CN110112436A - 电池极板、燃料电池、电动车及电器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的电池极板、燃料电池、电动车及电器涉及电池领域。电池极板包括补气通道和多个并列的流道脊背，各流道脊背与相邻的流道脊背之间形成流体通道；补气通道截断各流道脊背，补气通道与各流体通道连通。通过补气通道为补气通道下游侧的流体通道补入反应气体，一方面，补入反应气体有利于提升补气通道下游侧流体通道的反应气体浓度，增加补气通道下游侧的电流密度，提升补气通道下游流体通道的利用率和发电能力；另一方面，在补入反应气体的带动下，流体通道中的水分能够被及时带走，有利于流体通道的排水，避免水蒸气和液态水大量富集在补气通道下游侧的流体通道中，降低补气通道下游侧被水淹的可能性，避免影响反应气体的扩散。
Description
技术领域
本发明涉及电池领域，具体是涉及一种电池极板、燃料电池、电动车及电器。
背景技术
在燃料电池工作过程中，反应气体沿着流体通道，一边流动一边被吸附参加反应，浓度逐渐下降，往往使得流体通道的上游段气体浓度高，电流密度较高，而流通通道的下游段气体浓度低，流体通道下游段的催化层处于“燃料饥饿”状态，电流密度较低。
尤其对于采用流体通道较长的燃料电池，沿反应气体流动的方向，气体反应浓度和电流密度下降问题更加明显，这进一步造成燃料电池电流密度的不均匀和产热的不均匀，对燃料电池性能及使用寿命具有负面影响。
此外，氢氧燃料电池反应生成物为水，随着反应的进行，水蒸气和液态水逐步富集在流体通道中，尤其容易积聚在流体通道的下游段，这对反应气体向催化层的扩散传质造成不利影响。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种电流密度均匀的电池极板。
为了实现上述目的，本发明提供的电池极板包括补气通道和形成在电池极板的一个表面上的多个并列的流道脊背，各流道脊背与相邻的流道脊背之间形成流体通道；补气通道截断各流道脊背，补气通道与各流体通道连通。
由上可见，本发明通过对电池极板的结构设计，通过设置补气通道，能够通过补气通道为补气通道下游侧的流体通道补入反应气体，一方面，补入反应气体有利于提升补气通道下游侧流体通道的反应气体浓度，增加补气通道下游侧的电流密度，提升补气通道下游侧流体通道的利用率和发电能力；另一方面，补入的干燥反应气体能够将补气通道下游侧流体通道中的水蒸气稀释，并且在补入反应气体的带动下，流体通道中的水分能够被及时带走，有利于流体通道的排水，避免水蒸气和液态水大量富集在补气通道下游侧的流体通道中，降低补气通道下游侧被水淹的可能性，避免影响反应气体向催化层的扩散，避免影响反应气体的正常反应，并且补气通道的补气量可根据实际需求进行调节，在水蒸气或液态水富集明显时可以适当调大补气量，以带走富集在补气通道下游侧的液态水和水蒸气，本申请技术方案尤其针对较大型号的电池极板而言，能够解决电池极板中部流体通道的补气和排水问题；其中，补气通道上游侧与下游侧是按流体通道中反应气体的流动方向进行界定的，流体通道中的反应气体从补气通道上游侧的流体通道补气通道后流向补气通道下游侧的流体通道；此外，只需为补气通道中补入反应气体，就能够实现对补气通道下游侧的所有流体通道进行补气，而不用为每个流体通道单独补气，不用为每个流体通道单独设置补气通道，有利于电池极板的结构简洁。
一个优选的方案是，补气通道的延伸轨迹呈直线状。
另一个优选的方案是，补气通道的延伸轨迹呈波浪状或锯齿状。
由上可见，这样补充的反应气体能够更为均匀的弥散，便于各补气通道均匀补气。
再一个优选的方案是，补气通道的延伸轨迹呈弧线状。
又一个优选的方案是，补气通道的延伸轨迹呈抛物线状。
进一步的方案是，还包括补气口，补气口位于补气通道的一端，补气通道的延伸轨迹的靠近补气口一端的切线与流体通道的延伸方向垂直；从靠近补气口的一端至远离补气口的一端，补气通道的延伸轨迹逐渐向下游侧偏弯。
