CN113809350B - 燃料电池和电池单体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池和电池单体。该极板包括背面及与背面相背离的正面，正面具有依次布设的流体输入区、流场区及流体输出区，流场区中具有由靠近流体输入区的一端延伸至靠近流体输出区的一端的流道，且流场区靠近流体输入区的一端至靠近流体输出区的一端与背面的距离逐渐增大或减小。由于该流场区形成了有坡度的阶梯式设计，致使在极板中的流场区产生的水可以在重力作用下自主地向下排出，有效地避免了在流道内发生水淹的情况。此外，极板中设置的流场区没有复杂的设计，其在工业生产上方便操作，生产成本低。并且，由上述极板形成的电池单体会具有更大的有效活性面积，从而提升了燃料电池性能。

Description

燃料电池和电池单体

技术领域

本发明涉及电池堆的技术领域，特别是涉及燃料电池和电池单体。

背景技术

燃料电池电堆通常由极板和膜电极组成的单电池依次堆叠串联而成，其中，膜电极密封于两个极板之间，形成单电池。传统电池极板中，通常为了使气体均匀分布需要设计较为复杂的流场，而较为复杂的流场会给电池排水带来一定的阻力。一旦排水不畅，就会在燃料电池内部发生水淹问题，使气体无法到达发生水淹的催化层区域。同时气体也会因流道内残留过多的水而流动受阻，燃料电池性能受到严重影响。

在传统技术中，通过改变极板中流场的设置，设计更为复杂的流道来增强排水的效果。然而，这种极板由于具有更为复杂的结构在工业生产上极其复杂并且成本高昂。此外，更为复杂的结构也会导致极板中气体的流动受到影响，从而降低反应效率。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术中极板内流场排水不畅，易引发电池内部发生水淹的问题，提供一种极板内流场中排水效果好，且结构简单的燃料电池和电池单体。

一种极板，包括背面及与所述背面相背离的正面，所述正面具有依次布设的流体输入区、流场区及流体输出区，所述流场区中具有由靠近所述流体输入区的一端延伸至靠近所述流体输出区的一端的流道，且所述流场区靠近所述流体输入区的一端至靠近所述流体输出区的一端与所述背面的距离逐渐增大或减小。

在其中一个实施例中，所述流场区所在平面与所述背面所在平面之间的夹角在0.5°与5°之间。

在其中一个实施例中，所述流体输入区所在平面和所述流体输出区所在平面均与所述背面所在平面平行。

在其中一个实施例中，所述流体输入区靠近所述流场区的一侧设有密封胶道，所述流体输出区靠近所述流场区的一侧也设有密封胶道。

在其中一个实施例中，所述流场区凸设有多个脊部，每一所述脊部由所述流体输入区向所述流体输出区纵长延伸，且多个所述脊部沿与其纵长延伸方向垂直的方向间隔布设，每相邻的两个所述脊部之间形成所述流道。

在其中一个实施例中，所述流场区具有扰流部，所述扰流部位于所述流道内。

在其中一个实施例中，所述扰流部凸设于所述流场区，且所述扰流部的凸出高度沿所述流道内气体的流动方向先逐渐增大再逐渐减小，以形成沿流体的流动方向依次布设的迎风面和背风面；或者

所述流场区凹陷形成所述扰流部，所述扰流部的凹陷深度沿所述流道内气体的流动方向先逐渐增大再逐渐减小，以形成沿流体的流动方向依次布设的背风面和迎风面。

在其中一个实施例中，所述流道内设有多个所述扰流部，多个所述扰流部沿所述扰流部的纵长延伸方向间隔布设；

每一所述扰流部在所述流道的宽度方向上的宽度尺寸与所述流道的宽度尺寸相等；

每相邻两个所述扰流部之间的间距与每一所述扰流部所述流道的纵长延伸方向上的长度尺寸的比值在0.3至2.0之间。

一种电池单体，包括膜电极以及两个如权利要求1-8中任一项所述的极板，所述膜电极设置于两个所述极板的所述正面之间；

其中一个所述极板，所述流场区靠近所述流体输入区的一端至靠近所述流体输出区的一端与所述背面的距离逐渐增大；其中另一个所述极板，所述流场区靠近所述流体输入区的一端至靠近所述流体输出区的一端与所述背面的距离逐渐减小。

