一种基于正弦波纹的衍生型波纹流场板制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。提高电池的输出性能。提高电池的输出性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于正弦波纹的衍生型波纹流场板


[0001]本专利技术涉及直接甲醇燃料电池
，具体涉及一种基于正弦波纹的衍生型波纹流场板。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]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。本专利技术公开了一种基于正弦波纹的衍生型波纹流场板。
[0007]本专利技术至少通过如下技术方案之一实现。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]优选的，所述流道的表面粗糙度最高为Ra0.8。
[0014]优选的，所述的衍生型波纹流场板中的流道呈曲折形或蜿蜒形分布。
[0015]优选的，所述的衍生型波纹流场板流道的各拐角为圆角过渡。
[0016]一种含有所述的衍生型波纹流场板的主动式直接甲醇燃料电池，包括第一端板、第一PVC硅胶垫、阴极流场板、第一PTFE垫、膜电极组件、第二PTFE垫、阳极流场板、第二PVC硅胶垫、第二端板、螺栓组，所述阳极流场板为所述的衍生型波纹流场板。
[0017]优选的，所述阳极流场板两对角均开有燃料的进口圆孔和出口圆孔。
[0018]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0019]1、传统的直接甲醇燃料电池中，流场板和集电板分离，使得电池整体质量增加，电池内部电阻增大。本专利技术设计的衍生型波纹流场板既起到均匀分布反应物和产物的作用，亦可取代集电板起到收集电流的作用。
[0020]2、对于流场板的传统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。本专利技术提出在单根流道中加入扰流结构，并由此发展为结构几何特征函数为的衍生型波纹流道。
[0021]3、本专利技术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。
附图说明
[0022]图1是主动式直接甲醇燃料电池正视图；
[0023]图2是本专利技术实施例的衍生型波纹流场板正视图；
[0024]图3是本专利技术实施例的标准正弦波纹流场板正视图；
[0025]图4是本专利技术实施例的普通直角流道流场板正视图；
[0026]图5是本专利技术提出的衍生型波纹流场板和标准正弦波纹流场板的流道局部放大示意图；
[0027]图6是在不同甲醇供给流量下，主动式直接甲醇燃料电池使用标准正弦波纹流场
板对应的电池性能输出曲线；
[0028]图7是在不同甲醇供给流量下，主动式直接甲醇燃料电池使用衍生型波纹流场板对应的电池性能输出曲线；
[0029]图8是在不同甲醇供给浓度下，主动式直接甲醇燃料电池使用标准正弦波纹流场板对应的电池性能输出曲线；
[0030]图9是在不同甲醇供给浓度下，主动式直接甲醇燃料电池使用衍生型波纹流场板对应的电池性能输出曲线；
[0031]图中所示为：1
‑
第一端板；2
‑
第一PVC硅胶垫；3
‑
阴极流场板；4
‑
膜电极组件；5
‑
阳极流场板；6
‑
第二PVC硅胶垫；7
‑
第二端板；8
‑
螺栓组；9
‑
第二PTFE垫；10
‑
第一PTFE垫。
具体实施方式
[0032]为进一步理解本专利技术，下面结合附图对本专利技术做进一步说明。但是需要说明的是，本专利技术要求保护的范围并不局限于以下实施例表述的范围。
[0033]如图1所示，所述的主动式直接甲醇燃料电池，其组成结构从左到右依次为，第一端板1、第一PVC硅胶垫2、阴极流场板3、第一PTFE垫10、膜电极组件4、第二PTFE垫9、阳极流场板5、第二PVC硅胶垫6、第二端板7、螺栓组8，以上各部件通过8个M4螺栓构成的螺栓组锁紧，每个螺栓通过扭力扳手拧紧，扭矩为1.6N
·
m。
[0034]所述阳极流场板5设置有流道，所述的流道内设置有规律分布的扰流结构，流道各拐角处为圆角过渡。所述的扰流结构为规律分布的波纹结构，形成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的衍生型波纹流场板，其特征在于：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。3.根据权利要求2所述的衍生型波纹流场板，其特征在于：所述的衍生型波纹流场板的材料为导电、耐腐蚀材料。4.根据权利要求3所述的衍生型波纹流场板，其特征在于：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。5.根据权利要求4所述的衍生型波纹流场板，其特征在于：所述衍生型波纹流场板表面的表面粗糙度最高为Ra0...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁伟，李锦广，吴泽宇，苏晓晴，蒋子琮，柯育智，赵永豪，刘庆森，梁浩伟，林惠铖，庄梓译，卢彪武，
申请(专利权)人：广东氢机智创科技有限公司，
类型：发明
国别省市：