层到达催化层参与电化学反应。在PEMFC中，电极各处均能获得充足的反应剂，及时把电池生成水排出是保证燃料电池正常运行的关键。因为如果反应剂在电极各处分布不均匀，就会造成电极各处反应的不均匀，从而引起电流密度分布不均匀，导致电池局部过热，降低电池性能并影响电池的寿命。同样，如果阴极生成的产物水不能及时排出，就会造成“水淹”电极的情况，从而会增大气体扩散阻力，形成浓差极化，影响电池性能。因此，流场的设计对PEMFC的性能有着很大的影响。
一个典型的双极板的流场结构通常包括：(1)燃料与氧化剂气体的进气口，用于向燃料电池输送燃料和氧化剂；(2)燃料与氧化剂气体的出气口，用于排出部分燃料和氧化剂气体；(3)流场反应区，与燃料电池扩散层接触，用于电池发电；(4)流场过渡区，指的是在双极板上气体进、出口和流场反应区之间的区域，引导反应气体从进气口向反应区的传输或气体从反应区向出气口的传输；(5)冷却流体(如水)进、出口，用于提供燃料电池所需冷却流体。对于一个形状和大小一定的双极板，必须同时提供燃料、氧化剂和冷却水的进、出口以及上述各孔之间的密封，以致用于供气(燃料或氧化剂)的气体进、出口的面积受到限制。增大双极板中流场反应区的面积，有利于提高电池功率密度，但如果反应区面积过大，就会导致双极板中气体进、出口以及进、出口与反应区相连接的过渡区域的面积过小，势必造成气体分配不均匀等问题。
目前，应用于燃料电池双极板的流场主要有平行流场、蛇形流场等类型。对于平行流场，其多通道的平行流场设计，有利于反应气体在流场中的均匀分配，并且气体在流场中的传输面积大、路程短，因此气体在流场中的传输阻力小，压力分布较均匀。但是，当气体从较小的进气口传输到较大面积的平行流场中时，常常会引起气体在流场中的不均匀分配，并形成湍流，不利于气体的传输。
在蛇形流场的设计中，每条流道从入口到出口一般设计为一个连续的蛇形流道，蛇形流道可以限制气体在从进气口向反应区传输的过程中形成湍流。相对于平行流场而言，气体在蛇形流场中传输面积较小，路程较长，气体在流场中的流速就较大，进出气口间的压差也就较大，有利于燃料电池中反应生成水的排出。但流道过长会造成气体在流道中的传输阻力增大，并且会增加气体沿流道方向的压力差，从而引起流场中反应气浓度的不均匀，导致燃料电池发电不均匀。另外，流道方向压力差的增加，一方面会加大对燃料电池机械方面的要求，如电池的密封、流场的加工等，另一方面对质子交换膜的机械强度也会有很高的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：结合平行流场和蛇形流场的优点，提出一种质子交换膜燃料电池用神经网络分形流道双极板，它具有新型的流道结构，能够限制气体在流场过渡区的流道中形成湍流，促进气体在电极表面的均匀传质，同时可以减少流场中气体进口和出口处的气体压力，避免进、出口处气体压力过大对质子交换膜造成损坏，提高了燃料电池运行的稳定性。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：极板一面设有用于输送氧化剂气体的阴极流场，另一面设有用于输送燃料的阳极流场，极板上还设有气体进出口、冷却流体进出口，气体进出口附近均存在一个流场过渡区和位于其间的且与之连通的流场反应区。其中，流场过渡区的流道采用了多通道的神经网络分形结构。
本发明与现有技术相比，其特点是：双极板上流场过渡区的流道分布采用的是多通道的神经网络分形分布，而不是一般的单一进气口和出气口。因此具有以下的主要优点：
其一.相对于传统的平行流场，本发明中双极板流场过渡区的流道采用了多通道的神经网络分形分布结构，使得流场中各流道的长度和气体在各流道中的流动阻力基本相等，气体通过过渡区的各个分支流道进入流场的反应区，即活化区域时，可以获得均一的流速，有利于气体在流场中的均匀分布，限制了气体由小面积进气口向大面积反应区流动时形成湍流。
其二.采用这种分形结构，同时也可以减少双极板进口和出口处的气体压力，避免进、出口处气体压力过大而对质子交换膜造成损坏，从而提高了燃料电池运行的稳定性。
其三.相对于蛇形流场，本发明在流场反应区采用了平行流场设计结构，可以缩短气体在流场中的传输路程，降低气体在流场中的传输阻力，同时也可以减少双极板气体进、出口间的压力差，有利于气体在流场中的均匀分配。另外，采用神经网络分形结构流场的电池，其密封性也得到了加强。
