风冷燃料电池阴极流场板

1.本发明属于风冷燃料电池技术领域，特别是一种风冷燃料电池阴极流场板。


背景技术：

2.氢气为燃料的质子交换膜燃料电池近年来受到长足发展。质子交换膜燃料电池在许多领域都有广泛的应用，如新能源汽车、固定式电站以及无人飞行器等。
3.质子交换膜燃料电池按照冷却方式可分为空气冷却、液体冷却、散热器冷却和相变冷却等。空气冷却方式，也称为风冷，主要应用于小功率燃料电池，功率从100w到2kw均可采用。空气冷却的主要手段是利用大阴极流量带走电池中多余的热量以保证电池工作在理想温度区间。其主要优点是结构简单、无需额外的冷却部件，极大地简化了传统燃料电池的空气供给、冷却等子系统，显著降低了系统总质量，提高了功率密度及质量功率密度，在便携式移动电源领域特别是无人机领域应用潜力巨大。
4.对于风冷式燃料电池，大多数阴极气流用于带走多余热量，小部分空气用于提供氧参与电极反应。此外，与液态水相比，空气导热系数和比热容都较低，因此为保证电池工作在理想温度区间内阴极需要供入过量的空气。若空气流速过低，则电池不能得到有效冷却，电池内部过高温度会引起膜电极组件水分快速流失，从而可能使交换膜失水，质子传输阻力增加，电池性能下降。另一方面，如果空气流速过高，虽可以保证散热性能，但是由于大气湿度一般较低，加上极高的空气流速，同样会带走大量的水分，最终导致膜电极组件脱水，质子传输阻力增加，电池性能下降。冷却效果和保水的矛盾是风冷式质子交换膜燃料电池亟待解决的技术问题之一。
5.无人机作为风冷燃料电池的一个典型应用场景，其对电池的质量更为敏感。与液体冷却燃料电池相比，空气冷却燃料电池通过降低自重和寄生功率从而大幅提升续航能力，是解决传统锂电池无人机续航问题的最优方案。因为风冷燃料电池阴极气流来源一般为大气环境，在无人机运行工况下，空气的物理特性会随着海拔高度的改变而变化，进而影响风冷燃料电池的性能。其中的一个主要因素是氧气含量随海拔升高而显著降低，此时燃料电池若运行在高电流密度区间则可能因为氧气供应不足而产生较大的传质损失。
6.而现有技术无法有效、全面地解决上述风冷燃料电池领域存在的散热保水矛盾以及空气组分随海拔变化的技术问题。专利(申请公布号：cn 114695912 a)提出了一种交错布置渐缩段流场板设计，其主要应用于液冷燃料电池领域，解决的是液冷燃料电池中流场流道的排水效率低的技术问题，这与风冷燃料电池的高保水技术需求相矛盾，无法应用。而专利(申请公布号：cn 211428275 u)提出了一种脊背开槽的燃料电池双极板设计，其同样应用于液冷燃料电池领域，主要设计意图是解决反应气体分布不均匀问题。由于其开槽尺度较小，无法有效满足风冷燃料电池提高质量功率密度的需求。相较于已申请的专利而言，本发明所提出的一种包含交错布置渐缩段和开槽设计的流场板结构可以增加散热面积和提高冷却气流流速以达到提升散热效果的目的，从而提高质子交换膜的保水，同时，交错布置渐缩段和开槽设计相配合可以促进组分向反应部位传输及均匀分布，有效的解决上述风
冷燃料电池技术领域存在的散热保水以及空气组分随海拔变化的技术问题。此外，开槽设计缓解了布置渐缩段带来的电池质量增加问题，提升了风冷燃料电池质量功率密度。
7.在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。


