适用于低浓度氢气的燃料电池双极板的阳极流场的制作方法

本技术涉及燃料电池，具体涉及双极板。

背景技术：

1、燃料电池是一种将氢能转化为电能的设备，燃料电池具有发电效率高，洁净环保等优点。燃料电池对氢气的浓度有一定要求，一般情况下需要达99.97%。而当氢气来源为甲醇重整制氢、天然气重整制氢工艺时，氢气浓度一般只有50%～80%。浓度相对较低的氢气在燃料电池中利用效果差，并且浓度相对较低的氢气会导致燃料电池电压下降。

技术实现思路

1、本实用新型的目的是：提供一种适用于低浓度氢气的燃料电池双极板的阳极流场，其能充分利用浓度相对较低的氢气，大大提高氢气的利用效率。

2、为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：适用于低浓度氢气的燃料电池双极板的阳极流场，包括：设置在阳极板板面上的分隔梁，分隔梁的两侧设置有氢气流道，分隔梁的两端部位置分别设置氢气入口和氢气出口，氢气入口位置以及氢气出口位置的阳极板上分别设置氢气输入通道和氢气输出通道，分隔梁每一侧的氢气流道均包括依次连通的至少两级输送流道组，每级输送流道组均包括间隔设置的若干条输送流道，每相邻两级输送流道组之间都通过分配腔连通；分隔梁每一侧的输送流道组均呈在分隔梁与对应侧的阳极板的板面外边缘之间迂回曲折状设置，每一侧的输送流道组中输送流道的数量由氢气入口向氢气出口方向逐级减少，输送流道组在分隔梁的两侧对称设置；分隔梁两侧的位于氢气入口一端的输送流道组的所有输送流道的入口都与氢气入口连通，分隔梁两侧的位于氢气出口一端的输送流道组的所有输送流道的出口都与氢气出口连通。

3、进一步地，前述的适用于低浓度氢气的燃料电池双极板的阳极流场，其中，相邻两级输送流道组之间的分配腔与前一级输送流道出口的输出方向夹角θ为45°。

4、进一步地，前述的适用于低浓度氢气的燃料电池双极板的阳极流场，其中，氢气入口与氢气出口位于分隔梁的两侧。

5、更进一步地，前述的适用于低浓度氢气的燃料电池双极板的阳极流场，其中，氢气入口位置的阳极板的板面上还设置有入口初始流道组和入口次级流道组，入口初始流道组包括间隔设置的若干条入口初始流道，入口次级流道组包括间隔设置的若干条入口次级流道；与氢气入口不在分隔梁同一侧的、且位于氢气入口一端的输送流道组的所有输送流道的入口都依次通过入口次级流道组中的入口次级流道、入口初始流道组中的入口初始流道与氢气入口相连通；与氢气入口位于分隔梁同一侧的、且位于氢气入口一端的输送流道组中远离氢气入口位置的输送流道的入口依次通过入口次级流道组中的入口次级流道、入口初始流道组中的入口初始流道与氢气入口相连通；与氢气入口位于分隔梁同一侧的、且位于氢气入口一端的输送流道组中靠近氢气入口位置的输送流道的入口通过入口次级流道组中的入口次级流道与氢气入口相连通。

6、更进一步地，前述的适用于低浓度氢气的燃料电池双极板的阳极流场，其中，氢气出口位置的阳极板的板面上还设置有出口次级流道组和出口流道组，出口次级流道组包括间隔设置的若干条出口次级流道，出口流道组包括间隔设置的若干条出口流道；与氢气出口不在分隔梁同一侧的、且位于氢气出口一端的输送流道组的所有输送流道的出口都依次通过出口次级流道组中的出口次级流道、出口流道组中的出口流道与氢气出口相连通；与氢气出口位于分隔梁同一侧的、且位于氢气出口一端的输送流道组中远离氢气出口位置的输送流道的出口依次通过出口次级流道组中的出口次级流道、出口流道组中的出口流道与氢气出口相连通；与氢气出口位于分隔梁同一侧的、且位于氢气出口一端的输送流道组中靠近氢气出口位置的输送流道的出口通过出口次级流道组中的出口次级流道与氢气出口相连通。

7、更进一步地，前述的适用于低浓度氢气的燃料电池双极板的阳极流场，其中，分隔梁每一侧的输送流道组，包括：由氢气入口向氢气出口方向依次连通的一级输送流道组、二级输送流道组、三级输送流道组，一级输送流道组包括间隔设置的若干一级输送流道，二级输送流道组包括间隔设置的若干二级输送流道、三级输送流道组包括间隔设置的若干三级输送流道；一级输送流道组、二级输送流道组、三级输送流道组中的输送流道的数量依次逐级减少；

