[发明专利]一种可观测流场燃料电池

说明书

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种可观测流场燃料电池，包括两个端板、两个极板组件和膜电极，所述膜电极的两个侧面分别设置有一个极板组件和端板；所述极板组件包括非透明极板、集流板和透明极板，集流板设置于透明极板和非透明极板中间，透明极板上设置有透明流道，非透明极板上设置有与透明流道相配合的非透明流道；所述端板上设置有端板空腔，用于在电堆运行过程中观察极板组件的流道内液态水的运动及分布状态；端板通过螺杆将极板组件以及膜电极压紧、固定。利用本发明的可观测流场燃料电池不限定流场结构，且能满足较高的整体结构可靠性和加工精确度，同时又能够降低电池的内阻和流阻，实验结果的准确度高。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种可观测流场燃料电池。

背景技术

在国际能源紧缺和生态环境恶化的背景下，氢能开发利用是实现低碳转型、落实环境保护的重要途径之一。质子交换膜燃料电池是一种利用氢能发电的能量转换装置，具有零污染、高效率、低噪声的特点，已经受到世界各国政府、企业和研究机构的热切关注。

燃料电池是否能够正常运行极大地受电池内部水平衡的影响，不良的水管理会造成电池的性能下降以及耐久性降低。流场板作为燃料电池电堆的关键部件，优秀的流场设计一方面使得反应气在反应区内的配气更加均匀，另一方面能够避免产生的液态水在流道内过多聚集进而导致电池“水淹”。通过数值模拟手段能够可视化液态水在流场板内的流动及分布状态，但存在边界条件模糊、仿真结果准确度难以保证等问题。因此设计一种可观测流场的燃料电池能够帮助实验人员直接观察、分析流道内液态水的运动行为，进而评估流道结构设计优劣以及提出改进优化的方向。

在现有技术中(CN106887611A和CN212257564U)可观测流场的燃料电池结构设计主要是通过透明端板与镂空金属极板组成可视化装置，通过透明端板观察流体在极板内的流动状态。现有方案通过透明端板与镂空金属极板组成可视化装置，该方案的缺点如下：(1)金属极板镂空部分和透明端板贴合形成流道，金属极板的凸条在首尾两头通过加强筋固定。该方法限制了流道结构设计，即只有在平行直流场下才能满足整体结构的可靠性和加工的精确度；(2)反应产生的电子只能沿着金属极板的凸条汇聚到两侧的加强筋，然后再传导到外围金属边框。该方法造成金属凸条和膜电极是线接触，因此接触电阻较大，进而导致内阻较大、产热多，且金属极板的导热性不如石墨极板，热量不易排出；(3)为了固定金属凸条而在两侧设置加强筋，其所在的过渡区的流通面积显著小于流道区和分/汇流区。该方法导致极板流道内部流阻增加，并且液态水排出受阻，影响实验结果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可观测流场燃料电池，解决现有技术中透明燃料电池设计适用范围窄、可靠性低、观测结果不准确等问题。利用本发明的可观测流场燃料电池不限定流场结构，且能满足较高的整体结构可靠性和加工精确度，同时又能够降低电池的内阻和流阻，实验结果的准确度高。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种可观测流场燃料电池，包括两个端板、两个极板组件和膜电极，所述膜电极的两个侧面分别设置有一个极板组件和端板；

所述极板组件包括非透明极板、集流板和透明极板，集流板设置于透明极板和非透明极板中间，透明极板靠近集流板的一侧为透明极板装配面，所述透明极板装配面上设置有凸台、第一进气通孔和第一出气通孔，凸台设置于透明极板装配面的中间位置，凸台上设置有透明流道，第一进气通孔和第一出气通孔设置于透明极板的两个端部；

非透明极板远离集流板的一侧为非透明极板装配面，非透明极板装配面上设置有与凸台相匹配的极板空腔、非透明流道、与第一进气通孔相匹配的第二进气通孔和与第一出气通孔相匹配的第二出气通孔；所述非透明流道围绕极板空腔进行设置；

所述端板上设置有端板空腔，用于在电堆运行过程中观察极板组件的流道内液态水的运动及分布状态；端板通过螺杆将极板组件以及膜电极压紧、固定。