CN109830704A - 基于树状流道结构的氢燃料电池双极板 - Google Patents

基于树状流道结构的氢燃料电池双极板 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，具体公开一种基于树状流道结构的氢燃料电池双极板，所述双极板包括若干矩形区域，所述矩形区域包括出口通道和n级呈树状分布的梯形流道第i级梯形流道与第(i+1)级梯形流道的进口连通；第i级梯形流道的长度Li＞第(i+1)级梯形流道的长度Li+1；第i级梯形流道的进口宽度Di＞第i级梯形流道的出口宽度D＇i；第i级梯形流道的进口宽度Di＞第(i+1)级梯形流道的进口宽度Di+1；第n级梯形流道的出口与所述出口通道连通。本发明提供一种基于树状流道结构的氢燃料电池双极板，能有效提高电堆的功率密度。

Description

基于树状流道结构的氢燃料电池双极板
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种基于树状流道结构的氢燃料电池双极板。
背景技术
随着全球经济的飞速发展，化学燃料的不断开发和利用造成了能源短缺及环境污染等严重的问题。为发展清洁能源，世界各国正大力发展氢能技术。作为氢能技术的重要环节，氢燃料电池的研发与应用方兴未艾。
一般地，氢燃料电池由氢燃料电池电堆、氢气循环泵、空气压缩机、加湿器、冷却系统和控制系统构成。氢燃料电池电堆作为氢燃料电池中最核心的部件，主要由双极板、膜电极等构成。
双极板在质子膜氢燃料电池中的作用主要包括：
①收集反应产生的电流并将其沿电堆的串联方向进行传导；
②分隔燃料和氧化剂，并使其分别在每个电池单体的负极和正极催化剂表面均匀分配；
③排除生成产物水；
④引入冷却介质，确保电堆的温度稳定，并分布均匀；
⑤分隔燃料电池中的各节电池单体，并支撑组相对柔软的电解质膜和由负载在微米级载体上的纳米活性剂。
因此，在对双极板进行流道设计时，提高电池单体的使用面积和放点功率密度对提升电堆的功率密度有着显著作用。现有的双极板流到结构过于简单，导致电堆的功率密度不高，故需要一种能有效提高电堆的功率密度的双极板。
发明内容
本发明的一个目的在于，提供一种基于树状流道结构的氢燃料电池双极板，能有效提高电堆的功率密度。
为达以上目的，本发明提供一种基于树状流道结构的氢燃料电池双极板，所述双极板包括若干矩形区域，所述矩形区域包括出口通道和n级呈树状分布的梯形流道：
第i级梯形流道与第(i+1)级梯形流道的进口连通；
第i级梯形流道的长度Li＞第(i+1)级梯形流道的长度Li+1；
第i级梯形流道的进口宽度Di＞第i级梯形流道的出口宽度D＇i；
第i级梯形流道的进口宽度Di＞第(i+1)级梯形流道的进口宽度Di+1；
第n级梯形流道的出口与所述出口通道连通；
其中，
n：梯形流道的级数，n∈N且n≥2；
i：各级梯形流道的编号，i∈N且i≤(n-1)。
优选地，第1级梯形流道的数量为一条，且所述第1级梯形流道沿所述矩形区域的一对角线布置。
优选地，
第i级梯形流道的梯形角ɑi＝第(i+1)级梯形流道的梯形角ɑi+1；
其中，
ɑ：所述梯形流道的两侧壁所在的平面的夹角。
优选地，所述出口通道包括：
一级通道，所述一级通道位于两相邻的所述矩形区域之间，所述一级通道用于连通相邻的两矩形区域；
二级通道，所述二级通道位于所述矩形区域的边沿位置并与所述一级通道连通，所述二级通道用于连通延伸至矩形区域的边沿位置的梯形流道和所述一级通道；
三级通道，所述三级通道用于连通第n级梯形流道的出口与所述二级通道。
优选地，所述矩形区域为正方形区域。
优选地，所述正方形区域的边长与所述双极板的宽度相等。
本发明的有益效果在于：提供一种基于树状流道结构的氢燃料电池双极板，其树状分布的梯形流道结构具有沿程阻力小、易于反应气体扩散以及可提高氢气与氧气的反应速率和转化率等优点，从而可以能有效提高电堆的功率密度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为实施例提供的基于树状流道结构的氢燃料电池双极板的结构示意图；
图2为实施例提供的矩形区域的结构示意图；
图3为实施例提供的第1级梯形流道各参数的示意图。
图中：
1、矩形区域；
101、第1级梯形流道；
102、第2级梯形流道；
103、第3级梯形流道；
104、一级通道；
105、二级通道；
106、三级通道。
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。当一个组件被认为是“设置在”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中设置的组件。
此外，术语“长”“短”“内”“外”等指示方位或位置关系为基于附图所展示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或原件必须具有此特定的方位、以特定的方位构造进行操作，以此不能理解为本发明的限制。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