8、与氢气入口位于分隔梁同一侧的、且位于氢气入口一端的一级输送流道组中远离氢气入口位置的一级输送流道的入口依次通过入口次级流道组中的入口次级流道、入口初始流道组中的入口初始流道与氢气入口相连通；与氢气入口位于分隔梁同一侧的、且位于氢气入口一端的一级输送流道组中靠近氢气入口位置的一级输送流道的入口通过入口次级流道组中的入口次级流道与氢气入口相连通；与氢气出口不在分隔梁同一侧的、且位于氢气出口一端的三级输送流道组中的所有三级输送流道的出口都依次通过出口次级流道组中的出口次级流道、出口流道组中的出口流道与氢气出口相连通；与氢气出口位于分隔梁同一侧的、且位于氢气出口一端的三级输送流道组中远离氢气出口位置的三级输送流道的出口依次通过出口次级流道组中的出口次级流道、出口流道组中的出口流道与氢气出口相连通；与氢气出口位于分隔梁同一侧的、且位于氢气出口一端的三级输送流道组中靠近氢气出口位置的三级输送流道的出口通过出口次级流道组中的出口次级流道与氢气出口相连通。

9、更进一步地，前述的适用于低浓度氢气的燃料电池双极板的阳极流场，其中，每相邻两级输送流道组连通位置处的后一级输送流道组的每条输送流道入口位置的流道侧壁端部都设置导向头部，导向头部外壁呈向该级输送流道内部引导的弧形引导面。

10、更进一步地，前述的适用于低浓度氢气的燃料电池双极板的阳极流场，其中，入口初始流道组中入口初始流道的总横截面积与入口次级流道组中入口次级流道的总横截面积相同，但入口初始流道组中入口初始流道的深度是入口次级流道组中入口次级流道深度的3～5倍；出口次级流道组中出口次级流道的总横截面积与出口流道组中出口流道的总横截面积相同，但出口流道组中出口流道的深度是出口次级流道组中出口次级流道深度的3～5倍；入口次级流道组中入口次级流道、各级输送流道组中的输送流道以及出口次级流道组中的出口次级流道的宽度都相同，以及上述流道的深度也都相同。

11、本实用新型的优点是：一、分隔梁每一侧的输送流道组均呈在分隔梁与对应侧的阳极板的板面外边缘之间迂回曲折状设置，氢气在迂回曲折状的输送流道中运动，有效延长了氢气在阳极流场内的停留时间，从而有效提高氢气利用率，从而使得适甲醇重整制氢、天然气重整制氢工艺制得的浓度相对较低的氢气能够用于氢燃料电池。二、由于氢气入口向氢气出口方向氢气不断反应消耗，氢气浓度不断降低，而分隔梁每一侧的输送流道组中输送流道的数量由氢气入口向氢气出口方向逐级减少，因此能进一步增加气体压力而促进氢气进入催化剂层进行反应，从而有效提高氢气利用效率。三、输送流道组在分隔梁两侧对称设置，能有效提高燃料电池电流密度的均匀性。

技术特征：

1.适用于低浓度氢气的燃料电池双极板的阳极流场，包括：设置在阳极板板面上的分隔梁，分隔梁的两侧设置有氢气流道，分隔梁的两端部位置分别设置氢气入口和氢气出口，氢气入口位置以及氢气出口位置的阳极板上分别设置氢气输入通道和氢气输出通道，其特征在于：分隔梁每一侧的氢气流道均包括依次连通的至少两级输送流道组，每级输送流道组均包括间隔设置的若干条输送流道，每相邻两级输送流道组之间都通过分配腔连通；分隔梁每一侧的输送流道组均呈在分隔梁与对应侧的阳极板的板面外边缘之间迂回曲折状设置，每一侧的输送流道组中输送流道的数量由氢气入口向氢气出口方向逐级减少，输送流道组在分隔梁的两侧对称设置；分隔梁两侧的位于氢气入口一端的输送流道组的所有输送流道的入口都与氢气入口连通，分隔梁两侧的位于氢气出口一端的输送流道组的所有输送流道的出口都与氢气出口连通。

2.根据权利要求1所述的适用于低浓度氢气的燃料电池双极板的阳极流场，其特征在于：相邻两级输送流道组之间的分配腔与前一级输送流道出口的输出方向夹角θ为45°。

3.根据权利要求1或2所述的适用于低浓度氢气的燃料电池双极板的阳极流场，其特征在于：氢气入口与氢气出口位于分隔梁的两侧。

4.根据权利要求3所述的适用于低浓度氢气的燃料电池双极板的阳极流场，其特征在于：氢气入口位置的阳极板的板面上还设置有入口初始流道组和入口次级流道组，入口初始流道组包括间隔设置的若干条入口初始流道，入口次级流道组包括间隔设置的若干条入口次级流道；与氢气入口不在分隔梁同一侧的、且位于氢气入口一端的输送流道组的所有输送流道的入口都依次通过入口次级流道组中的入口次级流道、入口初始流道组中的入口初始流道与氢气入口相连通；与氢气入口位于分隔梁同一侧的、且位于氢气入口一端的输送流道组中远离氢气入口位置的输送流道的入口依次通过入口次级流道组中的入口次级流道、入口初始流道组中的入口初始流道与氢气入口相连通；与氢气入口位于分隔梁同一侧的、且位于氢气入口一端的输送流道组中靠近氢气入口位置的输送流道的入口通过入口次级流道组中的入口次级流道与氢气入口相连通。

