一种燃料电池双极板的阳极流场结构的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池双极板的阳极流场结构。


背景技术：

2.能源作为发展的源动力，与国计民生息息相关。质子交换膜燃料电池以氢气作为燃料，来源广泛，环境友好，转换效率高，可用于电动汽车、分布式电源，航空军工等各个领域，其具有较高的功率密度和能量转化效率、工作温度低、启动时间短等优势是理想的清洁能源，也是未来能源结构的重要组成部分之一。
3.双极板作为燃料电池电堆中的重要零部件，起着气体输运、收集电流、热流传导及支撑膜电极等作用，对于双极板阳极流场中的流道而言，最主要的作用是将氢气均匀的传输至膜电极反应界面，以保证反应的进行。合理的流场结构及合适的流道可以保证电堆中电化学反应均匀稳定的发生。
4.在现有的阳极流场结构中，氢气分布不够均匀，氢气易从阻力最低的通道流出，造成其它气体通道短路，降低发电效率。此外，在现有结构中，例如平行流场、蛇形流场中也存在气体湍动不足、传质效率低的缺点。
5.如公开号为cn207459074u的专利公开了一种燃料电池阳极流场板，在阳极底板顶部表面设有多个导流条，导流条为透气材质，多个导流条位于燃料电池的气体扩散层上方并与气体扩散层接触；阳极底板前端设有进氢孔；阳极底板后端设有排氢孔；氢气从进氢孔进入阳极板，一部分从导流条间隔区域直接进入燃料电池中的气体扩散层，另一部分先进入导流条再向燃料电池中气体扩散层扩散；然后两路氢气均通过气体扩散层进入燃料电池芯片中反应，反应后生成的水随未反应的氢气经导流条排至排氢孔。上述阳极板中的流场由多个导流条形成，存在氢气分布不够均匀、气体湍动不足和传质效率低的问题。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种燃料电池双极板的阳极流场结构，使氢气分布更均匀，使膜电极(电池芯片)避免承受因气流突变而产生的应力，提高了其机械耐久性及使用寿命，而且能够强迫反应气体进入阳极气体扩散层，增强了对流传质性能。
7.为实现上述目的，本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：所述燃料电池双极板的阳极流场结构，设置在阳极板的一侧，所述阳极板的两端分别设置氢气入口和氢气出口，所述阳极流场结构包括依次相连的入口端分配区、折弯型直行流场和出口端分配区，所述入口端分配区和出口端分配区内均设置有点阵结构，所述入口端分配区与所述氢气入口相连，所述出口端分配区与所述氢气出口相连。
8.所述点阵结构的密度沿着远离所述氢气入口或所述氢气出口的横向逐渐增大，所述点阵结构的密度沿着远离所述氢气入口或所述氢气出口的纵向逐渐减小。
9.所述点阵结构包括沿着所述阳极板的长度方向间隔设置的多排点阵队列，每排点阵队列包括多个间隔设置的凸点，相邻凸点之间的间距沿着远离所述氢气入口或所述氢气出口的方向逐渐增大，相邻两排点阵队列之间的间距沿着远离所述氢气入口或所述氢气出口的方向逐渐减小。
10.所述相邻凸点之间的间距沿着远离所述氢气入口或所述氢气出口的方向的增大率为20％～50％；相邻两排点阵队列之间的间距沿着远离所述氢气入口或所述氢气出口的方向的减小率为10％～30％。
11.所述氢气入口和氢气出口分别设置在所述阳极板的对角位置，且所述氢气入口和氢气出口截面形状均设置为三角形，所述氢气入口或氢气出口的截面积设置为960～1100mm2。
12.所述折弯型直行流场包括沿着所述阳极板的宽度方向间隔布置的多个曲形折弯凸条，多个曲形折弯凸条之间形成气体流道，所述曲形折弯凸条包括多个折弯单元，所述折弯单元的长度设置为40～50mm，所述折弯单元的个数设置为8～10个，所述折弯单元与所述阳极板所在平面之间的角度为10
°
～15
°
。
13.所述阳极板的外周和所述阳极流场结构的外周均设置有环形密封槽，所述环形密封槽的宽度设置为2.5～3.5mm，深度为0.3～0.5mm，所述环形密封槽内安装有密封条。
14.本实用新型的有益效果是：
15.本实用新型通过在氢气入口和氢气出口与流场的连接处设置入口端分配区和出口端分配区，在入口端分配区和出口端分配区均设置点阵结构，通过点阵结构可避免氢气直接进入最近的流场通道，通过点阵结构的阻拦，可使一部分气体流向点阵结构的方向，使氢气分配更加均匀；而且其中的阳极流场设置为折弯型直行流场，可强制性地增加反应气体的湍动，使反应气体高效地进入电化学反应场所发生反应，从而有效提升发电效率，降低功耗。
附图说明
16.下面对本实用新型说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
