CN109830705B - 一种燃料电池极板结构及电堆 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种燃料电池极板结构及电推，极板结构包括极板，所述极板上设置有燃料入口、空气入口和冷却液入口，以及燃料出口、空气出口和冷却液出口，所述空气入口与空气出口之间设置有流道，形成流场，所述流道包括若干限流通道，所述限流通道设置入口和出口处，以限制进出流速或/和流量，入口和出口侧限流通道之间设置有多个分支通道，所述分支通道的底面与极板所在平面构成一定的倾斜角度。

Description

一种燃料电池极板结构及电堆
技术领域
本公开涉及一种燃料电池极板结构及电堆。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有绿色环保、能量密度高、发电效率高、启动速度快等优点，被认为是最具潜力的未来车用动力源之一。在实际应用中，由于单片PEMFC的输出功率较低，因此大多是通过多个单电池串联，以电池堆的形式满足用户对功率或者电压的需求。
PEMFC在工作时，要求电堆中各单电池性能须保持一致性。然而，由于PEMFC存在结构设计不当、组装不合理等因素，常常会导致反应气体在极板和各单电池之间分布不均，影响了燃料电池输出性能的提高。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种燃料电池极板结构及电堆，本公开通过燃料电池极板的结构优化、电堆的合理装配等途径，来保证电堆输出性能的一致性和燃料电池综合性能的提升。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种燃料电池极板结构，包括极板，所述极板上设置有燃料入口、空气入口和冷却液入口，以及燃料出口、空气出口和冷却液出口，所述空气入口与空气出口之间设置有流道，形成流场，所述流道包括若干限流通道，所述限流通道设置入口和出口处，以限制进出流速或/和流量，入口和出口侧限流通道之间设置有多个分支通道，所述分支通道的底面与极板所在平面构成一定的倾斜角度。
作为进一步的限定，所述极板上还设置有定位孔。
作为进一步的限定，所述分支通道包括多个，为平行直通道，且分支通道的下游横截面积小于上游横截面积。
作为进一步的限定，所述分支通道之间设置有脊。
作为一种优选的方案，所述燃料入口总管截面积为N1、冷却液入口总管截面积和冷却液出口总管截面积为N2、空气入口总管截面积为N3，N1<N2<N3。
作为一种优选的方案，所述燃料出口总管截面积为N4，所述空气出口总管截面积为N5，N1>N4，N3>N5。
作为一种优选的方案，所述流场的通道结构形式为平行直通道，通道截面为矩形或梯形。
作为一种优选的方案，所述分支通道的底面与极板所在平面形成1°～15°的夹角。
作为一种优选的方案，所述分支通道设置于流场的两侧和中部，且两侧的分支通道的宽度大于位于中部的分支通道的宽度；所述分支通道的宽度为(0.3mm，3mm)；所述脊的宽度为(0.3mm，3mm)。
当反应气体进入极板流场后，由于左右两侧的分支通道的宽度大于极板中心分支通道的宽度，有利于更多的反应气体进入极板两侧流场，故垂直于于流动方向上的反应更加均匀；左右两侧的分支通道和中心处的分支通道底面有一定的倾斜角度，提高了反应气体在流动下游的速度，利于反应气体向电极内扩散；电堆装配时靠近总管出入口的单电池倾斜角度较大，即流动阻力大，则进入该处单电池的气体流量相应减少，有利于气体继续向远处的单电池流动，增加了总管后段进入单电池的气体流量，使反应气体在各单电池之间分配地更加均匀。
作为一种优选的方案，所述极板材质为石墨、金属等。
一种电堆，包括多个并列的上述燃料电池极板结构，所述燃料电池极板结构的倾斜角度不同。
作为进一步的限定，前一组的极板结构的分支通道的底面倾斜角度大于后一组极板结构。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开解决了反应气体在单电池和整个电堆内分布不均匀的问题，提高了膜电极催化剂的利用率，使得各单电池的性能更加均匀一致，显著提高了燃料电池综合性能。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1(a)(b)是本实施例的燃料电池极板的结构示意图；
图2是本实施例的分支通道a或分支通道b的结构示意图；
图3是本实施例的电堆装配示意图；
其中：1-氢气入口总管、2-空气入口总管、3-冷却液入口总管、4-氢气出口总管、5-空气出口总管、6-冷却液出口总管、7-流道、8-限流通道a、9-限流通道b、10-分支通道a、11-分支通道b、12-脊、13-定位孔、14-极板、15-单电池、16-电堆。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
