[发明专利]液体燃料电池中具有竖琴状流场结构双极板及设计方法

说明书

本发明属于燃料电池技术领域，公开了一种液体燃料电池中具有竖琴状流场结构双极板及设计方法，燃料电池的流道结构采用仿生原理，利用竖琴状生物的身体形状，制作成阳、阴极板的流道，使燃料电池的燃料和氧化剂大面积地与膜电极接触，稳定燃料和氧化剂在流道中的流动，减小燃料和氧化剂在流道中的流动阻力，增加压降，使燃料和氧化剂在膜电极的表面均匀分布。本发明能够从技术原理上解决燃料电池性能提高的问题，为燃料电池的商业化应用提供理论技术支持，加速燃料电池商业化应用，本发明减小了燃料和氧化剂在流道中的流动阻力，合理增加压降，促使燃料和氧化剂在电极的表面均匀分布，提高电池的性能。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种液体燃料电池中具有竖琴状流场结构双极板及设计方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：

自工业化革命以来，随着化石能源等传统能源的大量开采和利用，能源枯竭和环境污染问题开始陆续出现，并已成为当今世界所面临的两大重大挑战性课题，世界各国的科学家开始致力于研发和推广绿色清洁能源来取代传统的能源，以缓解能源危机和保护环境。随着科技的发展，便携式电子产品在全球已经普及，但产品外型的日趋短小轻便以及功能的日渐复杂也给电子产品的电池带来了严重的挑战，现有的电池技术已经无法满足便携式电子产品日渐增长的能耗需求，而太阳能、风能、水力发电、生物能源、地热发电等电能无法应用于移动及便携式电子设备上。因此亟待需要开发新型能源和电池来取代传统的能源与电源。

燃料电池是一种环境友好、高效的发电装置，它可将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，不受卡诺循环的限制，能量转化效率高，对环境无污染和能小型化等特点，因此受到各国科学家的青睐，成为21世纪取代传统能源、保护生态环境、解决能源危机和能够应用于小型电子设备上的重要能源之一。所以研究燃料电池对于保护生态环境具有重要的生态意义，对于保障国家的能源安全具有重要的战略意义。

燃料电池由含催化剂的阳极、阴极和离子导电的电解质构成，按电解质类别可以划分为磷酸型燃料电池、固体氧化物燃料、碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池因为能量转换率更高、能量比更大、结构简单、移动性好、持久耐用、环境友好和模块化等特点，因此具有广阔的应用前景，已被公认为电动汽车、区域性电站、航天器和各种小型移动设备的首选能源。质子交换膜燃料电池根据所用燃料的种类，分为以氢气为燃料的氢燃料电池和以醇类、酸类等为燃料的液体燃料电池两大类。

在液体燃料电池中，双极板是燃料电池关键部件之一，它负责分配电池所需燃料和氧化剂，其流场结构特性直接影响燃料电池的性能。燃料电池中双极板的流场结构设计是否合理，不但会影响电池的发电性能，而且还会影响燃料电池运行的稳定可靠性及寿命。理想的燃料电池双极板流场设计应该使整个导流场中的燃料与空气中的氧气向电极传质均匀，而且又可以将电极反应生成的产物水及时带出，否则，将导致整个双极板的电流密度、功率密度和发热量分布的不均匀，造成局部过热、失水，直接影响到电池的运行性能。另外双极板槽道的设计，单从气体或液体分配的角度看，槽道中的流动阻力越小越好。液体燃料电池传统的流场结构主要有点状流场、网状流场、平直并联流场、蛇形流场和交指形状流场。点状流场在流体经过流场时易发生短路，流体分布不均匀，不利于液态水排出，会影响电池性能；网状流场流体分布较均匀，有利于反应气传质，减少浓差极化，但金属网的防腐工艺很难，而且阻力降较高；交指形状流场，在很大程度上提高了电池比功率，强化了扩散层的传质能力和扩散层内水的排出，但反应物在电极各处分布不均匀；平直并联流道中电解液的流程较短、流动阻力较小，但是电解液分布不均匀，影响了电池的性能；蛇形流场是目前最流行的一种流场结构，电解液分布均匀，但是其流程较长，流动阻力较大，也对电池性能产生不利影响。

因此迫切需要发明一种新型的流场结构，从工作原理上克服上述流场结构的缺陷。

综上所述，现有技术存在的问题是：