技术实现要素：

8.针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种风冷燃料电池阴极流场板,解决现有的风冷燃料电池阴极流场难以兼顾冷却和保水的技术问题，缓解高海拔等条件下运行可能产生的氧气供应不足的问题，同时增强风冷燃料电池在无人机等对重量较为敏感的应用场景下的适用性。
9.本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种风冷燃料电池阴极流场板包括沿气流方向延伸的多个流道和沿气流方向延伸的多个流场脊背，所述流道和所述流场脊背在垂直于气流方向上交替设置，所述流道包括流道入口、流道出口以及在流道入口与流道出口之间沿气流方向分布的多个渐缩段，所述渐缩段在相邻流道间交错布置，所述流场脊背的侧面沿气流方向分布多个开槽，所述开槽在垂直于气流方向上贯穿风冷燃料电池阴极流场板。
10.所述的风冷燃料电池阴极流场板中，所述开槽在垂直于气流方向上对齐所述渐缩段。
11.所述的风冷燃料电池阴极流场板中，所述渐缩段长度为3mm-8mm，垂直于气流方向的宽度占所述流道宽度的30％-70％。
12.所述的风冷燃料电池阴极流场板中，所述渐缩段沿气流方向上的收缩角度为15
°‑
75
°
。
13.所述的风冷燃料电池阴极流场板中，每个流道的渐缩段数目为3-10个。
14.所述的风冷燃料电池阴极流场板中，所述流道上的相邻的渐缩段之间的距离为相邻流道的渐缩段长度。
15.所述的风冷燃料电池阴极流场板中，所述开槽位于流场脊背的侧面的高度为流道高度的30％-70％，所述开槽的长度与所述渐缩段长度相同。
16.所述的风冷燃料电池阴极流场板中，所述开槽数目与所述渐缩段数目相同，所述开槽沿气流方向上的间隔距离为渐缩段长度。
17.所述的风冷燃料电池阴极流场板中，所述开槽为矩形或梯形。
18.所述的风冷燃料电池阴极流场板中，所述流道是平行直流道，流道截面为矩形或梯形。
19.和现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明通过增加冷却气流流速和流场板与冷却气流之间的接触面积而提升热量交换速率，可以在不增加进气流量的前提下提升冷却性能，从而达到提高膜含水量的目的。同时，交错布置渐缩段和开槽设计有助于促进氧气向反应部位的运输，同时提高氧气在反应部位的分布均匀性，可以显著减小风冷燃料电池在如高海拔等氧气缺乏条件下的传质损失。最后，通过开槽设计可以减小流场板质量，缓解布置渐缩段带来的流场板质量增加的问题，提升风冷燃料电池质量功率密度，提高移动设备续航能力。
附图说明
20.通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
21.在附图中：
22.图1是根据本发明一个实施例的风冷燃料电池阴极流场板的结构示意图；
23.图2是根据本发明一个实施例的风冷燃料电池阴极流场板和现有的平行流场板在不同运行条件下极化曲线及质量功率密度曲线图；
24.图3是根据本发明一个实施例的风冷燃料电池阴极流场板和现有的平行流场板在高海拔条件下的阴极催化层-气体扩散层交界面氧气含量云图；
25.图4是根据本发明一个实施例的风冷燃料电池阴极流场板和现有的平行流场板在低阴极气流速度下催化层-气体扩散层交界面平均温度曲线图；
26.图5是根据本发明一个实施例的风冷燃料电池阴极流场板和现有的平行流场板在低阴极气流速度下的膜水含量云图。
27.以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
28.下面将参照附图1至图5更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
29.需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
30.为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
31.为了更好地理解，在一个实施例中，如图1所示，风冷燃料电池阴极流场板包括多个流道1和流场脊背2，所述流道1和所述流场脊背2交替设置，所述流道1包括流道1入口、出口。所述流道1沿气流方向布置渐缩段3，所述渐缩段3在相邻流道1间交错布置。所述流场脊背2沿气流方向布置开槽4，所述开槽4垂直于气流方向且横向贯穿流场板。
32.所述渐缩段3长度大约为3mm-8mm，垂直于气流方向大约占据所述流道1宽度的30％-70％，数目为3-10个。此设计可以增加冷却气流流速和增加冷却气流与流场板接触面积从而达到提高冷却效果的目的。
33.所述渐缩段3沿气流方向收缩角度大约为15
°‑
75
°
，各渐缩段3沿气流方向均匀分布。
34.所述渐缩段3在所述相邻流道1间交错距离为一个所述渐缩段3长度，以保证在相邻流道1间诱导足够强度的横向流动以增强传质。
