[发明专利]一种螺旋型挡板燃料电池流场结构

说明书

本发明涉及一种螺旋型挡板燃料电池流场结构，包括流场和设于流场内的多个螺旋型挡板，多个螺旋型挡板分别位于流场内壁上的一条圆柱螺旋轨迹上，圆柱螺旋轨迹的轴线与流场轴向平行，多个螺旋型挡板沿流场轴向间隔固接于流场内壁。气体在流场内的流通截面积产生大小交替的周期性变化，使得气体在穿过膜电极平面方向上持续产生强制对流；具有倾斜角的螺旋型挡板与气体流动方向之间的夹角将会引导气体向流场的一侧流动，即螺旋型挡板会引导气体在垂直于气流方向的沿平面方向上流动，从而在该方向上引发强制对流。可以显著降低流场的压降，降低了泵气系统的能耗，加强了脊区域的除水能力，避免了脊区域下的液态水累积，提升燃料电池的水管理能力。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种螺旋型挡板燃料电池流场结构。

背景技术

燃料电池作为一种将燃料中的化学能转换为电能的装置，其有着运行温度低，低污染，低噪音，高功率密度，高能量转化率，启动时间短，对负载变化响应快等优点，适合作为车载动力系统的能量来源，拥有巨大的市场潜力。虽然其有许多优点，但现阶段看来，其缺点也很明显，如成本，性能和寿命等。成本问题主要通过减少催化层的铂用量来解决，性能和寿命问题有多种改善方式，如先进的流场结构设计，多孔层的材料改进和结构优化设计等，这些手段的本质是改善反应物的分布和增强催化层内的反应物浓度。由于多孔层的尺度较小，对材料和结构的改进要考虑如成本，制造和成型工艺等许多因素。最具性价比的方法是通过设计合理的流场结构，通过均匀分配反应物和液态水来提升电池的输出性能和寿命。

为了增强流场的传质能力，需要增加沿膜电极平面和穿过膜电极平面这两个方向的气体流速。而沿膜电极平面的方向又可以分为与气体流入方向平行的方向和与气体流入方向垂直的方向。穿过膜电极平面方向的气体速度分量有助于气体渗透膜电极的多孔结构，到达催化层进行电化学反应。与气体流入方向垂直的沿平面方向的气体速度分量有助于气体渗透到被集流板覆盖住的脊区域，进一步增加气体渗透膜电极的面积。传统的直流道只能引起与气体流入方向平行的沿膜电极平面气体速度分量，其他两个方向的气体流动依靠气体的扩散作用，其渗透膜电极的效果与强制对流相比很差。因此，为了引发在其他两个方向的气体强制对流，从而提高流场的传质能力，设计一种结构简单的燃料电池流场结构成为人们的迫切需要。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种螺旋型挡板燃料电池流场结构，能够在穿过膜电极平面方向以及垂直于气流方向的沿平面方向上引发气体强制对流，有效提高流场的传质能力。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种螺旋型挡板燃料电池流场结构，包括流场和设于流场内的多个螺旋型挡板，多个螺旋型挡板分别位于流场内壁上的一条圆柱螺旋轨迹上，圆柱螺旋轨迹的轴线与流场轴向平行，多个螺旋型挡板沿流场轴向间隔固接于流场内壁。

进一步，流场设有截面为半圆形的流道，螺旋型挡板为环形，环形的螺旋型挡板外壁与半圆形的流道内壁相匹配且相互固接，螺旋型挡板与半圆形流道的中心线重合。

进一步，多个螺旋型挡板的结构一致且大小相同。

进一步，相邻螺旋型挡板的间距相同。

进一步，螺旋型挡板的横截面形状、高度和相邻螺旋型挡板的间距均可调。

进一步，螺旋型挡板上方设有气体扩散层，螺旋型挡板上端与气体扩散层之间留有间隙。

进一步，螺旋型挡板上端与气体扩散层之间的间隙大小可调。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

气体在流场内流通时，将会依次经过间隔固接于流场内壁的多个螺旋型挡板。在此过程中，气体在流场内的流通截面积将产生大小交替的周期性变化，使得气体在穿过膜电极平面方向上持续产生强制对流，增加了该方向上的气流速度分量，提高了流场的传质能力，有助于提高燃料电池在高电流密度下的性能。