CN115000447A - 极板、双极板、燃料电池及车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种极板、双极板、燃料电池及车辆，该极板包括极板本体及设于极板本体一侧的多个流道脊，全部流道脊沿第一方向间隔排列，每相邻两个流道脊之间形成流道沟槽；每一流道沟槽内设有沿与第一方向相交的第二方向彼此间隔的多个第一凸起和多个第二凸起，全部第一凸起设于极板本体上，全部第二凸起设于流道脊上；每一流道沟槽内的全部第一凸起与全部第二凸起沿第一方向交错设置。上述的极板、双极板、燃料电池及车辆，气体在流道中流动过程中通过第一凸起和第二凸起时，其速度和压力会产生波动，由层流流动变为紊态流动，从而有力于气体内部的扰动，加速向反应层中的传质，进而降低燃料电池的浓差损耗，提高燃料电池的效率。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种极板、双极板、燃料电池及车辆。
背景技术
燃料电池的优势是节约能源和保护生态环境，是目前及未来主要的清洁能源技术，其具有能量密度高、零排放、续航里程高等优点，广泛应用于车用动力及备用电源等领域。
双极板是燃料电池的重要组成部分，具有下述功能与性质：提供气体流道，防止电池气室中的氢气与氧气串通，并在串联的阴阳两极之间建立电流通路；分隔燃料与氧化剂，阻止气体透过；收集、传导电流，电导率高；设计与加工的流道，可将气体均匀分配到电极的反应层进行电极反应；能排出热量，保持电池温场均匀；耐蚀；抗冲击和震动等。
其中，流道结构是双极板的重要指标，其决定着燃料电池的功率密度、寿命等。但是，目前的双极板流道结构还不够完善，致使燃料电池的效率并不高。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术中的双极板流道结构设计还不够完善，导致燃料电池的效率并不高的问题，提供一种能够提高燃料电池效率的极板、双极板、燃料电池及车辆。
根据本申请的第一个方面，提供一种极板，包括极板本体及设于极板本体一侧的多个流道脊，全部所述流道脊沿第一方向间隔排列，每相邻两个所述流道脊之间形成流道沟槽；
每一所述流道沟槽内设有沿所述第二方向彼此间隔的多个第一凸起和多个第二凸起，全部所述第一凸起设于所述极板本体上，全部所述第二凸起设于所述流道脊上；
每一所述流道沟槽内的全部所述第一凸起与全部所述第二凸起沿所述第一方向交错设置。
在其中一个实施例中，所述极板本体沿所述第二方向划分呈多个第一等分段，每一所述流道沟槽内的每一所述第一凸起设于相邻两个所述第一等分段的分界线上。
在其中一个实施例中，每一所述流道沟槽内的所述第一凸起沿所述第一方向呈至少两列设置，且任意相邻两列中的所述第一凸起沿所述第一方向交错设置。
在其中一个实施例中，每一所述流道沟槽内的所述第一凸起的体积沿气体在所述流道沟槽内的流动方向逐渐增大。
在其中一个实施例中，所述流道脊沿所述第二方向划分呈多个第二等分段，每一所述流道沟槽内的每一所述第二凸起设于相邻两个所述第二等分段的分界线上。
在其中一个实施例中，每一所述流道沟槽内的所述第二凸起沿所述第一方向分别交错设置在对应两个所述流道脊上。
在其中一个实施例中，每一所述流道脊上的所述第二凸起沿第三方向呈至少两列设置，且任意相邻两列中的所述第二凸起沿所述第三方向交错设置；
所述第三方向、所述第一方向及所述第二方向两两相互垂直。
在其中一个实施例中，所述第一凸起呈圆锥体型；和/或
所述第二凸起呈圆锥体型。
根据本申请的第二个方面，提供一种双极板，所述双流板包括如上述实施例中的极板。
根据本申请的第三个方面，提供一种燃料电池，其特征在于，包括双极板及夹设在所述双极板之间的膜电极，所述双极板为如上述实施例中的双极板。
根据本申请的第四个方面，提供一种车辆，包括如上述实施例中的燃料电池。
上述的极板、双极板、燃料电池及车辆，每一流道沟槽内的全部第一凸起与全部第二凸起沿第一方向交错设置，使得气体在流道中流动过程中通过第一凸起和第二凸起时，其速度和压力会产生波动，由层流流动变为紊态流动，从而有力于气体内部的扰动，加速向反应层中的传质，进而降低燃料电池的浓差损耗，提高燃料电池的效率。
附图说明
图1为本申请一实施例中的极板的结构示意图。