35.所述开槽4位于流道1顶部至流道1底部之间，高度大约为流道1高度的30％-70％，长度与所述渐缩段3长度相同，此设计可以显著减轻流场板质量，同时使相邻流道1间可以进行物质交换以保证组分分布均匀性。
36.所述开槽4数目与所述渐缩段3数目相同，沿气流方向间隔距离为所述渐缩段3长度。
37.所述开槽4为矩形或梯形。
38.所述电池流道1是平行直流道1，流道1截面为矩形、梯形。
39.沿气流方向布置渐缩段3和开槽4结构有利于强化冷却效果，提高质子交换膜水含量，从而降低质子传导损失使得风冷燃料电池性能得以提升。除此之外，交错布置渐缩段3和布置开槽4结构有助于促进反应组分向反应位置传输及均匀分布。同时，开槽4结构降低了电池质量，可进一步提升质量功率密度，增强了其在无人机等对重量较为敏感的应用场景下的适用性。
40.作为实施例，阴极流场板长度为70mm，宽度为7mm，厚度为1.25mm。流道1长度为70mm，宽度为1mm，高度为1mm。脊部宽度为1mm。所述的渐缩段3长度为5mm，沿气流方向收缩角度为45
°
，沿垂直气流方向占据所述流道1宽度的50％。所述的渐缩段3数目为6个。所述的开槽4为矩形。所述的开槽4下表面和流道1下表面平齐，高度为流道1高度的70％。所述的电池流道1为矩形截面。
41.为了进行实施效果的对比，实施例采用2块风冷质子交换膜燃料电池，其中一块阴极流场采用本发明提出的结构，另一块采用未经优化的传统平行流场结构。这两块电池除了阴极流场结构形式不同以外，其余结构及材料完全相同。此外，阴极流道1的流道1长度、宽度、高度和沟脊比等均保持一致。
42.两块电池在相同工况下进行测试：实施例包含三种工况，第一种工况模拟地面工作条件，阴极进气化学计量比为80；第二种工况模拟高海拔工作条件，海拔高度为8km，根据国际标准大气模型，此海拔下大气中氧气分压为0.07个标准大气压，相较于水平面下降66.7％，故此时若电池运行在高电流密度区可能产生较大的传质损失。第三种工况模拟低阴极气流流速工作条件，阴极进气化学计量比为50，此时阴极流速较小，可能出现散热效率不够，质子交换膜失水的情况。实施例均以恒电流模式运行，采用绝热边界条件，阴极通入的空气湿度为40％，阳极通入的氢气湿度为0，阳极化学计量比为2，阴阳极的出口压力均为当地大气压力。
43.附图2给出了阴极流场板采用传统平行流场板和本发明所提出的轻量化流场板的风冷燃料电池的极化曲线和质量功率密度曲线的对比。可以看出，在高电流密度区，不同工作条件下本发明提出的新型流场设计均可以显著提升风冷燃料电池性能。以电流密度为1.1a cm-2
为例，在地面、高海拔和低阴极流速三种工作条件下，采用本发明所提出的流场板时相比于传统平行直流道1流场板输出电压分别提高了12.26％，20.49％和15.8％。这主要是由于布置渐缩段3和开槽4设计强化了冷却能力，提高了风冷燃料电池质子交换膜水含
量，从而减小了传质损失。这一结论可由低阴极气流流速下电池内部温度曲线和质子交换膜水含量分布云图佐证，分别如附图4和附图5所示。其中附图4为低阴极气流流速下电池内部平均温度与电流密度之间的关系，可以看到采用新型流场板时，电池内部温度明显降低，且降低幅度随电池密度增加而提高。因为随着电池密度增加，电极反应速率加快，产热量增加，本发明提出的新型设计强化散热的优势得以凸显。附图5对应低阴极气流流速下1.1a cm-2
时质子交换膜中间部位含水量云图，可以看出采用新型流场时，质子交换膜含水量显著提升。不仅如此，交错布置渐缩段3和开槽4有助于增强空气向催化层的运输，进而提升了催化层氧气浓度。这一结论可由附图3中高海拔条件下催化层与气体扩散层交界面氧气浓度分布云图佐证，附图中电流密度为1.1a cm-2
，由附图可以看出采用传统流场时氧气浓度沿气流方向降低，而采用新型流场时该降低趋势有所缓解，在流场尾端还有较大的氧气浓度，且平均氧气浓度提升了4.17％。此外，由于开槽4设计减小了风冷燃料电池质量，所以采用本发明的设计，风冷燃料电池质量功率密度有显著提升，三种工作条件下分别提高了15.21％，23.61％和18.88％。
44.本发明显著提高冷却气流与流场板接触面积，从而有效降低电池内部温度，从而达到了提高风冷燃料电池质子交换膜水含量的目的。交错布置渐缩段3通过在相邻流道1间诱导产生压强差，进而在气体扩散层产生横向流动，直接高效地促进反应气体向反应部位的传输。贯穿式开槽4解决了交错布置渐缩段3带来的电池质量增加、流道1内组分分布不均的问题，使其更加适用于风冷燃料电池要求轻量化的应用场景。相比于传统平行流场板，提高了风冷燃料电池保水能力，同时强化了传质能力，并且通过降低极板质量使电池质量功率密度得以提升，增强了风冷燃料电池在无人机等对重量较为敏感的应用场景下的适用性。
45.尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