17.图1为本实用新型中阳极板的轴测图；
18.图2为图1的主视图；
19.图3为图2中a处的局部放大图；
20.图4为图2中b处的局部放大图；
21.图5为图1中阳极板一端的局部放大图；
22.图6为图1中阳极板另一端的局部放大图；
23.上述图中的标记均为：1.阳极板，2.氢气入口，3.氢气出口，4.入口端分配区，5.折弯型直行流场，51.曲形折弯凸条，52.气体流道，6.出口端分配区，7.点阵结构，71.凸点，8.环形密封槽。
具体实施方式
24.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本
实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
25.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
26.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
27.本实用新型的具体实施方案为：如图1～图6所示，本实用新型提供了一种燃料电池双极板的阳极流场结构，该阳极流场结构设置在阳极板1的一侧，阳极板1的两端分别设置氢气入口2和氢气出口3，该阳极流场结构包括依次相连的入口端分配区4、折弯型直行流场5和出口端分配区6，入口端分配区4和出口端分配区6内均设置有点阵结构7，入口端分配区4与氢气入口2相连，出口端分配区6与氢气出口3相连。本实用新型通过在入口端分配区4和出口端分配区6均设置点阵结构7，通过点阵结构7可避免氢气直接进入最近的流场通道，通过点阵结构7的阻拦，可使一部分气体流向点阵结构7的方向，使氢气分配更加均匀；其中的折弯型直行流场5可强制性地增加反应气体的湍动，使反应气体高效地进入电化学反应场所发生反应，从而有效提升发电效率，降低功耗。
28.具体地，其中的点阵结构7的密度沿着远离氢气入口2或氢气出口3的横向(阳极板1的宽度方向)逐渐增大，点阵结构7的密度沿着远离氢气入口2或氢气出口3的纵向(阳极板1的长度方向)逐渐减小，使点阵结构7在折弯型直行流场5靠近氢气入口2或氢气出口3的角落处的密度最大，避免了氢气由氢气入口2后会由折弯型直行流场5的边角处快速流出而降低发电效率，使氢气进入氢气入口2后被点阵结构7阻挡并逐渐疏散，使氢气均匀分散地进入折弯型直行流场5内。
29.该点阵结构7包括沿着阳极板1的长度方向间隔设置的多排点阵队列，每排点阵队列包括多个间隔设置的凸点71，相邻凸点71之间的间距沿着远离氢气入口2或氢气出口3的方向逐渐增大，相邻凸点71之间的间距沿着远离氢气入口2或氢气出口3的方向的增大率为20％～50％；相邻两排点阵队列之间的间距沿着远离氢气入口2或氢气出口3的方向逐渐减小，相邻两排点阵队列之间的间距沿着远离所述氢气入口2或所述氢气出口3的方向的减小率为10％～30％，使折弯型直行流场5靠近氢气入口2或氢气出口3的边角处凸点71的密度最大，避免了氢气由分配区靠近氢气入口2或氢气出口3的角落处流出，保证了氢气分布的均匀性。
30.具体地，其中的氢气入口2和氢气出口3分别设置在阳极板1的对角位置，且氢气入口2和氢气出口3截面形状均设置为三角形，氢气入口2或氢气出口3的截面积设置为960～1100mm2，可以保证通过叠加单电池数量增加电堆功率至一定数值时，氢气和冷却流体的流速均可保持在安全流速内，避免了流速过高而影响电堆中电化学反应的均匀稳定性。
31.具体地，其中的折弯型直行流场5包括沿着阳极板1的宽度方向间隔布置的多个曲形折弯凸条51，多个曲形折弯凸条51之间形成气体流道52，曲形折弯凸条51包括多个折弯
单元，折弯单元的长度设置为40～50mm，折弯单元的个数设置为8～10个，折弯单元与阳极板1所在平面之间的角度为10
°
～15
°
，上述结构设置可强制性的增加反应气体湍动，使反应气体高效地进入电化学反应场所发生反应，从而有效提升发电效率，降低功耗。
32.另外，其中的阳极板1的外周和阳极流场结构的外周均设置有环形密封槽8，环形密封槽8的宽度设置为2.5～3.5mm，深度为0.3～0.5mm，环形密封槽8内安装有密封条，保证阳极板1安装的密封性。
33.综上，本实用新型使氢气分布更均匀，使膜电极避免承受因气流突变而产生的应力，提高了其机械耐久性及使用寿命，而且能够强迫反应气体进入阳极气体扩散层，增强了对流传质性能。
34.以上所述，只是用图解说明本实用新型的一些原理，本说明书并非是要将本实用新型局限在所示所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本实用新型所申请的专利范围。