100、极板；10、极板本体；20、流道脊；30、流道沟槽；40、第一凸起；50、第二凸起。
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。
为便于理解本申请的双极板流道结构、燃料电池及车辆，有必要对现有技术中的燃料电池进行简要说明。
燃料电池被公认为是未来汽车理想的动力源。它的发展将有助于实现节能减排，缓解大气污染。作为燃料电池关键部件之一的双极板，不仅占据电堆重量的70％-80％，而且在电堆的生产成本中也占据相当大的比例。双极板的作用是分隔燃料及氧化剂，并通过流场将燃料反应气体导入燃料电池、收集并传导电流和支撑膜电极，同时还担负起整个电池系统的散热功能和排水功能。因此双极板质量的好坏将直接决定燃料电池堆输出功率的大小和寿命的长短。
燃料电池为了产生电流，必须不断地为燃料电池提供燃料和氧化物，同时，必须不断地排出生成物以防止燃料电池“窒息死亡”。燃料电池催化层内反应物的耗尽(或生成物的聚积)对性能有极为不利的影响，这种情况的燃料电池性能损耗被称为燃料电池的“浓差损耗”。
目前，大多数双极板流道结构以直流道为主，其加工简单，且也不易出现故障，但是其压降较小，容易在尾端堵水，可能会造成燃料电池“窒息死亡”，所以不能设计长宽比太大的结构；其次，还有蛇形及交变式的双极板流道结构，这两种设计方式虽然增加了压降，可以使排水容易，但是在弯角处容易存水，导致低温启动时，在此处结冰，因而低温启动能力弱，而且，该形式的流道容易致使气体分布不均，因而影响气体与碳纸层之间的传输。
因此，双极板流道结构还有待优化，以将浓差损耗降至最低，进而提升燃料电池的效率。
故，在本申请中提供一种双极板流道结构、燃料电池及车辆，能够较佳地改善上述问题。
下面将结合附图对本申请的双极板流道结构、燃料电池及车辆进行说明。
图1为本申请一实施例中的双极板流道结构的结构示意图。为便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的结构。
请参阅图1，本申请至少一实施例公开的双极板100流道结构100，包括极板本体10及设于极板本体10一侧的多个流道脊20。全部流道脊20沿第一方向间隔排列，每相邻两个流道脊20之间形成流道沟槽30。可选地，流道沟槽30的宽度为0.5-1.5mm，流道沟槽30深度为0.3-1.5mm，流道脊20的宽度为0.5-1.5mm。可选地，流道沟槽30的沿自身宽度方向的截面形状为长方形或正方形。
每一流道沟槽30内设有沿与第一方向相交的第二方向彼此间隔的多个第一凸起40和多个第二凸起50，全部第一凸起40设于极板本体10上，全部第二凸起50设于流道脊20上。每一流道沟槽30内的全部第一凸起40与全部第二凸起50沿第一方向交错设置。具体地，第一方向可以为流道脊20的宽度方向，第二方向可以为流道脊20的长度方向。每一流道沟槽30内每两个第一凸起40之间设有一个第二凸起50。
在实际使用中，该设置能够使得气体在流道中流动过程中通过第一凸起40和第二凸起50时，其速度和压力会产生波动，由层流流动变为紊态流动，从而有力于气体内部的扰动，加速向反应层中的传质，进而降低燃料电池的浓差损耗，提高燃料电池的效率。
在一些实施例中，极板本体10沿第二方向划分呈多个第一等分段，每一流道沟槽30内的每一第一凸起40设于相邻两个第一等分段的分界线上。具体的，基板本体沿第二方向可划分为二等分、三等分、五等分或七等分，本申请在此并不作限定。
在实际使用中，该设置使得第一凸起40能够更好地配合第二凸起50对流道中流动的气体的速度和压力产生波动，由层流流动变为紊态流动，从而有力于气体内部的扰动，加速向反应层中的传质，进而降低燃料电池的浓差损耗，提高燃料电池的效率。
可以理解，上述仅为了举例说明，并不能理解为对本申请的限定。例如，每一流道沟槽30上的至少部分第一凸起40也可以不用设在相邻两个第一等分段的分界线上，只要能够对气流的速度和压力产生波动即可。
在一些实施例中，每一流道沟槽30内的第一凸起40沿第一方向呈至少两列设置，且任意相邻两列中的第一凸起40沿第一方向交错设置。具体地，每一流道沟槽30内的第一凸起40呈两列设置，两列第一凸起40沿第一方向交错设置。