技术特征：
1.一种风冷燃料电池阴极流场板，其特征在于，其包括沿气流方向延伸的多个流道和沿气流方向延伸的多个流场脊背，所述流道和所述流场脊背在垂直于气流方向上交替设置，所述流道包括流道入口、流道出口以及在流道入口与流道出口之间沿气流方向分布的多个渐缩段，所述渐缩段在相邻流道间交错布置，所述流场脊背的侧面沿气流方向分布多个开槽，所述开槽在垂直于气流方向上贯穿风冷燃料电池阴极流场板。2.根据权利要求1所述的风冷燃料电池阴极流场板，其特征在于，优选的，所述开槽在垂直于气流方向上对齐所述渐缩段。3.根据权利要求1所述的风冷燃料电池阴极流场板，其特征在于，所述渐缩段长度为3mm-8mm，垂直于气流方向的宽度占所述流道宽度的30％-70％。4.根据权利要求1所述的风冷燃料电池阴极流场板，其特征在于，所述渐缩段沿气流方向上的收缩角度为15
°‑
75
°
。5.根据权利要求1所述的风冷燃料电池阴极流场板，其特征在于，每个流道的渐缩段数目为3-10个。6.根据权利要求1所述的风冷燃料电池阴极流场板，其特征在于，所述流道上的相邻的渐缩段之间的距离为相邻流道的渐缩段长度。7.根据权利要求1所述的风冷燃料电池阴极流场板，其特征在于，所述开槽位于流场脊背的侧面的高度为流道高度的30％-70％，所述开槽的长度与所述渐缩段长度相同。8.根据权利要求1所述的风冷燃料电池阴极流场板，其特征在于，所述开槽数目与所述渐缩段数目相同，所述开槽沿气流方向上的间隔距离为渐缩段长度。9.根据权利要求1所述的风冷燃料电池阴极流场板，其特征在于，所述开槽为矩形或梯形。10.根据权利要求1所述的风冷燃料电池阴极流场板，其特征在于，所述流道是平行直流道，流道截面为矩形或梯形。

技术总结
公开了一种风冷燃料电池阴极流场板，风冷燃料电池阴极流场板中沿气流方向延伸的多个流道和沿气流方向延伸的多个流场脊背，所述流道和所述流场脊背在垂直于气流方向上交替设置，所述流道包括流道入口、流道出口以及在流道入口与流道出口之间沿气流方向分布的多个渐缩段，所述渐缩段在相邻流道间交错布置，所述流场脊背的侧面沿气流方向分布多个开槽，所述开槽在垂直于气流方向上贯穿风冷燃料电池阴极流场板。阴极流场板。阴极流场板。


技术研发人员：张剑飞 李炜 屈治国 张国宾 田地
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/7/25