图1为本实施例提供的基于树状流道结构的氢燃料电池双极板的结构示意图；图2为实施例提供的矩形区域的结构示意图；图3为实施例提供的第1级梯形流道各参数的示意图。
参见图1～图3，本实施例提供一种基于树状流道结构的氢燃料电池双极板，所述双极板包括若干矩形区域1，所述矩形区域1包括出口通道和n级呈树状分布的梯形流道。优选地：
第i级梯形流道与第(i+1)级梯形流道的进口连通；
第i级梯形流道的长度Li＞第(i+1)级梯形流道的长度Li+1；
第i级梯形流道的进口宽度Di＞第i级梯形流道的出口宽度D＇i；
第i级梯形流道的进口宽度Di＞第(i+1)级梯形流道的进口宽度Di+1；
第n级梯形流道的出口与所述出口通道连通；
第i级梯形流道的梯形角ɑi＝第(i+1)级梯形流道的梯形角ɑi+1；
其中，
n：梯形流道的级数，n∈N(自然数)且n≥2；
i：各级梯形流道的编号，i∈N(自然数)且i≤(n-1)；
ɑ：所述梯形流道的两侧壁所在的平面的夹角。
于本实施例中，第1级梯形流道101的数量为一条，且所述第1级梯形流道101沿所述矩形区域1的一对角线布置。具体地，由于第1级梯形流道101沿所述矩形区域1的一对角线布置，所以L1是最长的。优选地，如图1所示，第2级梯形流道102可以从第1级梯形流道101开始出发，以横平竖直的方式延伸至矩形区域1的边沿位置，进一步地，相邻的第2级梯形流道102之间的距离相等，相邻的第2级梯形流道102之间的距离可以为0.1L1～0.9L1，这视乎设计需要而定。第3级梯形流道103与第2级梯形流道102成45°。如此类推，直至各级梯形流道已经大致将整个矩形区域1布满为止。
于本实施例中，所述出口通道包括一级通道104、二级通道105和三级通道106。所述一级通道104位于两相邻的所述矩形区域1之间，所述一级通道104用于连通相邻的两矩形区域1；所述二级通道105位于所述矩形区域1的边沿位置并与所述一级通道104连通，所述二级通道105用于连通延伸至矩形区域1的边沿位置的梯形流道和所述一级通道104；所述三级通道106用于连通第n级梯形流道的出口与所述二级通道105。优选地，各级出口通道可以均为矩形通道。
为了使矩形区域1的面积最大，所述矩形区域1优选为正方形区域，进一步地，所述正方形区域的边长与所述双极板的宽度相等。
本实施例中，如图2和图3所示，为方便理解，已经标识了第1级梯形流道101的长度L1、进口宽度D1、出口宽度D＇1和梯形角ɑ1。其他各级梯形流道的参数同理，此处不再赘述。
具体地，气体从第1级梯形流道101的进口进入矩形区域1，然后依次流经第2级梯形流道102、第3级梯形流道103……第n级梯形流道后，最终通过出口通道流出。本实施例提供的双极板，其树状分布的梯形流道结构具有沿程阻力小、易于反应气体扩散以及可提高氢气与氧气的反应速率和转化率等优点，从而可以能有效提高电堆的功率密度。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于树状流道结构的氢燃料电池双极板，其特征在于，所述双极板包括若干矩形区域(1)，所述矩形区域(1)包括出口通道和n级呈树状分布的梯形流道：
第i级梯形流道与第(i+1)级梯形流道的进口连通；
第i级梯形流道的长度Li＞第(i+1)级梯形流道的长度Li+1；
第i级梯形流道的进口宽度Di＞第i级梯形流道的出口宽度D＇i；
第i级梯形流道的进口宽度Di＞第(i+1)级梯形流道的进口宽度Di+1；
第n级梯形流道的出口与所述出口通道连通；
其中，
n：梯形流道的级数，n∈N且n≥2；
i：各级梯形流道的编号，i∈N且i≤(n-1)。
2.根据权利要求1所述的基于树状流道结构的氢燃料电池双极板，其特征在于，第1级梯形流道(101)的数量为一条，且所述第1级梯形流道(101)沿所述矩形区域(1)的一对角线布置。
3.根据权利要求1所述的基于树状流道结构的氢燃料电池双极板，其特征在于，
第i级梯形流道的梯形角ɑi＝第(i+1)级梯形流道的梯形角ɑi+1；
其中，
ɑ：所述梯形流道的两侧壁所在的平面的夹角。
4.根据权利要求1所述的基于树状流道结构的氢燃料电池双极板，其特征在于，所述出口通道包括：
一级通道(104)，所述一级通道(104)位于两相邻的所述矩形区域(1)之间，所述一级通道(104)用于连通相邻的两矩形区域(1)；
二级通道(105)，所述二级通道(105)位于所述矩形区域(1)的边沿位置并与所述一级通道(104)连通，所述二级通道(105)用于连通延伸至矩形区域(1)的边沿位置的梯形流道和所述一级通道(104)；
三级通道(106)，所述三级通道(106)用于连通第n级梯形流道的出口与所述二级通道(105)。
5.根据权利要求1所述的基于树状流道结构的氢燃料电池双极板，其特征在于，所述矩形区域(1)为正方形区域。
6.根据权利要求5所述的基于树状流道结构的氢燃料电池双极板，其特征在于，所述正方形区域的边长与所述双极板的宽度相等。
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