[发明专利]一种自适应流场调控式燃料电池极板结构

说明书

本发明公开了一种自适应流场调控式燃料电池极板结构，包括基板，所述的基板上设有多个平行排列的微流道；所述的基板上设有流体入口和流体出口，所述的多个平行微流道的前端设有一个流体入口通道，所述的多个微流道的后端设有一个流体出口通道，且流体入口方向和流体出口方向分别与微流道的前端和后端的夹角为3‑7°；所述的微流道内置有柔性金属片；所述的柔性金属片在受到经过微流道的流体作用时能够产生二维或三维结构形变。本发明的自适应流场调控式燃料电池极板结构能根据实际工况条件发生相应的功能形变，最大程度地增强了流场的空间对流效应，保证了反应位点反应物的均匀分布，有效地减少了反应产物堆积，同时利用极板结构的调控功能增强流场的局部湍流强度，减小流场的热边界层厚度，从而显著提高散热效率。

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，具体涉及一种自适应流场调控式燃料电池极板结构。

背景技术

质子交换膜燃料电池采用可传导离子的聚合膜作为电解质，所以也叫聚合物电解质燃料电池(PEMFC)、同体聚合物燃料电池(SPFC)或固体聚合物电解质燃料电池(SPEFC)。因其具有高输出密度、无污染、能量转化效率高等优点，且不受卡诺循环限制，被广泛应用于汽车能源、固定式基站及便携式移动设备等领域。

双极板是质子交换膜燃料电池核心部件之一，占据了电池组很大一部分的质量，且承担着均匀分配反应气体、传导电流等功能。为了满足这些功能需要，理想的双极板应具有高的热/电导率、耐蚀性、低密度、良好的力学性能以及低成本、易加工等特点。极板结构可将反应气体供应到相应的反应位点，并去除反应产物和热量，具有传质和传热的双重功能。性能良好的极板结构具有以下特点：(1)良好的传质性能(反应气体被均匀传输分配)；(2)高输水性(将积水区域的水排出)；(3)高传热效率(温度分布趋向均匀)。为保证在多变工况条件下电池高性能输出，设计出自适应流场调控式燃料电池极板结构具有重要意义。

目前，传统三维流场的气流导向单一，往往存在反应位点反应物分配不均，水热管理能力不佳的现象，易导致燃料电池输出性能失衡，甚至造成系统的崩溃。本发明专利提供一种自适应流场调控式燃料电池极板结构，微流道结构内置的柔性金属片具有形变和导流功能，能基于流场的速度矢量发生结构自适应性形变。相较于传统燃料电池极板结构，自适应流场调控式燃料电池极板结构有效增强了流场空间的对流效应，显著提高双极板传质传热性能，同时增强了流场的水热管理能力。

发明内容

本发明的目的在于克服传统极板结构的不足之处，提供一种自适应流场调控式燃料电池极板结构，利用极板结构的调控功能增强流场空间对流效应，解决在多变工况中电池传质传热性能差的问题。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种自适应流场调控式燃料电池极板结构，包括基板，所述的基板上设有多个平行排列的微流道；所述的基板上设有流体入口和流体出口，所述的多个平行微流道的前端设有一个流体入口通道，所述的多个微流道的后端设有一个流体出口通道，且流体入口方向和流体出口方向分别与微流道的前端和后端的夹角为3-7°；所述的微流道内置有柔性金属片；所述的柔性金属片在受到经过微流道的流体作用时能够产生二维或三维结构形变。

在本发明一较佳实施例中，所述的基板上设有一个长方形凹槽，所述的多个平行排列的微流道位于该长方形凹槽内，所述的流体入口和流体出口分别位于长方形凹槽延对角线方向的两个顶点位置；所述的流体入口和流体出口分别位于长方形凹槽的两个长边，所述的流体入口通道和流体出口通道分别位于凹槽的两侧；所述的流体入口通道顺着流体的流入方向逐渐变窄，所述的流体出口通道顺着流体的流出方向逐渐变宽；所述的多个微流道的进口与流体入口通道连通，所述的多个微流道的出口与流体出口通道连通。

反应气体先由流体入口处流入，后较为均匀地流入所述微流道，燃料电池极板结构中的所述柔性金属片根据流场实际工况条件发生相应的功能形变，改变反应气体的流动角度，使流场形成二次流现象，增强了流场对反应气体的运输性能，同时强化了散热效果。