5.根据权利要求4所述的适用于低浓度氢气的燃料电池双极板的阳极流场，其特征在于：氢气出口位置的阳极板的板面上还设置有出口次级流道组和出口流道组，出口次级流道组包括间隔设置的若干条出口次级流道，出口流道组包括间隔设置的若干条出口流道；与氢气出口不在分隔梁同一侧的、且位于氢气出口一端的输送流道组的所有输送流道的出口都依次通过出口次级流道组中的出口次级流道、出口流道组中的出口流道与氢气出口相连通；与氢气出口位于分隔梁同一侧的、且位于氢气出口一端的输送流道组中远离氢气出口位置的输送流道的出口依次通过出口次级流道组中的出口次级流道、出口流道组中的出口流道与氢气出口相连通；与氢气出口位于分隔梁同一侧的、且位于氢气出口一端的输送流道组中靠近氢气出口位置的输送流道的出口通过出口次级流道组中的出口次级流道与氢气出口相连通。

6.根据权利要求5所述的适用于低浓度氢气的燃料电池双极板的阳极流场，其特征在于：分隔梁每一侧的输送流道组，包括：由氢气入口向氢气出口方向依次连通的一级输送流道组、二级输送流道组、三级输送流道组，一级输送流道组包括间隔设置的若干一级输送流道，二级输送流道组包括间隔设置的若干二级输送流道、三级输送流道组包括间隔设置的若干三级输送流道；一级输送流道组、二级输送流道组、三级输送流道组中的输送流道的数量依次逐级减少；与氢气入口位于分隔梁同一侧的、且位于氢气入口一端的一级输送流道组中远离氢气入口位置的一级输送流道的入口依次通过入口次级流道组中的入口次级流道、入口初始流道组中的入口初始流道与氢气入口相连通；与氢气入口位于分隔梁同一侧的、且位于氢气入口一端的一级输送流道组中靠近氢气入口位置的一级输送流道的入口通过入口次级流道组中的入口次级流道与氢气入口相连通；与氢气出口不在分隔梁同一侧的、且位于氢气出口一端的三级输送流道组中的所有三级输送流道的出口都依次通过出口次级流道组中的出口次级流道、出口流道组中的出口流道与氢气出口相连通；与氢气出口位于分隔梁同一侧的、且位于氢气出口一端的三级输送流道组中远离氢气出口位置的三级输送流道的出口依次通过出口次级流道组中的出口次级流道、出口流道组中的出口流道与氢气出口相连通；与氢气出口位于分隔梁同一侧的、且位于氢气出口一端的三级输送流道组中靠近氢气出口位置的三级输送流道的出口通过出口次级流道组中的出口次级流道与氢气出口相连通。

7.根据权利要求5所述的适用于低浓度氢气的燃料电池双极板的阳极流场，其特征在于：每相邻两级输送流道组连通位置处的后一级输送流道组的每条输送流道入口位置的流道侧壁端部都设置导向头部，导向头部外壁呈向该级输送流道内部引导的弧形引导面。

8.根据权利要求5所述的适用于低浓度氢气的燃料电池双极板的阳极流场，其特征在于：入口初始流道组中入口初始流道的总横截面积与入口次级流道组中入口次级流道的总横截面积相同，但入口初始流道组中入口初始流道的深度是入口次级流道组中入口次级流道深度的3～5倍；出口次级流道组中出口次级流道的总横截面积与出口流道组中出口流道的总横截面积相同，但出口流道组中出口流道的深度是出口次级流道组中出口次级流道深度的3～5倍；入口次级流道组中入口次级流道、各级输送流道组中的输送流道以及出口次级流道组中的出口次级流道的宽度都相同，以及上述流道的深度也都相同。

技术总结
本技术公开了一种适用于低浓度氢气的燃料电池双极板的阳极流场，包括：在阳极板板面的分隔梁的两侧设置氢气流道，分隔梁的两端部位置分别设置氢气入口和氢气出口，氢气入口位置以及氢气出口位置的阳极板上分别设置氢气输入通道和氢气输出通道，分隔梁每一侧的氢气流道均包括依次连通的至少两级迂回曲折状的输送流道组，每级输送流道组均包括间隔设置的若干条输送流道，每相邻两级输送流道组之间都通过分配腔连通；输送流道组中输送流道的数量由氢气入口向氢气出口方向逐级减少，输送流道组在分隔梁的两侧对称设置；每一侧的输送流道组分别与氢气入口和氢气出口连通。本技术的优点是：大大提高氢气利用效率并适于低浓度氢气。

技术研发人员：吕青青,董健,刘波,赵一帆,张驰
受保护的技术使用者：江苏铧德氢能源科技有限公司
技术研发日：20230306
技术公布日：2024/1/13