CN115528267B - 流场板、燃料电池单体、燃料电池、发电系统及用电设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种流场板、燃料电池单体、燃料电池、发电系统及用电设备，属于燃料电池领域。流场板内侧面设有包括多个脊部和位于相邻两个脊部之间的流道的流场，多个脊部沿第一方向间隔分布，脊部在垂直于延伸方向上的宽度一致，每个脊部包括沿第二方向依次连接的多个重复单元，第一方向与第二方向垂直。每个重复单元在延伸方向上非直线型，每个重复单元两端在第二方向上的距离为L1，相邻两个脊部在第二方向上存在＜L1的偏移距离L2，使得相邻两个脊部中对应的重复单元之间的流道存在宽度不同的区域。脊部的宽度一致，便于开模及冲压成型；脊部配置非直线型的重复单元并将相邻的脊部进行偏移，通过脊部之间的偏移形成具有变截面部位的流道。

Description

流场板、燃料电池单体、燃料电池、发电系统及用电设备

技术领域

本申请涉及燃料电池领域，具体而言，涉及一种流场板、燃料电池单体、燃料电池、发电系统及用电设备。

背景技术

燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，氢气通过阳极向外扩散发生反应后，放出的电子到达阴极与氧气发生反应后生成水然后向外排出。

在目前的一些燃料电池中，由于排水能力较弱，残余的水会影响气体反应，为了改善上述问题，通常对极板的流道进行变截面设计，也就是说设计沿流道延伸方向横截面会发生变化的流道。但是，在目前的生产工艺，变截面设计通过冲压成型的生产难度较大，通常只能采用切削方式生产的。

发明内容

本申请的目的在于提供一种流场板、燃料电池单体、燃料电池、发电系统及用电设备，具有变截面部位的流道能够方便地通过冲压方式形成。

本申请的实施例是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供一种流场板，其内侧面设有流场，流场包括多个脊部和位于相邻两个脊部之间的流道，多个脊部沿第一方向间隔分布，脊部在垂直于延伸方向上的宽度一致，每个脊部包括沿第二方向依次连接的多个重复单元，第一方向与第二方向垂直；

其中，每个重复单元在延伸方向上非直线型，每个重复单元两端在第二方向上的距离为L1，相邻两个脊部在第二方向上存在＜L1的偏移距离L2，使得相邻两个脊部中相互对应的重复单元之间的流道存在宽度不同的区域。

本申请实施例提供的流场板，脊部在垂直于延伸方向上的宽度一致，在开模时，只需要在冲压模具上形成在延伸方向上宽度保持一致的成型槽与脊部对应，开模的难度降低，更容易实现，便于直接通过冲压方式形成流场。在此基础上，通过对脊部进行设计，每个脊部包括非直线型的多个重复单元，且在第二方向上相邻脊部存在小于单个重复单元位移长度L1的偏移距离L2，使得相邻脊部之间的流道通过脊部的偏移距离产生宽度的变化，流道存在宽度不同的区域，从而实现流道的变截面设计。

在一些可能的实施例中，重复单元包括沿第二方向依次连接的第一脊段和第二脊段，第一脊段和第二脊段沿第一方向对称设置。

上述技术方案中，每个重复单元包括沿第一方向对称设置的第一脊段和第二脊段，使得重复单元对称性高，开模更方便。

在一些可能的实施例中，第一脊段和第二脊段的连接处为圆弧型。

上述技术方案中，第一脊段和第二脊段的连接处为圆弧型，其过渡平缓，开模方便，且方便流体的流动。

在一些可能的实施例中，重复单元整体呈圆弧型。

上述技术方案中，重复单元整体为圆弧形，开模方便；由于相邻脊部之间存在偏移，流道在整个延伸路径上的宽度会一直进行渐变，使得流道的变截面设计过渡平缓。

在一些可能的实施例中，重复单元由第一脊段和第二脊段组成，其中，L2＜0.5*L1。

上述技术方案中，控制偏移距离L2＜0.5*单个重复单元位移长度L1，使得偏移距离具有合适的标准，方便开模，且避免因偏移距离过大(L2＝0.5*L1)导致流道宽度较小处的宽度过小而不方便冲压成型。

在一些可能的实施例中，流场板为金属材质，金属材质的伸长率为e1，流道的圆角间延展率e2＝(L3-L4)/L4，e2≤40％*e1；

其中，在流道的纵截面中，流道的槽底在第一方向上的两端具有第一圆角，流道的开口在第一方向上的两端具有第二圆角，流道的槽底外延线与槽侧壁外延线的交点为第一交汇点，流道的槽侧壁外延线相邻的脊部表面的外延线的交点为第二交汇点，第一交汇点和第二交汇点之间的连线长度为L3，第一交汇点和第二交汇点之间的连线在流场板的厚度方向上的正投影长度为L4。

