本發(fā)明涉及一種燃料電池陰極流道。

背景技術(shù)：

質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,簡稱PEMFC)是燃料電池的一種，氫氣通過陽極流道，從陽極擴散層擴散到陽極催化層，在此解離成質(zhì)子和電子，電子通過外電路回到陰極，質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜擴散到陰極，與陰極催化層生成的氧分子及電子通過化學(xué)反應(yīng)生成水，釋放出電能和熱能。

PEMFC在大電流密度或氣流速度較小的情況下，反應(yīng)物水在陰極飽和凝結(jié)，導(dǎo)致陰極水淹，使得反應(yīng)氣體分布不均，無法通過膜陰極擴散層到達陰極催化層發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致電池性能下降。

目前燃料電池水管理，存在排水裝置穩(wěn)定性不足，流道內(nèi)流體分布不可控等問題，燃料電池中安裝針狀導(dǎo)流裝置等現(xiàn)有技術(shù)在改善排水效果與提升燃料電池排水效率上有所欠缺。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適用于宇航靜態(tài)排水的新型陰極流道，不改變陰極極板本體構(gòu)型，可搭配多種流道類型，不僅具有多樣性，更具良好實用性，有利于靜態(tài)排水，改善燃料電池長期工作導(dǎo)致的膜水淹現(xiàn)象，提升燃料電池性能。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種適用于宇航靜態(tài)排水的新型陰極流道，包括：陰極極板、靜態(tài)排水閥、陰極流道；陰極流道為陰極極板平面上的凹槽形通道；陰極極板兩條平行側(cè)邊處分別開有氣流入口、氣流出口，氣體入口和氣體出口之間通過陰極流道連通，靜態(tài)排水閥分布在陰極流道側(cè)壁；靜態(tài)排水閥在電路控制下擺動，靜態(tài)排水閥的材料為親水性材料；質(zhì)子交換膜燃料電池的質(zhì)子交換膜覆蓋在陰極極板開有陰極流道的一側(cè)。

所述靜態(tài)排水閥包括軸體、閥本體、閥電控線路；閥本體為長方形片狀結(jié)構(gòu)，一側(cè)與軸體固定；軸體安裝在陰極流道側(cè)壁上，在閥電控線路的控制下擺動。

所述陰極流道在氣體入口、氣體出口處的凹槽分別與陰極極板上未開有氣體入口、氣體出口的側(cè)邊平行。

所述陰極流道在氣體入口、氣體出口處的凹槽之間的連接流道由兩部分組成，一部分為與陰極極板上未開有氣體入口、氣體出口的側(cè)邊平行的主凹槽段，另一部分為主凹槽段之間的連通凹槽段。

所述主凹槽段之間的連通凹槽段與主凹槽段垂直。

所述靜態(tài)排水閥在陰極流道里均勻分布或沿陰極流道從氣體入口至氣體出口逐漸加密分布，掃動角度范圍為閥本體與陰極流道凹槽側(cè)壁間夾角從0°至90°。

所述軸體的高度與陰極流道凹槽深度一致。

所述閥本體邊緣與陰極極板上覆蓋的質(zhì)子交換膜之間、陰極流道凹槽底面之間存在間隙。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明與原有質(zhì)子交換膜燃料電池相比，原有質(zhì)子交換膜在工作過程當(dāng)中，產(chǎn)生的水越來越多，雖然會隨著氣體排出一部分，一旦水汽飽和，水滴凝結(jié)于質(zhì)子交換膜表面，降低了參與反應(yīng)氣體與擴散層催化層接觸的有效面積，降低反應(yīng)速率；本發(fā)明在陰極極板上安裝靜態(tài)排水閥，有利于靜態(tài)排水，改善燃料電池長期工作導(dǎo)致的膜水淹現(xiàn)象，提升燃料電池性能。

(2)本發(fā)明靜態(tài)排水閥繞其安裝軸掃動，在掃動過程中其親水性能將水滴帶離膜表面。安裝默認(rèn)狀態(tài)為常開狀態(tài)即排水閥本體與流道內(nèi)流體流動方向一致，閥掃動最大狀態(tài)為排水閥本體與凹槽側(cè)壁垂直；閥本體掃動角度推薦為0°～90°，一個掃動周期完畢，恢復(fù)到默認(rèn)狀態(tài)，有利于氣流帶走閥本體上收集的水滴。

(3)本發(fā)明的靜態(tài)排水閥安裝固定在陰極極板上，位于彎度較小的流道中，安裝軸靠近其中一個側(cè)壁，閥本體的長度方向l小于該流道槽寬L,閥本體的高度方向h小于該流道高度H；安裝數(shù)量可根據(jù)實際工況進行布局，根據(jù)工況參數(shù)可均勻布局于流道中，也可從入口至出口的流道中安裝逐漸加密，氣體能夠有效的將靜態(tài)排水閥上的水帶離陰極，提高效率。

(4)本發(fā)明可應(yīng)用于宇航燃料電池陰極流道設(shè)計，其也可以廣泛應(yīng)用于地面燃料電池陰極流道設(shè)計中。使用靜態(tài)排水閥實現(xiàn)親水帶離膜表面水滴的功能，因其表面積更大，有更好的排水效果；電控閥體改變排水閥本體轉(zhuǎn)動方向，根據(jù)不同工況可實時控制掃動頻率，掃動角度等，可配合多種流道形式，更具可控性和實用性。靜態(tài)排水閥加工簡單，提升電池性能的同時有效控制成本。