由上可见，由于流体通道内尚有部分的反应气体，在流体通道内原有反应气体的带动下，从补气口补入的反应气体容易向补气通道下游侧偏弯，因此将补气通道的延伸轨迹设置为从靠近补气口的一端至远离补气口的一端逐渐向补气通道下游侧偏弯，这样从补气口补入的气体能够沿补气通道流得更远，有利于补气通道为更多流体通道补气，提升补气均匀性，进一步提升流体通道内反应气体的均匀性，提升燃料电池电流密度的均匀性。
又一个优选的方案是，还包括补气口，补气口开设于补气通道上，或补气口位于补气通道的一端。
又一个优选的方案是，补气通道上游侧的至少一个流体通道内设有补气管，补气管的一端连通至电池极板的气体入口，补气管的另一端连通至补气通道。
由上可见，在补气通道上游侧的至少一个流体通道中设置补气管，通过该补气管为补气通道补入反应气体，新补入的反应气体通过补气通道分散至补气通道下游侧的各流体通道中，能够实现发明目的。
进一步的方案是，补气管的侧壁上开设有贯通管壁的第一气孔。
由上可见，第一气孔的设置，使得设置补气管的流体通道内能有反应气体参加反应，避免设置补气管的流体通道出现燃料饥饿现象。
更进一步的方案是，第一气孔的数量为至少两个，各第一气孔沿流体通道的延伸方向分布。
又一个优选的方案是，补气通道上游侧的至少一个流体通道采用第一覆板覆盖，第一覆板与对应的流体通道的壁面围成补气腔道。
由上可见，这样便于通过补气腔道为补气通道提供反应气体，设置补气腔道与设置补气管的远离类似，这里不再赘述。
进一步的方案是，第一覆板与对应的流体通道两侧的流道脊背焊接。
更进一步的方案是，第一覆板上开设有第二气孔。
再进一步的方案是，第二气孔的数量为至少两个，各第二气孔沿流体通道的延伸方向分布。
还一个优选的方案是，还包括第二覆板，第二覆板覆盖补气通道。
由上可见，这样第二覆板将补气通道中的反应气体隔开，避免补气通道内的反应气体直接参与反应，保证从补气通道补入的反应气体能够扩散至更远处的流体通道，有利于使补气通道下游侧的各流体通道更加平衡地得到反应气体的补充，便于更加平衡地解决补气通道下游侧各流体通道的补气和排水问题。
本发明的目的之二是提供一种性能优良、电池极板上电流密度均匀的燃料电池。
为了实现上述目的，本发明提供的燃料电池包括阴极板、阳极板和质子交换膜，质子交换膜位于阴极板和阳极板之间，阴极板采用前述的电池极板和/或阳极板采用前述的电池极板。
由上可见，本发明的燃料电池由于采用前述的电池极板，使得一方面，补入反应气体有利于提升补气通道下游侧流体通道的反应气体浓度，增加补气通道下游侧的电流密度，提升补气通道下游流体通道的利用率和发电能力，有利于燃料电池电流密度均匀和产热均匀，提升电池极板及燃料电池的性能；另一方面，补入的干燥反应气体能够将补气通道下游侧流体通道中的水蒸气稀释，并且在补入反应气体的带动下，流体通道中的水分能够被及时带走，有利于流体通道的排水，避免水蒸气和液态水大量富集在补气通道下游侧的流体通道中，降低补气通道下游侧被水淹的可能性，避免影响反应气体的扩散，进一步有利于提升燃料电池的性能。
本发明的目的之三是提供一种性能优良、电池极板电流密度均匀的电动车。
为了实现上述目的，本发明提供的电动车包括前述的燃料电池。
由上可见，本发明的电动车由于采用前述的燃料电池，燃料电池的性能优良，使用寿命长，便于提升电动车的动力性能和使用寿命。
本发明的目的之四是提供一种性能优良、电池极板电流密度均匀的电器。
为了实现上述目的，本发明提供的电器包括前述的燃料电池。
由上可见，本发明的电器由于采用前述的燃料电池，燃料电池的性能优良，使用寿命长，便于提升电器性能和使用寿命。
附图说明
图1是本发明电池极板实施例一的示意图；
图2是本发明电池极板实施例一变形方案一中补气通道及流体通道的设置的示意图；
图3是本发明电池极板实施例一变形方案二中补气通道及流体通道的设置的示意图；
图4是本发明电池极板实施例二中补气通道及流体通道的设置示意图；
图5是本发明电池极板实施例二变形方案中补气通道及流体通道的设置示意图。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
电池极板、燃料电池、电动车及电器实施例：
本实施例采用图1所示的坐标系进行描述。