本实施例中，以氢气为反应燃气进行详细描述，当然，在其他实施例中，可以替换为其他反应物。
如图1(a)(b)所示，一种燃料电池极板结构，所述极板包括氢气入口总管、空气入口总管、冷却液入口总管、氢气出口总管、空气出口总管、冷却液出口总管、流道、限流通道a、限流通道b、分支通道a、分支通道b、脊、定位孔等结构。所述入口总管和所述出口总管位于极板上下两端，所述流道包括限流通道和分支通道，所述定位孔位于极板上下两端的对角，所述分支通道a位于极板流场左右两侧，所述分支通道b位于极板流场中心位置，所述分支通道a和分支通道b的底面与极板所在平面构成一定的倾斜角度。
如图3所示，电堆由若干组倾斜角度不同的单电池组合装配而成。
优选地，所述氢气入口总管截面积为N1、冷却液入口总管截面积和冷却液出口总管截面积为N2、空气入口总管截面积为N3，N1<N2<N3。
优选地，所述氢气出口总管截面积为N4，所述空气出口总管截面积为N5，N1>N4，N3>N5。
优选地，所述限流通道a和限流通道b共有3～10根，所述限流通道a和限流通道b的下游皆与3～10根分支通道a或分支通道b相连。
优选地，所述流场的通道结构形式为平行直通道，通道截面为矩形或梯形，所述分支通道a与分支通道b的底面与极板所在平面形成1°～15°的夹角，其中分支通道a与分支通道b的下游横截面积小于上游横截面积。
优选地，所述分支通道a位于极板左右两侧(流场的外侧)，通道宽度为N6(0.3mm<N6<3mm)，通道个数为3～10个；所述分支通道b位于极板流场的中部，通道宽度为N7(0.3mm<N7<3mm)，通道个数为3～10个。
优选地，所述脊的宽度为N8(0.3mm<N8<3mm)，整个流场脊的宽度一致，其中N7≤N8<N6。
优选地，所述极板材质为石墨、金属等。
优选地，所述电堆为U形进气结构，电堆由10～300个单电池串联组成，所述电堆可分为N9组(2<N9<10)，且前一组单电池的(靠近出入口位置)分支通道a与分支通道b的底面倾斜角度大于后一组。
当反应气体进入极板流场后，由于左右两侧的分支通道a的宽度大于极板中心分支通道b的宽度，有利于更多的反应气体进入极板两侧流场，故垂直于于流动方向上的反应更加均匀；分支通道a和分支通道b底面有一定的倾斜角度，提高了反应气体在流动下游的速度，利于反应气体向电极内扩散；电堆装配时靠近总管出入口的单电池倾斜角度较大，即流动阻力大，则进入该处单电池的气体流量相应减少，有利于气体继续向远处的单电池流动，增加了总管后段进入单电池的气体流量，使反应气体在各单电池之间分配地更加均匀。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种燃料电池极板结构，其特征是：包括极板，所述极板上设置有燃料入口、空气入口和冷却液入口，以及燃料出口、空气出口和冷却液出口，所述空气入口与空气出口之间设置有流道，形成流场，所述流道包括若干限流通道，所述限流通道设置入口和出口处，以限制进出流速或/和流量，入口和出口侧限流通道之间设置有多个分支通道，所述分支通道的底面与极板所在平面构成一定的倾斜角度；
所述分支通道设置于流场的两侧和中部，且两侧的分支通道的宽度大于位于中部的分支通道的宽度。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池极板结构，其特征是：所述极板上还设置有定位孔。
3.如权利要求1所述的一种燃料电池极板结构，其特征是：所述分支通道包括多个，为平行直通道，且分支通道的下游横截面积小于上游横截面积。
4.如权利要求1所述的一种燃料电池极板结构，其特征是：所述分支通道之间设置有脊。
5.如权利要求1所述的一种燃料电池极板结构，其特征是：所述燃料入口总管截面积为N1、冷却液入口总管截面积和冷却液出口总管截面积为N2、空气入口总管截面积为N3，N1<N2<N3；
或/和，所述燃料出口总管截面积为N4，所述空气出口总管截面积为N5，N1>N4,N3>N5。
6.如权利要求1所述的一种燃料电池极板结构，其特征是：所述流场的通道结构形式为平行直通道，通道截面为矩形或梯形。
7.如权利要求1所述的一种燃料电池极板结构，其特征是：所述分支通道的底面与极板所在平面形成1°～15°的夹角。
8.如权利要求4所述的一种燃料电池极板结构，其特征是：所述分支通道的宽度为(0.3mm，3mm)；所述脊的宽度为(0.3mm，3mm)。
9.一种电堆，其特征是：包括多个并列的如权利要求1-8中任一项所述的燃料电池极板结构，所述燃料电池极板结构的倾斜角度不同。
10.如权利要求9所述的一种电堆，其特征是：前一组的极板结构的分支通道的底面倾斜角度大于后一组极板结构。
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