上述技术方案中，流道的圆角间延展率e2≤40％*金属材质的伸长率e1，使得流道有合适的冲压程度，避免冲压超出材料的延展极限而导致材料出现断裂等缺陷。

第二方面，本申请实施例提供一种燃料电池单体，包括依次设置的膜电极、气体扩散层以及根据上述实施例的流场板。

第三方面，本申请实施例提供一种燃料电池，包括上述实施例的燃料电池单体，相邻两个燃料电池单体之间设有组件密封件。

第四方面，本申请实施例提供一种发电系统，包括上述实施例的燃料电池单体。

第五方面，本申请实施例提供一种用电设备，包括上述实施例的燃料电池单体。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的流场板在正面的第一种局部结构示意图；

图2为本申请实施例提供的流场板在正面的第二种局部结构示意图；

图3为本申请实施例提供的流场板在正面的第三种局部结构示意图；

图4为本申请实施例提供的流场板在剖面的第一种局部结构示意图；

图5为本申请实施例提供的流场板在剖面的第二种局部结构示意图。

图标：

100-流场板；

110-流道；

120-脊部；121-重复单元；1211-第一脊段；1212-第二脊段；

a-第一方向；b-第二方向。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“垂直”、“平行”等并不表示要求部件绝对垂直或平行，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

申请人注意到，在目前的一些燃料电池中，由于变截面设计中流道110的宽度和脊部120的宽度呈变化状态，开模(冲压模具的制造)的难度较大，通常先冲压形成流道110宽度和脊部120宽度不变的流场，再对脊部120的侧壁进行局部挤压形成流道110的变截面部位。但是，通过对脊部120的侧壁进行局部挤压形成变截面的方案中，需要冲压和挤压两个工序，生产周期和成本升高；而且，挤压过程中会导致挤压部位在流场板100的厚度方向拱起，会影响脊部120和扩散层的有效接触。

申请人通过深入研究发现，通过对变截面的流场进行设计，使得脊部120能够在延伸方向上保持宽度一致，在开模时，只需要在冲压模具上形成在延伸方向上宽度保持一致的成型槽，开模的难度降低，更容易实现，便于直接通过冲压方式形成具有变截面部位的流道110的流场。

基于上述研究，下面将结合具体实施方式对本申请的流场板100、燃料电池单体、燃料电池、发电系统及用电设备进行具体说明。

参见图1，第一方面，本申请实施例提供一种流场板100，其内侧面设有流场，流场包括多个脊部120和位于相邻两个脊部120之间的流道110，多个脊部120沿第一方向a间隔分布，脊部120在垂直于延伸方向上的宽度一致，每个脊部120包括沿第二方向b依次连接的多个重复单元121，第一方向a与第二方向b垂直。

其中，每个重复单元121在延伸方向上非直线型，每个重复单元121两端在第二方向b上的距离为L1，相邻两个脊部120在第二方向b上存在＜L1的偏移距离L2，使得相邻两个脊部120中相互对应的重复单元121之间的流道110存在宽度不同的区域。

流场板100又称双极板、集流板等，流场板100设有流场的内侧即流场板100靠近扩散层的一侧。

流场为流场板100内侧中流道110和脊部120所在的区域，用于为流场板100中的流体提供活动场所，本申请中，作为示例，流场通过冲压生产形成，其中，冲压的形式不限，例如，可以采用impact冲压方式，该冲压方式下被冲压位置处厚度均匀摊开；也可以采用press冲压方式，该冲压方式下主要是斜边厚度变薄。

流道110为凹设于流场板100内侧的槽体，脊部120为相对于流道110朝向扩散层凸出的凸起。

每个重复单元121在延伸方向上非直线型的描述中，延伸方向是指重复单元121的路径(路程)方向，例如，若重复单元121为弧型，则重复单元121的延伸方向为弧型路径上各处的切线方向。脊部120在垂直于延伸方向上的宽度一致的描述中，以重复单元121为弧型为例，脊部120在延伸路径上各处的宽度即在垂直于弧型路径的切线方向上的尺寸。

在本申请的实施例中，非直线型的重复单元121的设置方式不限，其可以是规律变化的形式也可以是不规律变化的形式。作为示例，重复单元121可以是没有弧型过度段的折线型(如图1所示)、具有弧型过度段的折线型(如图2所示)、整体为弧型的形式(如图3所示)等。