技术特征：
1.一种燃料电池双极板的阳极流场结构，设置在阳极板的一侧，所述阳极板的两端分别设置氢气入口和氢气出口，特征在于，所述阳极流场结构包括依次相连的入口端分配区、折弯型直行流场和出口端分配区，所述入口端分配区和出口端分配区内均设置有点阵结构，所述入口端分配区与所述氢气入口相连，所述出口端分配区与所述氢气出口相连。2.根据权利要求1所述的燃料电池双极板的阳极流场结构，其特征在于：所述点阵结构的密度沿着远离所述氢气入口或所述氢气出口的横向逐渐增大，所述点阵结构的密度沿着远离所述氢气入口或所述氢气出口的纵向逐渐减小。3.根据权利要求1所述的燃料电池双极板的阳极流场结构，其特征在于：所述点阵结构包括沿着所述阳极板的长度方向间隔设置的多排点阵队列，每排点阵队列包括多个间隔设置的凸点，相邻凸点之间的间距沿着远离所述氢气入口或所述氢气出口的方向逐渐增大，相邻两排点阵队列之间的间距沿着远离所述氢气入口或所述氢气出口的方向逐渐减小。4.根据权利要求3所述的燃料电池双极板的阳极流场结构，其特征在于：所述相邻凸点之间的间距沿着远离所述氢气入口或所述氢气出口的方向的增大率为20％～50％；相邻两排点阵队列之间的间距沿着远离所述氢气入口或所述氢气出口的方向的减小率为10％～30％。5.根据权利要求1所述的燃料电池双极板的阳极流场结构，其特征在于：所述氢气入口和氢气出口分别设置在所述阳极板的对角位置，且所述氢气入口和氢气出口截面形状均设置为三角形，所述氢气入口或氢气出口的截面积设置为960～1100mm2。6.根据权利要求1所述的燃料电池双极板的阳极流场结构，其特征在于：所述折弯型直行流场包括沿着所述阳极板的宽度方向间隔布置的多个曲形折弯凸条，多个曲形折弯凸条之间形成气体流道，所述曲形折弯凸条包括多个折弯单元，所述折弯单元的长度设置为40～50mm，所述折弯单元的个数设置为8～10个，所述折弯单元与所述阳极板所在平面之间的角度为10
°
～15
°
。7.根据权利要求1所述的燃料电池双极板的阳极流场结构，其特征在于：所述阳极板的外周和所述阳极流场结构的外周均设置有环形密封槽，所述环形密封槽的宽度设置为2.5～3.5mm，深度为0.3～0.5mm，所述环形密封槽内安装有密封条。

技术总结
一种燃料电池双极板的阳极流场结构，属于燃料电池技术领域，该阳极流场结构包括依次相连的入口端分配区、折弯型直行流场和出口端分配区，入口端分配区和出口端分配区内均设置有点阵结构，入口端分配区与氢气入口相连，出口端分配区与氢气出口相连，本实用新型的有益效果是，本实用新型使氢气分布更均匀，使膜电极避免承受因气流突变而产生的应力，提高了其机械耐久性及使用寿命，而且能够强迫反应气体进入阳极气体扩散层，增强了对流传质性能。增强了对流传质性能。增强了对流传质性能。


技术研发人员：高冀 邓高明 潘立升 任博 周林
受保护的技术使用者：奇瑞商用车（安徽）有限公司
技术研发日：2023.01.12
技术公布日：2023/7/27