[发明专利]一种带有特斯拉阀结构的质子交换膜燃料电池流道

说明书

本发明公开一种带有特斯拉阀结构的质子交换膜燃料电池流道，该流道采用中心对称结构，包括基板中心的圆形进气口，射线形主流道，特斯拉阀分支流道，圆环外周流道和出气口。气体通过圆形进气口流入射线形主流道，经过特斯拉阀分支流道，通过射线形主流道和圆环外周流道连接处的过渡直线段，最终汇集到圆环外周流道并通过出气口排出。其中，射线形主流道的过流断面为半圆形，过流断面面积由圆形进气口到圆环外周流道逐渐减小，提高了气体流速；特斯拉阀分支流道均布在射线形主流道上，由直线段和圆弧段以特定形式排列而成，进一步加速了气体流动，有利于质子交换膜燃料电池的排水，并可以改善质子交换膜燃料电池流道的水管理性能。

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，尤其涉及一种带有特斯拉阀结构的质子交换膜燃料电池流道，可增加反应气体利用率和气体循环效率，能够有效防止水淹。

背景技术

质子交换膜燃料电池的工作原理为：氢气与空气分别从阳极和阴极注入，氢气通过阳极气体扩散层到达催化剂层，在催化剂作用下变成氢离子和电子。氢离子通过质子交换膜到达阴极，电子经过阳极气体扩散层，双极板和集电片，通过外电路进入阴极，再经过阴极集电片和气体扩散层到达催化剂层，与氧气（来自阴极注入的空气）、氢离子反应生成水。通过化学反应，外电路生成电流，化学能转化为电能。

在反应过程中，双极板起到分隔反应气体、传导电流、引导气体等作用。这要求双极板具备导电率高，阻气性好，耐腐蚀性好等特点，为了更好地发挥双极板的性能，流场结构设计是双极板制造与创新的核心内容。合理的流场结构有利于传质的进行，及时散热，促进水的排出以及在流场内的均匀分布，加快化学反应速率。

常见的质子交换膜燃料电池双极板的流场有平行流道(CN209515862U)，蛇形流道(CN112103531A)和交指型流道(CN112909285A)。平行流道制造简单，进出口之间的压降较低，缺点是水的分布不均匀，在流场内部容易造成水的堆积；蛇形流道的优势在于具有良好的排水能力，但是在大面积的流场中，进出口之间的压降很大，增加了损耗的功率；交指型流道能够让反应气体在扩散层中强制对流，加强了流场的排水能力，然而反应物的分布却不均匀，最终影响到电流输出的稳定性。

除了常规的流道，新型流道结构也逐渐发展，如仿生流道(CN104821407B)，三维流道(US8445160)等。仿生流道是采用仿生学原理设计的，可以改善电池的性能，目前存在的问题是双极板制造难度大，成本高。在三维流道中，流体并没有固定的流道，具有三维流道的双极板能够显著提升水管理能力和气体输送效率，但是同样存在加工过程复杂，成本高等问题。

针对目前双极板流场结构存在的问题，本发明将特斯拉阀应用到双极板的流场结构设计中。其中特斯拉阀是1920年Nikola Tesla申请的一个无活动零件阀门的专利（US19160079703 19160221），这是一个固定形状的单向阀，可以为流经阀门的流体提供从一个方向流动比从另一个方向流动大得多的阻力。特斯拉阀门在微流体控制系统、无移动部件阀门的开发、流体研究等方面具有潜在的应用价值，有重要的研究意义。

描述特斯拉阀单向导通性的参数双极性（Diodicity），数值上等于逆向流动的压降与正向流动压降的比值，表达式为D_i=ΔP_r / ΔP_f其中，D_i代表双极性Diodicity；ΔP_f为正向流动时特斯拉阀产生的压降；ΔP_r为逆向流动时特斯拉阀产生的压降。D_i值越大，意味着逆向流动越困难，阀的单向导通效果就越明显。