相邻两个脊部120中相互对应的重复单元121之间的流道110存在宽度不同的区域的描述中，其宽度是指重复单元121之间的最小距离；以重复单元121为没有弧型过度段的折线型为例，该宽度是指重复单元121之间的垂直距离。

在冲压成型时，在冲压作用力的作用下，如图4所示，宽度较小的区域可能与宽度较大的区域的深度基本保持一致；如图5所示，宽度较小的区域的深度可能会略小于宽度较大的区域的深度。本申请中，流道110的横截面是指流道110在垂直于其延伸方向的截面，在上述情况下，由于重复单元121之间的流道110存在宽度不同的区域，宽度变小的流道110区域的横截面积始终是变小的，因此形成了流道110中的变截面部位。

本申请实施例提供的流场板100，脊部120在垂直于延伸方向上的宽度一致，在开模时，只需要在冲压模具上形成在延伸方向上宽度保持一致的成型槽与脊部120对应，开模的难度降低，更容易实现，便于直接通过冲压方式形成流场。在此基础上，通过对脊部120进行设计，每个脊部120包括非直线型的多个重复单元121，且在第二方向b上相邻脊部120存在小于单个重复单元121位移长度L1的偏移距离L2，使得相邻脊部120之间的流道110通过脊部120的偏移距离产生宽度的变化，流道110存在宽度不同的区域，从而实现流道110的变截面设计。

需要说明的是，在本申请中，相邻两个脊部120之间存在偏移，用以实现变截面设计。作为示例，相间的两个脊部120之间不存在偏移，作为示例，在第一个脊部120、第三个脊部120、第五个脊部120等沿第一方向a上阵列分布，第二个脊部120、第四个脊部120、第六个脊部120等沿第一方向a上阵列分布。

继续参见图1，在一些可能的实施例中，重复单元121包括沿第二方向b依次连接的第一脊段1211和第二脊段1212，第一脊段1211和第二脊段1212沿第一方向a对称设置。

上述技术方案中，每个重复单元121包括沿第一方向a对称设置的第一脊段1211和第二脊段1212，使得重复单元121对称性高，开模更方便。

参见图2，可选地，第一脊段1211和第二脊段1212的连接处为圆弧型。

上述技术方案中，第一脊段1211和第二脊段1212的连接处为圆弧型，其过渡平缓，开模方便，且方便流体的流动。

参见图3，进一步地，重复单元121整体呈圆弧型。

上述技术方案中，重复单元121整体为圆弧形，开模方便；由于相邻脊部120之间存在偏移，流道110在整个延伸路径上的宽度会一直进行渐变，使得流道110的变截面设计过渡平缓。

需要说明的是，由于相邻的脊部120之间的偏移距离L2会对流道110的变截面情况产生影响，在对偏移距离L进行设计时，应该满足方便流道110宽度较小处方便冲压。

基于上述考虑，在一些可能的实施例中，重复单元121由第一脊段1211和第二脊段1212组成，其中，L2＜0.5*L1，L2例如但不限于为0.05*L1、0.1*L1、0.15*L1、0.2*L1、0.25*L1、0.3*L1、0.35*L1、0.4*L1和0.45*L1中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值。

上述技术方案中，控制偏移距离L2＜0.5*单个重复单元121位移长度L1，使得偏移距离具有合适的标准，方便开模，且避免因偏移距离过大(L2＝0.5*L1)导致流道110宽度较小处的宽度过小而不方便冲压成型。

可以理解的是，由于冲压成型时会对流场板100的材料产生拉伸，为了免冲压超出材料的延展极限而导致材料出现断裂等缺陷，需要对流道110的冲压程度进行控制。而且，申请人注意到，在冲压工艺中，流道110的侧壁的顶部和底部的圆角处很难做到完全均匀伸展，通常会发生伸展过多的情况，因此，在对流道110的冲压程度进行控制时，需要考虑上述伸展过多的情况，保证能够更有效地避免冲压过度。

基于上述考虑，参见图4，在一些可能的实施例中，流场板100为金属材质，金属材质的伸长率为e1，流道110的圆角间延展率e2＝(L3-L4)/L4，e2≤40％*e1。

其中，在流道110的纵截面中，流道110的槽底在第一方向a上的两端具有第一圆角，流道110的开口在第一方向a上的两端具有第二圆角，流道110的槽底外延线与槽侧壁外延线的交点为第一交汇点，流道110的槽侧壁外延线相邻的脊部120表面的外延线的交点为第二交汇点，第一交汇点和第二交汇点之间的连线长度为L3，第一交汇点和第二交汇点之间的连线在流场板100的厚度方向上的正投影长度为L4。