一种燃料电池，包括多个如上任一实施例中所述的电池单体，多个所述电池单体依次堆叠设置。

上述燃料电池和电池单体，在使用中，气体从流体输入区进入流场区，并沿流场区的流道流动，进而逐渐进入贴合于极板正面的膜电极并发生反应产生水，气体在流过流场区后从流体输出区流出极板。由于极板中设置的流场区从靠近流体输入区的一端至靠近流体输出区的一端与背面之间的距离逐渐变化，即该流场区倾斜设置，致使在极板中的流场区产生的水可以在重力作用下顺着流场区的流道自主地向下排出，从而有效地避免了在流道内发生水淹的情况。此外，对于极板的流场区的流道无需进行复杂的设计，未增加生产难度，生产成本低。

附图说明

图1为根据本发明的一实施例的燃料电池的结构示意图；

图2为根据本发明的一实施例的电池单体的结构示意图；

图3为根据本发明的一实施例的极板中上极板的结构示意图；

图4为根据本发明的一实施例的极板中上极板的局部放大图；

图5为根据本发明的一实施例的极板中上极板的局部放大图；

图6为根据本发明的一实施例的扰流部沿流体流动方向截取的截面图；

图7为根据本发明的一实施例的扰流部沿流体流动方向截取的截面图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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发明和简化描述，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发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

参阅图1及图2，本发明一实施例中提供了一种极板1，该极板1包括背面A及与该背面A相背离的正面B，该正面B具有依次布设的流体输入区B1、流场区B2及流体输出区B3。流场区B2具有由靠近流体输入区B1的一端延伸至靠近流体输出区B3的一端的流道112，且流场区B2的靠近流体输入区B1的一端至靠近流体输出区B3的一端与背面A的距离逐渐增大或减小。

上述极板1，在使用中，气体从流体输入区B1进入流场区B2，并沿流场区B2的流道112流动，进而逐渐进入贴合于极板1正面的膜电极3并发生反应产生水，气体在流过流场区B2后从流体输出区B3流出极板1。由于极板1中设置的流场区B2从靠近流体输入区B1的一端至靠近流体输出区B3的一端与背面A之间的距离逐渐变化，即该流场区B2倾斜设置，致使在极板1中的流场区B2产生的水可以在重力作用下顺着流场区B2的流道112自主地向下排出，从而有效地避免了在流道112内发生水淹的情况。此外，对于极板1的流场区B2的流道112无需进行复杂的设计，未增加生产难度，生产成本低。

还需要说明的是，由于流场区B2倾斜设置，使得流场区B2的由流道112组成的流场相较于常规极板中的流场具有更大的面积，有利于提高反应效率，提升电池性能。

具体到实施例中，在极板1的流场区B2中，流场区B2靠近流体输入区B1的一端至靠近流体输出区B3的一端与背面A的距离逐渐增大或减小。换言之，即极板1对应流场区B2的厚度从靠近流体输入区B1的一端至靠近流体输出区B3的一端逐渐增大或减小，从而形成倾斜设置的斜坡(即应流场区B2倾斜设置)。具体来说，流场区B2所在的平面与背面A所在的平面之间的夹角可以在0.5°至5°之间。如此，将流场区B2所在的平面设计成相对背面A所在的平面倾斜0.5°至5°，即能有利于流场区B2中的水能够在自身重力的作用下沿着斜坡排出顺畅，又不会由于倾斜过度影响燃料电池的结构稳定性。优选地，流场区B2所在的平面与背面A所在的平面之间的夹角可以为1°。

请参见图2，具体到实施例中，可以从侧面观察极板1的结构。流体输入区B1所在的平面和流体输出区B3所在的平面均与背面A所在的平面平行。极板1的流体输入区B1与背面A之间的距离小于或大于极板1的流体输出区B3与背面A之间的距离。换言之，即极板1对应于流体输入区B1的厚度小于或大于极板1对应于流体输出区B3的厚度。如此，在实际使用时，流体输入区B1所在的平面、流体输出区B3所在的平面及背面A所在的平面处于水平状态，一方面有利于堆叠形成燃料电池，另一方面使得流场区B2处于相对水平面倾斜的状态，以便于流场区B2产生的水能够在自身重力作用下顺畅的排出。

请参见图3和图4所示，本发明的实施例中，流体输入区B1设置有流体进通道，该流体进通道包括第一气体进通道12、第二气体进通道和冷却液进通道。流体输出区B3设置有流体出通道，该流体出通道包括第一气体出通道13、第二气体出通道和冷却液出通道。

