[发明专利]一种渐缩式平行蛇形流道结构及质子交换膜燃料电池

说明书

本发明公开了一种渐缩式平行蛇形流道结构及质子交换膜燃料电池。流道形状根据平行蛇形流道进行改进，主流道上表面为波浪状结构，主流道下表面以及转弯区域表面为水平结构；所述流道为平行蛇形流道的改进；流道沿气体流动方向转向时合并，流道数按1/n倍数递减；本发明流道结构设计简单，易于加工且成本较低；流道结构波浪状设计能够有效促进流道气体扩散，更多氧气进入催化层，增大电流密度，同时也改善了阴极的排水效果；渐缩式流道有效增大近出口流道处反应气体浓度，这提高了近出口处催化层铂利用率，均匀了电流密度分布。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池流道结构，具体涉及一种基于平行蛇形流道改进的，波浪强化传质的渐缩式平行蛇形流道。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将燃料的化学能转化为电能的装置。它具有清洁无污染、能量转换效率高、电流密度大、无噪音污染、可靠性高、资源丰富等优点，被广泛认为是最有前景的发电技术。燃料电池的流道具有运输反应气体、排出液态水的重要作用。合理的质子交换膜燃料电池流道设计，可以在很大程度上解决反应气体分布不均匀，阴极水淹等问题，可以提高质子交换膜燃料电池的性能，延长使用寿命。

然而，传统的流道(如图1、2和3所示的平行流道，平行蛇形流道，叉指形流道等)大多存在压降过大，容易水淹或者近出口处电流密度过低，铂利用率较低以及电流分布不均匀等问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本发明设计了一种渐缩式平行蛇形流道结构及应用该流道结构的质子交换膜燃料电池。主流道上表面为波浪纹结构，强化了流道内气体的运输作用，增大了电流密度。逐渐合并的流道增大了近出口区域的反应气体浓度，解决了流道内反应气体不均匀的问题，也提高了近出口区域铂的利用率，提高电流密度分布的均匀性。

本发明所采用的技术方案如下：

一种具有渐缩式平行蛇形流道结构的燃料电池，包括多组流道，所述流道设置在膜电极外侧，所述流道是由多根侧流道和多根主流道构成；主流道的端部通过侧流道连接，实现气体转向；在气体流动方向转向时合并，流道数按1/n倍数递减，故流道呈平行蛇形流道设计，n≥2。

进一步，沿流动方向，主流道的上表面为波浪状结构，主流道下表面以及转弯区域表面为水平结构；

进一步，所述主流道上表面的波浪状结构的线型采用正弦函数设计。

进一步，所述主流道上表面波浪状的结构所采用的正弦函数表示为：

y＝a*sin(ω*x+b)+c

其中，y为主流道上表面波浪状结构曲线上的任一点的高度，x为流道长度，a为振幅，ω为曲线的角频率，b为初始相位，c为常系数。

进一步，流道宽度小于3mm，流道最大深度小于3mm，最小深度小于2mm；上述方案中，脊的宽度小于3mm。

进一步，设置多组流道，流道在膜电极上呈矩形布置。

一种具有渐缩式平行蛇形流道结构的质子交换膜燃料电池，在膜电极的两侧均设置渐缩式平行蛇形流道结构，两侧的渐缩式平行蛇形流道结构分别为阳极流道和阴极流道，阳极流道与阴极流道气体流动方向采用逆流式；由气体扩散层、催化层关于质子交换膜中心对称构成所述膜电极(1)。

本发明的有益效果：

(1)主流道上表面采用波浪状结构，增加了气流在流道中的扰动，强化了流道内气体的运输作用，使反应气体更容易进入电池内部，增大了电流密度；

(2)逐渐合并的流道增大了近出口区域的反应气体浓度，有效缓解了流道内反应气体不均匀的问题，也提高了近出口区域铂的利用率，提高电流密度分布的均匀性；