CN116565252B - 优化排水能力的单极板、双极板、电池单元以及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种优化排水能力的单极板、双极板、电池单元以及燃料电池，属于燃料电池技术领域，具体包括极板本体，具有流体出入口以及容纳流体流道的活性区域，所述活性区域具有流体反应区以及储水区；调节结构，设置在所述储水区的排水口处和/或者设置在所述流体反应区靠近储水区的排气口处，用于根据工况发生形变，调节反应区和储水区的排气比例。通过本申请的处理方案，根据反应需求实时调整双极板中流道内气液分布、优化燃料电池排水能力。

Description

优化排水能力的单极板、双极板、电池单元以及燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种优化燃料电池排水能力的单极板、双极板、燃料电池单元以及燃料电池。

背景技术

极板是燃料电池的重要组件，燃料电池中的极板包括阴极板和阳极板，分别承担着把氧化气体和还原气体送入膜电极进行反应的任务。还原气体通常是氢气，氧化气体通常为氧气，氢气经过双极板的流场进入气体扩散层并通过膜电极，在膜电极发生氧化反应释放电子成为氢离子，氢离子穿过质子交换膜迁移至阴极并与氧气结合生成水，氧气发生还原反应得到经过外电路至阴极的电子。氧化气体与还原气体适时足量的供入膜电极以及及时排出产物液态水是保证燃料电池高效运行的关键。

合理的流场设计可使气体均匀充足的供入膜电极，避免由于气体的不均匀导致产物水分布不均引起膜的局部干涸或水淹，抑制燃料电池的性能。可燃料电池的流道结构皆为固定形式，且流场中上游气体流速快，气体扩散层内的水易被吹出，不易堵塞气体扩散层，效率高，反应迅速，可随着气体流动，气体动能不断减弱，流场下游气体流速降低，气体扩散层内的水很难吹出甚至无法吹出，容易堵塞气体扩散层，降低燃料电池效率，严重可导致水淹。

发明内容

因此，为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种可以根据反应需求实时调整双极板中流道内气液分布、优化燃料电池排水能力的单极板、双极板、燃料电池单元以及燃料电池。

为了实现上述目的，本发明提供一种优化燃料电池排水能力的单极板，包括：极板本体，具有流体出入口以及容纳流体流道的活性区域，所述活性区域具有流体反应区以及储水区；调节结构，设置在所述储水区的排水口处和/或者设置在所述流体反应区靠近储水区的排气口处，用于根据工况发生形变，调节反应区和储水区的排气比例。

在一个实施例中，所述调节结构与极板本体的薄壁一体成型，在冷却液流场和气体流场之间的驱动压差下向气体流道或者冷却液流道发生形变。

在一个实施例中，所述驱动压差的取值为冷却液流场与气体流场之间允许最大压差的设计值的95%以下。

在一个实施例中，所述驱动压差的取值为冷却液流场与气体流场之间允许最大压差的设计值的30~60%。

在一个实施例中，所述极板薄壁的厚度不大于0.1mm，所述双极板的厚度不大于1.0mm。

在一个实施例中，存在至少两个所述调节结构，第一调节结构设置在所述储水区的排水口处，第二调节机构设置在所述流体反应区靠近储水区的排气口处。

在一个实施例中，第一调节结构的驱动压差小于第二调节结构的驱动压差。

在一个实施例中，所述极板本体还设置第三调节管路，所述第三调节管路连通流体入口以及所述储水区。

一种双极板，由两块单极板组成，至少一块所述单极板为上述的单极板。

一种燃料电池单元，包括阴极板、膜电极和阳极板，所述阴极板和所述阳极板中至少一种为上述的单极板。

一种燃料电池，其特征在于，包括上述的双极板或者包括上述的燃料电池单元。

与现有技术相比，本发明的优点在于：将活性区域分为流体反应区和储水区，并将阳极出口或者阴极出口分为对应的两部分，其中一部分用调节结构挡住，通过改变调节结构的变形，来实现反应区和储水区的排气比例，从而实现在正常运行过程中主要为反应区排气，排废过程中则主要为储水区排出液态水。

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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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它的附图。

图1是本发明的一实施例中优化燃料电池排水能力的双极板的示意图；

图2是本发明的一实施例中正常运行过程中双极板的反应区排气的示意图；

图3是本发明的一实施例中排废过程中双极板的储水区排水的示意图；

图4是本发明的一实施例中调节结构的截面示意图；

图5是本发明的一实施例中调节结构的发生形变的截面示意图；

图6是本发明的另一实施例中正常运行过程中双极板的反应区排气的示意图；

图7是本发明的另一实施例中排废过程中双极板的储水区排水的示意图；

图8是本发明的另一实施例中优化燃料电池排水能力的双极板的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