上述技术方案中，示例性地应用于press冲压方式，流道110的圆角间延展率e2≤40％*金属材质的伸长率e1，使得流道110有合适的冲压程度，在第一圆角和第二圆角处存在伸展过多的情况下，仍然能有效避免冲压超出材料的延展极限而导致材料出现断裂等缺陷。

第二方面，本申请实施例提供一种燃料电池单体，包括依次设置的膜电极、气体扩散层以及根据上述实施例的流场板100。

燃料电池单体是燃料电池中具有完全能量转换功能的小单元；通过至少两个燃料电池单体组合能够得到功率更高的电池模组，即燃料电池。

在燃料电池单体，上述实施例的流场板100可以作为阴极板和/或阳极板，作为示例，至少阴极板采用上述实施例的流场板100。

第三方面，本申请实施例提供一种燃料电池，包括上述实施例的燃料电池单体，相邻两个燃料电池单体之间设有组件密封件。

燃料电池中，相邻两个燃料电池单体的排布方式不限，例如按照常规的方式沿燃料电池单体的厚度方向层叠并排。组件密封件用于对相邻两个燃料电池单体的连接处进行密封连接，其设置形式不限，可以根据本申请常规的方式进行结构，例如配置为密封在相邻两个燃料电池单体的端板边缘之间。

第四方面，本申请实施例提供一种发电系统，包括上述实施例的燃料电池单体。

发电系统以燃料电池单体作为发电模块的一部分或者全部，其还可以根据需要按照常规的方式配置功率分配器、储能系统、逆变器、功率传感器、控制装置等其他功能模块。

第五方面，本申请实施例提供一种用电设备，包括上述实施例的燃料电池单体。

用电设备可以为多种形式，例如为手机、便携式设备、笔记本电脑、电瓶车、电动汽车、轮船、航天器、电动玩具和电动工具等。

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。

Claims (9)

1.一种流场板，其特征在于，其内侧面设有流场，所述流场包括多个脊部和位于相邻两个所述脊部之间的流道，多个所述脊部沿第一方向间隔分布，所述脊部在垂直于延伸方向上的宽度一致，每个所述脊部包括沿第二方向依次连接的多个重复单元，所述延伸方向是指所述重复单元的路径方向，所述第一方向与所述第二方向垂直；

其中，每个所述重复单元在延伸方向上非直线型，每个所述重复单元两端在所述第二方向上的距离为L1，相邻两个所述脊部在所述第二方向上存在＜L1的偏移距离L2，使得相邻两个所述脊部中相互对应的所述重复单元之间的所述流道存在宽度不同的区域；

所述流场板为金属材质，所述金属材质的伸长率为e1，所述流道的圆角间延展率e2=（L3-L4）/L4，e2≤40%*e1；

其中，在所述流道的纵截面中，所述流道的槽底在所述第一方向上的两端具有第一圆角，所述流道的开口在所述第一方向上的两端具有第二圆角，所述流道的槽底外延线与槽侧壁外延线的交点为第一交汇点，所述流道的槽侧壁外延线相邻的所述脊部表面的外延线的交点为第二交汇点，所述第一交汇点和所述第二交汇点之间的连线长度为L3，所述第一交汇点和所述第二交汇点之间的连线在所述流场板的厚度方向上的正投影长度为L4。

2.根据权利要求1所述的流场板，其特征在于，所述重复单元包括沿所述第二方向依次连接的第一脊段和第二脊段，所述第一脊段和所述第二脊段沿所述第一方向对称设置。

3.根据权利要求2所述的流场板，其特征在于，所述第一脊段和所述第二脊段的连接处为圆弧型。

4.根据权利要求3所述的流场板，其特征在于，所述重复单元整体呈圆弧型。

5.根据权利要求2所述的流场板，其特征在于，所述重复单元由所述第一脊段和所述第二脊段组成，其中，L2＜0.5*L1。

6.一种燃料电池单体，其特征在于，包括依次设置的膜电极、气体扩散层以及根据权利要求1~5中任一项所述的流场板。

7.一种燃料电池，其特征在于，包括至少两个根据权利要求6所述的燃料电池单体，相邻两个所述燃料电池单体之间设有组件密封件。

8.一种发电系统，其特征在于，包括根据权利要求6所述的燃料电池单体。

9.一种用电设备，其特征在于，包括根据权利要求6所述的燃料电池单体。