[发明专利]一种基于正弦波纹的衍生型波纹流场板

说明书

本发明公开了一种基于正弦波纹的衍生型波纹流场板，用于主动式直接甲醇燃料电池的阳极流场板，所述的衍生型波纹流场板设置有流道，所述的流道内设置有扰流结构。所述的扰流结构为规律分布的波纹结构，形成波纹流道。所述波纹结构由两个及以上标准的正弦函数线性相加构成。本发明克服了标准正弦波纹流场存在速度死区的缺陷，提出的衍生型波纹流场增加了扰流结构迎风面的长度，降低了迎风面的曲率变化，减少了背风面的长度，使得CO₂气柱能够充分地贴合壁面，减少了流场内的速度死区，降低了流体动能的耗散和阻力。因此，衍生型波纹流场板中的扰流结构更有利于传质过程的进行，从而提高电池的输出性能。

技术领域

本发明涉及直接甲醇燃料电池技术领域，具体涉及一种基于正弦波纹的衍生型波纹流场板。

背景技术

直接甲醇燃料电池以甲醇为阳极燃料，因其工作温度低(一般在室温工作)、理论比能量高、携带方便和使用安全等特点，应用前景广阔，被业界认为是最有希望率先实现市场化的一类燃料电池。

直接甲醇燃料电池的阳极产物二氧化碳气体，通过多孔气体扩散层进入到流道，若流场内的气体产物未能及时有效脱离和排出，将会直接影响反应物的分布和供给，进而导致电池性能下降，甚至停止工作。因此，产物管理问题一直是直接甲醇燃料电池亟待解决的技术难题，不容忽视。

目前，绝大多数研究人员在解决产物管理问题时都是从催化层、扩散层的结构着手解决。对于流场板的研究大部分集中于流场宏观形状和整体分布的优化，较少涉及流道本身的几何构型。

现有的一种波纹流场板(CN109390603A)，该波纹流场板中的扰流结构使得流道的壁面速度梯度增加，进而增加了璧面的剪切速率，加速了阳极侧的生成物——二氧化碳气体的排放，缓解阳极侧因二氧化碳气体堵塞所导致的燃料供给不足,电池性能下降的情况。然而，该波纹流道的壁面轮廓函数为标准的正弦式表达式，即A·sin(ωt+φ)，通过可视化实验研究发现，标准正弦流场会不可避免地出现气泡轮廓不贴合流道壁面的情况，产生了较大范围的速度死区。针对上述缺陷，使用数码显微镜对流场中间处的气柱拍摄记录，然后选取部分CO₂气柱轮廓变形明显的区域，作为改进设计的依据。对此段轮廓进行等距取点，每两点间的相隔距离为0.06mm，最终得到一系列离散点的坐标值。利用C语言编写拟合运行脚本，使用1stopt软件对离散点进行曲线拟合。气柱轮廓的拟合目标方程函数如下：是由两个及以上标准的正弦函数线性相加构成的。拟合结果中，残差平方和均小于4·10^-6，残差平方和的值是通过拟合数据和原始数据之间误差的平方求和得出的。同时，相关系数均大于0.9999，表明了拟合数据和原始数据高度相关性，表明拟合出的函数方程对原CO₂气柱轮廓离散点的解析能力较强。

发明内容

为了有效缓解主动式直接甲醇燃料电池阳极侧产物气体堵塞流场的现象，强化传质过程，进一步提高电池的输出性能。本发明公开了一种基于正弦波纹的衍生型波纹流场板。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种基于正弦波纹的衍生型波纹流场板，用于主动式直接甲醇燃料电池的阳极流场板，所述的衍生型波纹流场板设置有流道，所述的流道内设置有扰流结构，所述扰流结构为波纹结构。

优选的，所述波纹结构包括两个及以上的标准正弦函数线性相加构成，波纹结构的几何特征函数为：其中a、b、c、d、x₁～x₄、w₁～w₄为常数。

优选的，所述的衍生型波纹流场板的材料为导电、耐腐蚀材料。

优选的，所述的导电材料包括碳材料、金属、合金、不锈钢导电材料以及导电、耐腐蚀的复合材料。

优选的，所述衍生型波纹流场板表面的表面粗糙度最高为Ra0.4。

优选的，所述流道的表面粗糙度最高为Ra0.8。