在实际使用中，该设置使得第一凸起40能够更好地配合第二凸起50对流道中流动的气体的速度和压力产生波动，由层流流动变为紊态流动，从而有力于气体内部的扰动，加速向反应层中的传质，进而降低燃料电池的浓差损耗，提高燃料电池的效率。
在一些实施例中，每一流道沟槽30内的第一凸起40的体积沿气体在流道沟槽30内的流动方向逐渐增大。具体地，增大系数为1.1。如此，在气体流过第一凸起40时，气体的流速和压力均发生了改变，有利于反应气向反应层的扩散，进而降低燃料电池的浓差损耗，提高燃料电池的效率。在其他实施例中，全部第一凸起40的体积也可以均相同。
在一些实施例中，每一流道脊20沿第二方向划分呈多个第二等分段，每一流道沟槽30内的每一第二凸起50设于相邻两个第二等分段的分界线上。具体的，各第二凸起50可以设于所述流道脊20上的二等分、三等分、五等分或七等分的分界线上。
在实际使用中，该设置使得第二凸起50能够更好地配合第一凸起40对流道中流动的气体的速度和压力产生波动，由层流流动变为紊态流动，从而有力于气体内部的扰动，加速向反应层中的传质，进而降低燃料电池的浓差损耗，提高燃料电池的效率。
可以理解，上述仅为了举例说明，并不能理解为对本申请的限定。例如，每一流道脊20上的至少部分第二凸起50也可以不用设在第二等分段的分界线上，只要能够对气流的速度和压力产生波动即可。
在一些实施例中，每一流道沟槽30内的第二凸起50沿第一方向分别交错设置在对应两个流道脊20上。具体地，相邻两个流道脊20的相对的一侧上分别设有三个第二凸起50，且均设于各自流道脊20上的七等分的分界线上。其中，一侧的三个第二凸起50设于第一、三、五条分界线上，另一侧的三个第二凸起50设于第二、四、六条分界线上。
在实际使用中，该设置使得第二凸起50能够更好地配合第一凸起40对流道中流动的气体的速度和压力产生波动，由层流流动变为紊态流动，从而有力于气体内部的扰动，加速向反应层中的传质，进而降低燃料电池的浓差损耗，提高燃料电池的效率。
在一些实施例中，每一流道沟槽30内的第二凸起50沿第三方向分别呈至少两列设置在两个流道脊20上，且任意相邻两列中的第二凸起50沿第三方向交错设置。第三方向、第一方向及第二方向两两相互垂直。
具体地，第三方向可以为流道脊20的高度方向。构成一流道沟槽30一侧的流道脊20上沿第三方向设置有两列第二凸起50，且两列第二凸起50沿第三方向交错设置。
在实际使用中，该设置使得第二凸起50能够更好地配合第一凸起40对流道中流动的气体的速度和压力产生波动，由层流流动变为紊态流动，从而有力于气体内部的扰动，加速向反应层中的传质，进而降低燃料电池的浓差损耗，提高燃料电池的效率。
在一些实施例中，第一凸起40呈圆锥体型。在其他实施例中，第二凸起50呈圆锥体型。在优选实施例中，第一凸起40呈圆锥体型，第二凸起50也呈圆锥体型。具体地，圆锥体型为圆底尖顶状，且锥度比为0.05-150。更具体地，圆锥体的中轴线与极板本体10之间的夹角为0°-90°，当夹角＝90°，圆锥体型呈等腰圆锥体。圆锥体型的第一凸起40和第二凸起50分别通过压合、激光焊接或者粘接的方式被设置在极板本体10和流道脊20上。
在实际使用中，当气体在流道中流动过程中通过第一凸起40和第二凸起50，圆锥体型的第一凸起40和第二凸起50能够对气体内部气流进行扰动，使气流的速度和压力产生波动，由稳态流动变为紊态流动，使电池内部气体分布更易及更快均匀，加速向催化剂层中的传质，增强排水功能，提高燃料电池性能。
在一些实施例中，极板100上形成有平行流道，单根流道的长度为300mm，流道沟槽30深度为1mm，沟槽宽度为1.5mm，在流道沟槽30的五等分点上设置有4个尺寸相同的圆锥体型的第一凸起40，底面的圆直径为0.5mm，椎体高为0.7mm，锥度比为0.71429，中轴线与极板本体10之间的夹角为90°。如此，在气体流过第一凸起40时，气体的流速和压力均发生了改变，有利于反应气向反应层的扩散，进而降低燃料电池的浓差损耗，提高燃料电池的效率。
在一些实施例中，双极板100流道结构100为平行流道，单根流道的长度为300mm，流道沟槽30深度为1mm，沟槽宽度为1.5mm。在流沟槽道的七等分点上设置有6个圆锥体型的第一凸起40，且6个第一凸起40按高度大小沿着气体流动方向交错排列。第一凸起40底面圆直径为0.3mm，椎体高为0.3-0.6mm，锥度比为0.5-1。相邻第一凸起40在流道沟槽30宽度方向上不在一个等分点上，即交错排列。第一凸起40的中轴线与极板本体10之间的夹角为90°。如此，在气体流过第一凸起40时，气体的流速和压力均发生了改变，有利于反应气向反应层的扩散，进而降低燃料电池的浓差损耗，提高燃料电池的效率。