具体到实施例中，流场区B2的靠近流体输入区B1的一端设有第一气体入口14。第一气体进通道12内的气体通过该第一气体入口14进入流场区B2，并沿流道流动。流场区B2的靠近流体输出区B3的一端设有第一气体出口15。流场区B2中的气体通过该第一气体出口15排出至第一气体出通道13。

进一步地，背面A具有连通第一气体入口14与第一气体进通道12的槽，使得第一气体入口14和第一气体进通道12连通。背面A还具有连通第一气体出口15与第一气体出通道13的槽，使得第一气体出口15和第一气体出通道13连通。需要说明的是，气体能够从第一气体进通道12通过第一气体入口14进入流场区B2。进入到流场区的气体能够通过第一气体出口15排出至第一气体出通道13。

本发明的实施例中，流场区B2凸设有多个脊部111，每一脊部111由流体输入区B1向流体输出区B3纵长延伸，且多个脊部111沿与其纵长延伸方向垂直的方向间隔布设，每相邻的两个脊部111之间形成上述流道112，使得每条流道112均由流体输入区B1向流体输出区B3纵长延伸，若干条流道112构成流场11。需要说明的是，该流场11位于流场区B2的中央，该流场11的面积小于流场区B2的面积。如此，流体输入区B1的气体进入流场11的各个流道112，并向流体输出区B3流动，直至从流体输出区B3排出。并且，流场11中的气体进入到与流场区B2相贴合的膜电极3内，并发生反应而产生的水，反应产生的水能够在自身重力作用下沿流道112向下流动至流体输出区B3，并从该流体输出区B3排出，从而避免发生水淹现象。

具体到实施例中，如图4所示，流场区B2具有扰流部1121。该扰流部1121位于流道112内，用于对流道112内的气体进行扰流，促使气体进入与流场区B2相贴合的膜电极3内发生反应，提高气体利用率，有利于提高燃料电池性能。可以理解的是，流场区B2具有多条流道112，每条流道112内均设置有扰流部1121，以分别对每条流道112进行扰流。

在一个实施例中，扰流部1121凸设于流场区B2，且该扰流部1121的凸出高度沿流道112内气体的流动方向先逐渐增大再逐渐减小，以形成沿流道112内气体的流动方向依次布设的迎风面和背风面。如此，利用迎风面对流经的气流进行导向，使得气体朝向与流场区B2相贴合的膜电极3流动，进而进入该膜电极3内。

进一步地，每条流道112内设置多个扰流部1121，多个扰流部1121沿流道112的纵长延伸方向间隔布设。如此，在每条流道112的纵长延伸方向均对气流进行扰流，提升扰流效果。

进一步地，每一扰流部1121在流道112的宽度方向上的宽度尺寸与流道112的宽度尺寸相等，避免扰流部1121与流道112宽度方向上的侧壁存在间隙，以进一步提升扰流效果。

进一步地，同一流道112内的每相邻的两个扰流部1121之间的间距S与每一扰流部1121沿流道112的纵长延伸方向上的长度尺寸L的比值在0.3至2.0之间，有利于提高每个扰流部1121的扰流效果。优选地，同一流道112内的每相邻的两个扰流部1121之间的间距S与每一扰流部1121沿流道112的纵长延伸方向上的长度尺寸L的比值为1。

进一步地，参见图6和图7所示，可选地，迎风面与背风面所在的面形成的夹角a可以是在140度至160度之间。扰流部1121的在流道112纵长延伸方向的长度L可以是在3毫米至10毫米之间。

需要说明的是，在使用中，由于每个流道112中沿着气体流动的方向设置扰流部1121后，流入流道112的气体在接触扰流部1121的迎风面后，将会趋于朝向膜电极3的方向流动，使得更多的气体可以进入到膜电极3内并发生反应，从而有利于气体的反应效率提升，进而促进提升燃料电池的效率。

需要说明的是，扰流部1121并不仅限于凸设于流场区B2。请参见图5所示，在另一实施例中，扰流部1121也可由流场区B2向内凹陷形成，该扰流部1121的凹陷深度沿流道内气体的流动方向先逐渐增大再逐渐减小，以形成沿气体的流动方向依次布设的背风面和迎风面。如此，也能利用迎风面对流经的气流进行导向，使得气体朝向与流场区B2相贴合的膜电极3流动，进而进入该膜电极3内。