本实施例的电器采用本实施例的燃料电池，本实施例的电动车采用本实施例的燃料电池，本实施例的燃料电池由多个双极板叠置而成，双极板由阴极板、阴极扩散层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极扩散层及阳极板依次叠制而成，本实施例的燃料电池中，阴极板和阳极板均采用本实施例的电池极板。
请参照图1，本实施例的电池极板具有阴极进口1、阳极进口2、阴极出口3、阳极出口4、补气口5、冷却水进口6、冷却水出口7以及补气通道8、多个流道脊背9和多个流体通道10，各流道脊背9及各流体通道10均沿Y轴方向延伸，各流道脊背9沿X轴方向间隔分布，各流体通道10形成于各流道脊背9及其相邻流道脊背之间。
沿Y轴方向，阴极进口1和阳极进口2位于流体通道10的一端，阴极出口3和阳极出口4位于流体通道10的另一端。
例如本实施例的电池极板为氢氧燃料电池的阴极板，燃料电池通过阴极进口1为阴极板供给氧气，氧气流经流体通道10，流体通道10中的氧气透过阴极扩散层至阴极催化层，在催化剂的作用下与氢离子(质子)、电子结合后生成水，未反应的氧气和生成的水通过阴极出口3导出；此外，本实施例的燃料电池中，通过阳极进口2为阳极板供给氢气，在催化剂的作用下氢气分解为质子和电子，其中质子通过膜电极中的质子交换膜传输至阴极，电子通过外电路流动到达阴极。阳极板上流体通道中未反应完的氢气通过阳极出口4排出。
燃料电池阴阳极板中间形成了冷却管路，位于冷却水进口6和冷却水出口7之间。
补气通道8的轨迹沿X轴方向，补气口5位于补气通道8的沿X轴方向的一端，补气通道8将各流道脊背9截断，补气通道8与各所述流体通道10连通，补气通道8的Y轴正向一侧为上游侧，补气通道8的Y轴负向一侧为下游侧。
以氢氧燃料电池的阴极板为例，氧气(O2)从阴极进口1首先流入补气通道8上游侧的流体通道10，氧离子(O2－)与氢离子(H+)结合生成水(H2O)，随着反应的进行，氧气浓度会逐渐下降，水份的聚集也会逐渐增多，因此设置补气通道8，通过补气通道8为各流体通道10补入氧气，一方面，补入氧气有利于提升补气通道8下游侧流体通道10的氧气浓度，有利于增加补气通道8下游侧的电流密度，有利于燃料电池电流密度均匀和产热均匀，提升补气通道8下游侧流体通道10的利用率和发电能力，提升电池极板及燃料电池的性能；另一方面，补入的干燥氧气能够将补气通道8下游侧流体通道10中的水蒸气稀释，并且在补入氧气的带动下，流体通道10中的水分能够被及时带走，有利于流体通道10的排水，避免水蒸气和液态水大量富集在补气通道8下游侧的流体通道10中，降低补气通道8下游侧被水淹的可能性，避免影响氧气在阴极扩散层的扩散。
可选择地，请参照图1，补气通道8的轨迹81可以呈直线，优选地，补气通道8的轨迹81沿X轴方向延展。
当然，请参照他2，补气通道8的轨迹82也可以呈波浪状或锯齿状，优选地补气通道8轨迹82的波形绕X轴方向的直线上下波动。这样有利于新补入的反应气体更好的向各流体通道10扩散。
优选地，请参照图3，补气通道8的轨迹83呈抛物线状或弧线状，补气通道8轨迹83的沿X轴负向的一端与X轴方向相切，补气口5位于补气通道8的沿X轴负向的一端，补气通道8的沿X轴正向的一端向Y轴负向偏弯。由于流体通道10内尚有部分的反应气体，因此，从流体通道10的侧向补入的反应气体容易在流体通道10内原本反应气体的带动下向Y轴负向偏弯，因此将补气通道8设为沿X轴正向逐渐向Y轴负向偏弯，这样从补气口5补入的气体能够沿补气通道8流得更远，有利于补气通道8为更多流体通道10补气，提升补气均匀性，进一步提升流体通道10内反应气体的均匀性，提升燃料电池电流密度的均匀性，并且更有利于将补气通道8下游侧水分带走。
可选择地，流体通道10不一定沿直线延伸，流体通道还可以是波浪状、弧线状等。
优选地，补气通道8上覆盖有第二覆板84，这样第二覆板84将补气通道8中的反应气体与扩散层隔开，避免补气通道8中的反应气体直接向扩散层扩散，避免补气通道8中的反应气体直接参与反应，保证从补气通道8补入的反应气体能够扩散至更远处的流体通道10，便于更加平衡地解决补气通道8下游侧各流体通道10的补气和排水问题。
电池极板、燃料电池及电动车实施例二：
请参照图4，本实施例的电池极板取消实施例一中的补气口5，并在补气通道8上游侧的部分流体通道10内设置补气管11。并在补气管11的管壁上开设多个沿Y轴分布的气孔12，以阴极板为例，补气管11的一端与阴极进口1连通，补气管11的另一端与补气通道8连通。