附图说明
图1是本发明双极板的阴极流场结构示意图。
图2是本发明双极板的阳极流场结构示意图。
具体实施方式
本发明是一种质子交换膜燃料电池用神经网络分形流道双极板，其结构如图1和图2所示：极板一面设有用于输送氧化剂气体的阴极流场，另一面设有用于输送燃料的阳极流场，极板上还设有气体进出口、冷却流体进出口，气体进出口附近均存在一个流场过渡区7和位于其间的且与之连通的流场反应区8。其中，流场过渡区7的流道采用了多通道的神经网络分形结构。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示：一个双极板的流场结构包括设置在正面的用于输送氧化剂气体的阴极流场和设置在反面的用于输送燃料气体的阳极流场，以及设置在极板两端的阴极气体的进口2、出口5和阳极气体的进口3、出口4，还包括设置在极板两端的冷却水的进口1、出口6。阴极气体为空气或氧气，阳极气体为氢气。
本发明的双极板本体为导流流场板。该双极板可由金属材料或石墨材料制成。
阳极流场的结构如图2所示：在阳极板的两端，分别设有氢气进口3、出口4与空气进口2、出气口5，以及冷却水的进口1、出口6。该极板中间的虚线区域为流场反应区域8，流场反应区域8的流道采用了多通道平行流场结构。气体进、出口与流场反应区8之间的虚线区域为流场过渡区7，其流道采用了多通道的神经网络分形式结构，具体地说是：在双极板的进气口和出气口处设计多条主流道，每一条主流道的末端分成两条或多条分支流道，每条分支流道的末端再被分为两条或多条分支流道，以此类推，层层分形前后的流道逐级连接，呈树形结构排列。本例中的气体进、出口处设计有3条主流道，每条主流道的末端细分为两条分支流道，形成6条分支流道，每条分支流道的末端又进一步细分为2条分支流道，分形后的过渡区域的流道是以12条分支流道呈树形结构排列而成。分形后的流场过渡区7的流道与流场反应区域8的流道一一相连，二者流道数量相同，或者二者流道数量也可依据实际需要而定。
阴极流场的结构见图1：其结构同阳极流场，只是进口2、出口5为输送空气或氧气的进口2、出口5。根据需要，阴极流场和阳极流场的结构也可以不完全相同。
本发明的工作过程是：以阳极流场为例，气体通过双极板上的进气口3进入流场，首先经过流场过渡区7，通过分形的流道结构，气体能够均匀、分散的进入流场反应区8，即流场的活化区域参与电池的反应，反应后的气体再通过流场过渡区7从气体出口4流出。本发明所采用的神经网络分形结构使得气体在流场中的流速相等，并且气体在各流道的压力分布也较均匀，因此有利于气体在流场中的均匀分布和传输，限制了气体在流场过渡区中形成湍流，进一步提高了燃料电池运行的稳定性。

Claims (4)

1.一种质子交换膜燃料电池用双极板，极板一面设有用于输送氧化剂气体的阴极流场，另一面设有用于输送燃料的阳极流场，极板上还设有气体进出口、冷却流体进出口，气体进出口附近均存在一个流场过渡区(7)和位于其间的且与之连通的流场反应区(8)，其特征是质子交换膜燃料电池用神经网络分形流道双极板，其流场过渡区(7)的流道采用了多通道的神经网络分形结构。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用双极板，其特征在于：流场过渡区(7)所采用的多通道的神经网络分形结构，其在气体入口处设有若干条主流道，每一条主流道的末端分成两条或多条分支流道，每条分支流道的末端再分为两条或多条分支流道，以此类推，层层分形前后的流道逐级连接，呈树形结构排列。
3.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池用双极板，其特征在于：分形后的流场过渡区的流道与流场反应区的流道一一相连，流场反应区的流道采用了多通道平行流场结构。
4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用双极板，其特征在于：所述质子交换膜燃料电池用双极板由金属材料或石墨材料制成。
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