请参见图3和图4所示，具体到实施例中，在流体输入区B1靠近流场区B2的一侧设置有密封胶道51。该密封胶道51将流体输入区B1与流场区B2间隔开，确保两者不连通。在流体输出区B3靠近流场区B2的一侧也设置有密封胶道51。该密封胶道51将该流体输出区B3与流场区B2间隔开，确保两者不连通。密封胶道51的设置使得流体进通道和流体出通道分别与流场区B2间隔开。

参见图3和图4，本发明的实施例中，由于流体输入区B1水平设置和流场区B2倾斜设置，流体输入区B1与流场区B2的连接处形成弯折部。同样地，在流场区B2与流体输出区B3的连接处也形成弯折部。每个弯折部位于流场11与对应的密封胶道51之间。

如此，在使用时，该极板1的正面B贴合一膜电极3，膜电极3的有效反应区覆盖流场11。由于膜电极3的有效反应区不可弯折，因此，将流场11设置在流场区B2的中央，将弯折部设置在流场11之外，保证了贴合后的膜电极3的有效反应区位于流场区B2中央，且弯折部在膜电极3的有效反应区之外，从而确保了膜电极3的有效反应区不会弯折。

还需要说明的是，密封胶道51设置在流体输入区B1和流体输出区B3中，而不是设置在弯折部。从而避免了弯折部对密封胶道51的密封效果的影响，有利于确保密封效果。

基于上述极板1，本发明还提供一种电池单体10，该电池单体10包括膜电极3及两个如上任一实施例中所述的极板1。膜电极3设置于两个极板1的正面B之间，且两个极板的流体输入区B1彼此相对，两个极板1的流体输出区B3彼此相对。

在其中一个极板1中，流场区B2靠近流体输入区B1的一端至靠近流体输出区B3的一端与背面A的距离逐渐增大。在其中另一个极板2中，流场区B2靠近流体输入区B1的一端至靠近流体输出区B3的一端与背面A的距离逐渐减小。如此，两个极板1的流场区B2均由流体输入区B1向流体输出区B3的方向上向下倾斜设置，以便于极板1和极板2的流场区B2内的水均能够在自身重力作用下向流体输出区B3流动并排出。

为便于描述，在此结合附图示例性的将在构成电池单体时位于上方的极板1称为上极板1a，位于下方的极板1称为下极板1b。上极板1a和下极板1b的结构相类似，不同点在于：

上极板1a的流场区B2靠近流体输入区B1的一端至靠近流体输出区B3的一端与背面A的距离逐渐增大。换言之，即上极板1a对应流场区B2的厚度从靠近流体输入区B1的一端至靠近流体输出区B3的一端逐渐增大，形成向下倾斜设置的斜坡。下极板1b的流场区B2靠近流体输入区B1的一端至靠近流体输出区B3的一端与背面A的距离逐渐减小。换言之，即下极板1b对应流场区B2的厚度从靠近流体输入区B1的一端至靠近流体输出区B3的一端逐渐减小，形成向下倾斜设置的斜坡。这种向下倾斜的设置保证了上极板1a与下极板1b中的反应产生的水都可以在重力的作用下从流体输入区B1流向流体输出区B3，进而避免在上极板1a和下极板1b中发生水淹。

具体到实施例中，在上极板1a的流场区B2中设有与第一气体进通道12连通的第一气体入口14和与第一气体出通道13连通的第一气体出口15。进一步地，与上极板1a类似，在下极板1b的流场区B2中，在靠近流体输入区B1的一端设有与第二气体进通道连通的第二气体入口，在靠近流体输出区B3的一端设有与第二气体出通道连通的第二气体出口。如此，氢气由上极板1a的流体输入区B1通过上极板1a的第一气体入口14进入至上极板1a的流场区B2，进而进入到膜电极中。氧气或空气由下极板1b的流体输入区B1通过下极板1b的第一气体入口14进入至下极板1b的的流场区B2，进而进入至膜电极中，从而与氢气在膜电极中发生反应。

具体到实施例中，上极板1a的流体输入区B1开设有第一气体进通道12、第二气体进通道及冷却液进通道。如此，流经第一气体进通道12的氢气通过第一气体入口14进入上极板1a的流场区B2，第二气体进通道供氧气或空气流经。

