燃料電池是接下來新能源汽車進展的緊要方向,燃料電池電堆由雙極板(集流板)、膜電極(催化劑、質子交換膜)等組件構成,雙極板的質量至關緊要,燃料置換效率與雙極板的尺寸精度密不可分。雙極板在燃料電池電堆扮演者至關緊要的角色,無論是分隔電堆燃料還是收集傳導電流都是由雙極板負責,而雙極板的流道則起到以上功能的主導作用,假如雙極板流道精度不足,那么燃料就不能充分反應,水分排出不暢、散熱不均勻等問題也會隨之顯現,種種問題導致燃料電池置換效率低下,嚴重一點還會影響燃料電池的安全,所以雙極板流道精度肯定要高標準測量。雙極板流道需要測量彎道的弧度、流道間距、平行度以及流道深度,加上雙極板需要無損測量,推薦使用(STIL光譜共焦線掃傳感器)完成燃料電池雙極板的尺寸測量。
1、流道尺寸
流道寬度 W:一般為0. 5~2. 5mm,影響著雙極板流道中氣體直接與擴散層接觸的面積;
脊寬度 L:一般為為 0. 2~2. 5mm,影響著雙極板與擴散層的接觸面積, 可以通過改變流道與脊的寬度比 W/L 的值來調節接觸電阻;
流道深度 H:一般為 0. 2~2. 5mm,在層流范圍內, 加深流道的深度不利于促進氣體向擴散層擴散, 影響氣體向膜電極的傳遞。
流道傾角θ:一般θ 為 0° ~60°,通過改變流道截面積來增加膜電極的利用面積;
流道的長度:越長的流道引起的壓力損失越大, 后段反應氣濃度越低, 易積累發生水淹現象, 從而降低電池性能和穩定性。
2、流場結構
現在最常見的是直通,包括平行/變截面、蛇形等。直通道結構的流場, 由于氣體的傳輸主要依靠擴散, 當氣體作層流運動時, 氣體向MEA 的傳遞就相對比較弱, 可以將流道內部形成粗糙表面產生湍流來促進消耗層氣體與富積層氣體的混合, 但是這種產生湍流的方法會增加流場進出口壓差。
3、3D流道
一方面,2D流道的氣體均勻流動被流道限制,3D流道為氣體均勻分布提供了更大的可能性,每一束氣體不會被限制在單一的流道內,相鄰流道內氣體的交互更加自由,更多的湍流;
另一方面,在傳統溝-脊式流道中,反應氣由流道/流場向膜電極輸運基本依靠濃差擴散,效率低下;3D流道類似噴嘴,強制對流,通過節流加大流速,可以更好促進氣體進入到擴散層;這也是解決電堆大功率密度的一個方向。
(1) 窄脊設計(Narrow ribs)
窄脊設計可以減少水集聚,是因為空氣與擴散層的接觸面積加大,有利于帶走生成的水。
(2)三維梯度深度波浪流道
三維波浪形流場在垂直于流道平面方向上存在速度分量,使得氧氣能夠垂直于流道平面以對流形式進入催化層,隨著電流密度逐漸增大,氧氣傳輸能力增強使得濃度損失變小;而蛇形流場的下游區由于流道過長,非常容易發生水淹現象,為克服這個問題,三維梯度深度波浪形流場的流道深度從上游區到下游區逐漸減小,該設計可使下游區流道平面方向和垂直于流道平面方向的氣體速度更大,最終增強了電池的氧氣傳輸和排水性能。
原文始發于微信公眾號(藍海精密):光譜共焦傳感器測量燃料電池雙極板流道