附圖說明

圖1為靜態(tài)排水閥默認(rèn)常開狀態(tài)；

圖2為靜態(tài)排水閥掃動最大狀態(tài)；

圖3為靜態(tài)排水閥開關(guān)狀態(tài)掃動范圍二維示意圖；

圖4為靜態(tài)排水閥構(gòu)型圖；

圖5為靜態(tài)排水閥結(jié)構(gòu)尺寸圖。

具體實施方式

下面結(jié)合圖示對本發(fā)明做進一步說明。

一種適用于宇航靜態(tài)排水的新型陰極流道如圖1所示，包括：陰極極板1、靜態(tài)排水閥2、陰極流道3。陰極流道3為陰極極板1平面上的凹槽形通道；陰極極板1兩條平行側(cè)邊處分別開有氣流入口、氣流出口，氣體入口和氣體出口之間通過陰極流道3連通，靜態(tài)排水閥2分布在陰極流道3側(cè)壁；靜態(tài)排水閥2在電路控制下擺動，靜態(tài)排水閥2的材料為親水性材料；質(zhì)子交換膜燃料電池的質(zhì)子交換膜覆蓋在陰極極板1開有陰極流道3的一側(cè)。

陰極流道3在氣體入口、氣體出口處的凹槽分別與陰極極板1上未開有氣體入口、氣體出口的側(cè)邊平行。陰極流道3在氣體入口、氣體出口處的凹槽之間的連接流道由兩部分組成，一部分為與陰極極板1上未開有氣體入口、氣體出口的側(cè)邊平行的主凹槽段，另一部分為主凹槽段之間的連通凹槽段。主凹槽段之間的連通凹槽段與主凹槽段垂直。

如圖4所示，靜態(tài)排水閥2包括軸體21、閥本體22、閥電控線路23；閥本體22為長方形片狀結(jié)構(gòu)，一側(cè)與軸體21固定；軸體21安裝在陰極流道3側(cè)壁上，在閥電控線路23的控制下擺動。軸體21的高度與陰極流道3凹槽深度一致。閥本體22邊緣與陰極極板3上覆蓋的質(zhì)子交換膜之間、陰極流道3凹槽底面之間存在間隙。

如圖4、圖5所示，根據(jù)燃料電池陰極極板流道設(shè)計構(gòu)型，結(jié)合流道的尺寸包括槽寬、槽深等進行靜態(tài)排水閥2的設(shè)計，軸體21和閥本體22設(shè)計時應(yīng)注意閥本體22與軸體21連接一側(cè)的高度H、閥本體22與軸體21平行一側(cè)的邊長h和閥本體22的寬度l的選取如圖5所示。

H與槽深一致，即該靜態(tài)排水閥2預(yù)安裝在陰極極板1上，安裝時，軸體21端部接觸膜表面，起到支撐作用。h的大小應(yīng)略小于H，并且上下兩端都不與軸體21端面平齊，避免在掃動過程中劃傷膜表面，同時確保不影響已形成水滴被閥本體22帶離膜表面。l的大小不應(yīng)超過槽寬L，避免在掃動過程中與槽道邊緣碰撞，也不應(yīng)過小，導(dǎo)致掃動扇形面積小，影響靜態(tài)排水效果。通過閥電路線路控制閥本體22掃動，掃動角度范圍為閥本體22與凹槽側(cè)壁間夾角從0°至90°，如圖3所示。

流道中靜態(tài)排水閥2的布局應(yīng)充分考慮燃料電池工況，考慮流道中流體流動狀態(tài)，靜態(tài)排水閥2在陰極流道3里均勻分布或沿陰極流道3從氣體入口至氣體出口逐漸加密分布。

工作原理：

本發(fā)明適用于宇航靜態(tài)排水新型陰極流道的靜態(tài)排水閥2安裝于陰極極板1上，電動控制靜態(tài)排水閥2改變掃動方向。質(zhì)子交換膜燃料電池是能量轉(zhuǎn)換裝置，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，其工作原理是氫氣通過陽極流道，從陽極擴散層擴散到陽極催化層，在此解離成質(zhì)子和電子，電子通過外電路回到陰極，質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜擴散到陰極，與陰極催化層生成的氧分子及電子通過化學(xué)反應(yīng)生成水，釋放出電能和熱能。燃料電池的陰極流道的流體分布對燃料電池的功率有著關(guān)鍵的決定性作用。長時間工作時，生成物水汽累積逐漸飽和凝結(jié)成水滴，在宇航失重的情況下，隨機氣流分布在流道各處，為避免水滴過多造成水淹，同時避免快速氣流帶走水滴造成的膜干燥和膜破損，確保質(zhì)子交換膜的陰極端維持適度濕度以及穩(wěn)定流動狀態(tài)，提出本發(fā)明的靜態(tài)排水閥，適用于宇航燃料電池陰極極板靜態(tài)排水。如圖2、圖3所示，靜態(tài)排水閥2垂直方向上不接觸質(zhì)子交換膜，避免其掃動時劃傷質(zhì)子交換膜表面。靜態(tài)排水閥2為親水材料，在掃動過程中將凝結(jié)的水滴吸離膜表面，每個掃動動作之后，靜態(tài)排水閥2回到默認(rèn)位置即與流道內(nèi)流體方向相同，通過氣流將靜態(tài)排水閥2上的水滴帶離，逐級通過各靜態(tài)排水閥2帶到至下游，直至排出燃料電池。掃動頻率：開機至穩(wěn)定工作時間內(nèi)不掃動；穩(wěn)定工作開始至關(guān)機，掃動頻率取決于陰極極板流道整體構(gòu)型以及工況關(guān)系，包括進出口流速，膜催化特性等。

本發(fā)明能加強燃料電池水管理能力，提升靜態(tài)排水可控性和燃料電池陰極排水效率，可配合多種流道類型使用，更具多樣性。

本發(fā)明未詳細說明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知技術(shù)。