在一些实施例中，双极板100流道结构100为平行流道，单根流道的长度为300mm，流道沟槽30深度为1mm，沟槽宽度为1.5mm。在流道沟槽30的五等分点上设置有4个尺寸相同的圆锥体型的第一凸起40。第一凸起40底面圆直径为0.5mm，椎体高为0.7mm，锥度比为0.71429，第一凸起40的中轴线与极板本体10之间的夹角为90°。同样的，在流道脊20上，沿着流道脊20长度方向的四等分点上设置有3个尺寸相同的圆锥体型的第二凸起50，相邻第二凸起50分别设置在流道沟槽30两侧的流道脊20上。第二凸起50底面圆直径为0.5mm，椎体高为0.7mm，锥度比为0.71429，第二凸起50的中轴线与流道脊20的脊壁之间的夹角为90°。在极板本体10上，相邻第一凸起40在沟槽宽度方向上不在一个等分点上，在流道脊20上，相邻第二凸起50在流道脊20高度方向上也不在一个等分点上。即，所有椎体交错排列。如此，在气体流过呈圆锥体型的第一凸起40和第二凸起50时，气体的流速和压力均发生了改变，有利于反应气向反应层的扩散，进而降低燃料电池的浓差损耗，提高燃料电池的效率。
作为本申请的同一构思，还提供一种双极板100，包括如上述实施例中的极板100。具体地，双极板100可以为金属双极板100、石墨双极板100或复合材料双极板100。
作为本申请的同一构思，还提供一种燃料电池，包括双极板100及夹设在双极板100之间的膜电极，双极板100为如上述实施例中的双极板100。
作为本申请的同一构思，还提供一种车辆，包括如上述实施例中的燃料电池。
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 (11)
1.一种极板，其特征在于，包括极板本体及设于极板本体一侧的多个流道脊，全部所述流道脊沿第一方向间隔排列，每相邻两个所述流道脊之间形成流道沟槽；
每一所述流道沟槽内设有沿与所述第一方向相交的第二方向彼此间隔的多个第一凸起和多个第二凸起，全部所述第一凸起设于所述极板本体上，全部所述第二凸起设于所述流道脊上；
每一所述流道沟槽内的全部所述第一凸起与全部所述第二凸起沿所述第一方向交错设置。
2.根据权利要求1所述的极板，其特征在于，所述极板本体沿所述第二方向划分呈多个第一等分段，每一所述流道沟槽内的每一所述第一凸起设于相邻两个所述第一等分段的分界线上。
3.根据权利要求1所述的极板，其特征在于，每一所述流道沟槽内的所述第一凸起沿所述第一方向呈至少两列设置，且任意相邻两列中的所述第一凸起沿所述第一方向交错设置。
4.根据权利要求1所述的极板，其特征在于，每一所述流道沟槽内的所述第一凸起的体积沿气体在所述流道沟槽内的流动方向逐渐增大。
5.根据权利要求1所述的极板，其特征在于，每一所述流道脊沿所述第二方向划分呈多个第二等分段，每一所述流道沟槽内的每一所述第二凸起设于相邻两个所述第二等分段的分界线上。
6.根据权利要求1所述的极板，其特征在于，每一所述流道沟槽内的所述第二凸起沿所述第一方向分别交错设置在对应两个所述流道脊上。
7.根据权利要求1所述的极板，其特征在于，每一所述流道沟槽内的所述第二凸起沿第三方向分别呈至少两列设置在两个所述流道脊上，且任意相邻两列中的所述第二凸起沿所述第三方向交错设置；
所述第三方向、所述第一方向及所述第二方向两两相互垂直。
8.根据权利要求1所述的极板，其特征在于，所述第一凸起呈圆锥体型；和/或
所述第二凸起呈圆锥体型。
9.一种双极板，其特征在于，所述双流板包括如权利要求1～8任意一项所述的极板。
10.一种燃料电池，其特征在于，其特征在于，包括双极板及夹设在所述双极板之间的膜电极，所述双极板为如权利要求9所述的双极板。
11.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求10所述的燃料电池。
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