这样补气管11中的反应气体大部分不会在补气通道8上游侧发生反应，反应气体通过补气管11进入到补气通道8，并从补气通道8向补气通道8下游侧的各流体通道10分散，以便为补气通道8下游侧的各流体通道10补充反应气体。
在补气管11的管壁上开设气孔12是为了设置补气管11的流体通道10内能有反应气体参加反应，避免设置补气管11的流体通道10出现燃料饥饿现象。
当然，也可以取消补气管11管壁上的气孔12，并且限制补气管11的尺寸，避免补气管11将对应流体通道10全部占用，这样也能避免设置补气管11的流体通道10出现燃料饥饿现象。
可选择地，请参照图5，还可以采用第一覆板13将补气通道8上游侧的部分流体通道10覆盖，第一覆板13与对应流体通道10两侧的流道脊背9焊接，并在第一覆板13上开设气孔14，通过第一覆板13覆盖住的流体通道10为补气通道8补入反应气体，同样能实现发明目的。
最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (18)
1.电池极板，包括形成在所述电池极板一个表面上的多个并列的流道脊背，各所述流道脊背与相邻的流道脊背之间形成流体通道；
其特征在于：
还包括补气通道，所述补气通道截断各所述流道脊背，所述补气通道与各所述流体通道连通。
2.根据权利要求1所述的电池极板，其特征在于：
所述补气通道的延伸轨迹呈直线状。
3.根据权利要求1所述的电池极板，其特征在于：
所述补气通道的延伸轨迹呈波浪状或锯齿状。
4.根据权利要求1所述的电池极板，其特征在于：
所述补气通道的延伸轨迹呈弧线状。
5.根据权利要求1所述的电池极板，其特征在于：
所述补气通道的延伸轨迹呈抛物线状。
6.根据权利要求5所述的电池极板，其特征在于：
还包括补气口，所述补气口位于所述补气通道的一端，所述补气通道的延伸轨迹的靠近所述补气口一端的切线与所述流体通道的延伸方向垂直；从靠近所述补气口的一端至远离所述补气口的一端，所述补气通道的延伸轨迹逐渐向所述补气通道的下游侧偏弯。
7.根据权利要求1至5任一项所述的电池极板，其特征在于：
还包括补气口，所述补气口开设于所述补气通道上，或所述补气口位于所述补气通道的一端。
8.根据权利要求1至5任一项所述的电池极板，其特征在于：
所述补气通道上游侧的至少一个所述流体通道内设有补气管，所述补气管的一端连通至所述电池极板的气体入口，所述补气管的另一端连通至所述补气通道。
9.根据权利要求8所述的电池极板，其特征在于：
所述补气管的侧壁上开设有贯通管壁的第一气孔。
10.根据权利要求9所述的电池极板，其特征在于：
所述第一气孔的数量为至少两个，各所述第一气孔沿所述流体通道的延伸方向分布。
11.根据权利要求1至5任一项所述的电池极板，其特征在于：
所述补气通道上游侧的至少一个所述流体通道采用第一覆板覆盖，所述第一覆板与对应的流体通道的壁面围成补气腔道。
12.根据权利要求11所述的电池极板，其特征在于：
所述第一覆板与对应的流体通道两侧的流道脊背焊接。
13.根据权利要求12所述的电池极板，其特征在于：
所述第一覆板上开设有第二气孔。
14.根据权利要求13所述的电池极板，其特征在于：
所述第二气孔的数量为至少两个，各所述第二气孔沿所述流体通道的延伸方向分布。
15.根据权利要求1至5任一项所述的电池极板，其特征在于：
还包括第二覆板，所述第二覆板覆盖所述补气通道。
16.燃料电池，包括阴极板、阳极板和质子交换膜，所述质子交换膜位于所述阴极板和所述阳极板之间，其特征在于：
所述阴极板采用如权利要求1至15任一项所述的电池极板，和/或所述阳极板采用如权利要求1至15任一项所述的电池极板。
17.电动车，其特征在于：
包括如权利要求16所述的燃料电池。
18.电器，其特征在于：
包括如权利要求16所述的燃料电池。
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2019
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