上极板1a的流体输出区B3开设有第一气体出通道13、第二气体出通道及冷却液出通道。如此，上极板1a的流场区B2内的氢气通过第一气体出口15排出至第一气体出通道13，第二气体出通道供由流场区B2内排出的氧气或空气流经。上极板1a的流场区B2内的水从流体输出区B3的冷却液出通道排出。

进一步地，下极板1b的流体输入区B1开设有第一气体进通道12、第二气体进通道及冷却液进通道。如此，流经第二气体进通道的氧气或空气通过第二气体入口进入下极板1b的流场区B2。第一气体进通道12供氢气流经。

下极板1b的流体输出区B3开设有第一气体出通道13、第二气体出通道及冷却液出通道。如此，下极板1b的流场区B2内的空气或氧气通过第二气体出口排出至第二气体出通道。第一气体出通道13供氢气流经。下极板1b的流场区B2内的水从流体输出区B3排出。

进一步地，下极板1b的第一气体进通道12与上极板1a的第一气体进通道12相对应。下极板1b的第二气体进通道与上极板1a的第二气体进通道相对应。下极板1b的第一气体出通道13与上极板1a的第一气体出通道13相对应。下极板1b的第二气体出通道与上极板1a的第二气体出通道相对应。

基于上述电池单体，本发明还提供一种燃料电池，包括多个电池单体，多个电池单体依次堆叠设置。需要说明的是，电池单体中上极板1a、下极板1b的冷却液进通道连通，冷却液出通道同样连通。电池单体中的冷却液进通道和冷却液出通道形成有效的冷却液流场4。可以理解的是，这种设置有效降低了燃料电池使用中的温度，提高了燃料电池的使用效率和稳定性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种电池单体，其特征在于，包括膜电极以及两个极板；

所述极板包括背面及与所述背面相背离的正面，所述正面具有依次布设的流体输入区、流场区及流体输出区，所述流场区具有由靠近所述流体输入区的一端延伸至靠近所述流体输出区的一端的流道，且所述流场区的靠近所述流体输入区的一端至靠近所述流体输出区的一端与所述背面的距离逐渐增大或减小；

所述膜电极设置于两个所述极板的所述正面之间，且两个所述极板的所述流体输入区彼此相对，两个所述极板的所述流体输出区彼此相对；

在其中一个所述极板中，所述流场区靠近所述流体输入区的一端至靠近所述流体输出区的一端与所述背面的距离逐渐增大；在其中另一个所述极板中，所述流场区靠近所述流体输入区的一端至靠近所述流体输出区的一端与所述背面的距离逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的电池单体，其特征在于，所述流场区所在平面与所述背面所在平面之间的夹角在0.5°至5°之间。

3.根据权利要求1所述的电池单体，其特征在于，所述流体输入区所在平面和所述流体输出区所在平面均与所述背面所在平面平行。

4.根据权利要求1所述的电池单体，其特征在于，所述流体输入区靠近所述流场区的一侧设有密封胶道，所述流体输出区靠近所述流场区的一侧也设有密封胶道。

5.根据权利要求1所述的电池单体，其特征在于，所述流场区凸设有多个脊部，每一所述脊部由所述流体输入区向所述流体输出区纵长延伸，且多个所述脊部沿与其纵长延伸方向垂直的方向间隔布设，每相邻的两个所述脊部之间形成所述流道。

6.根据权利要求1所述的电池单体，其特征在于，所述流场区具有扰流部，所述扰流部位于所述流道内。

7.根据权利要求6所述的电池单体，其特征在于，所述扰流部凸设于所述流场区，且所述扰流部的凸出高度沿所述流道内气体的流动方向先逐渐增大再逐渐减小，以形成沿气体的流动方向依次布设的迎风面和背风面；或者

所述流场区凹陷形成所述扰流部，所述扰流部的凹陷深度沿所述流道内气体的流动方向先逐渐增大再逐渐减小，以形成沿气体的流动方向依次布设的背风面和迎风面。

8.根据权利要求7所述的电池单体，其特征在于，所述流道内设有多个所述扰流部，多个所述扰流部沿所述流道的纵长延伸方向间隔布设；

每一所述扰流部在所述流道的宽度方向上的宽度尺寸与所述流道的宽度尺寸相等；

每相邻两个所述扰流部之间的间距与每一所述扰流部沿所述流道的纵长延伸方向上的长度尺寸的比值在0.3至2.0之间。

9.一种燃料电池，其特征在于，包括多个如权利要求1-8任一项所述的电池单体，多个所述电池单体依次堆叠设置。