本申请实施例提供一种燃料电池，包括双极板、膜电极以及其他结构等。由于在本申请中的膜电极和其他结构等未进行改进，故不特意进行阐述。其中，双极板由两块单极板组装而成。至少其中一块单极板为本申请实施例所述的燃料电池的单极板。

本申请实施例提供一种燃料电池，包括燃料电池单元以及其他结构等。其中，燃料电池单元包括阴极板、膜电极和阳极板，阴极板和阳极板中至少一种为本申请实施例所述的燃料电池的单极板。

如图1所示，本申请实施例提供一种优化燃料电池排水能力的燃料电池双极板，包括极板本体10和调节结构20。

极板本体10具有流体出入口以及容纳流体流道的活性区域11，活性区域具有流体反应区12以及储水区13。

极板本体10的两侧面上错位开设有气体流道，中间部位与气体流道的交错位置开设有冷却液流道，气体流道和冷却液流道是通过极板薄壁一体形成的。相邻气体流道之间和相邻冷却液流道之间的凸起结构实现支撑与电流传导的作用。极板本体上设置有阳极进气口1a、阴极进气口2a、冷却液入口3a、阳极排气口1b、阴极排气口2b以及冷却液出口3b。在图1中方形区域11为活性区域11，流体反应区12内设置有流体流道14，流体流道14可以是气体流道或者冷却液流道。极板本体10采用金属薄板而成。在一个实施例中，极板本体10采用不锈钢板、钛板等金属薄板而成。在一个实施例中，极板本体10采用厚度为0.1mm以下的不锈钢板、钛板等金属薄板冲压制成。流场包含流道，以及流道之间的间隙、极板与极板之间的间隙、极板与膜电极之间的间隙等一切气体和液体等流体能够流进去的间隙。

调节结构20设置在储水区的排水口处和/或者设置在流体反应区靠近储水区的排气口处，用于根据工况发生形变，调节反应区和储水区的排气比例。在一个实施例中，调节结构20设置在储水区的排水口处。调节结构20与金属薄板一体成型、且替代了燃料电池单极板的流体反应区12的部分凸起结构。调节结构20在单极板中的高度低于被替代的凸起结构的高度，调节结构20可以在冷却液流场和气体流场之间的驱动压差下向气体流道或者冷却液流道发生形变，以调节调节反应区和储水区的排气比例。

在一个实施例中，金属薄板在调节结构位置处的弹性变形量大于金属薄板的平均弹性变形量。弹性变形量是指在受到外力的作用下，金属薄板发生形状改变的数值。可以金属薄板在调节结构位置处的平均厚度小于所述金属薄板的平均厚度，或者，金属薄板在调节结构位置处的弹性模量小于所述金属薄板的平均弹性模量。

金属薄板可以采用冲压或是轧压等方式制备，金属薄板在调节结构位置处的平均厚度小于金属薄板的平均厚度。也可以通过对调节结构位置处的金属薄板进行二次处理，使得金属薄板在调节结构位置处的平均厚度小于金属薄板的平均厚度、或者使得金属薄板在调节结构位置处的弹性模量小于金属薄板的平均弹性模量。也可以采用多种金属制备同一一块金属薄板，这样不同金属所在位置处的弹性模量存在差异，从而实现金属薄板在调节结构位置处的弹性模量小于金属薄板的平均弹性模量。

在一个实施例中，调节结构20由可以凸起的流场脊结构组成，该脊结构的高度低于不可变形部分的脊结构高度，且可变形脊结构的高度为不可变形脊结构高度的20%~90%，优选为40%~60%。流道14的顶端一般设置为和膜电极接触。调节结构和流道14一体设置，当可变形脊结构未发生变形时调节结构的顶端不与膜电极接触；当可变形脊结构发生变形时，调节结构的顶端与膜电极接触。

流场脊结构可以和极板本体一体成型，可以采用同一材质或不同材质。在一个实施例中，调节结构可以采用双向形状记忆合金来制造可变形结构、或者采用可变形结构的支撑体，在较低温度下降低可变形结构脊的高度，在较高温度下提高可变形结构脊的高度。在一个实施例中，调节结构也可以采用电致伸缩材料制备而成，当用微电极刺激可变形结构脊下的电活性聚合物，使其产生纵向伸缩和横向缩涨，由此驱动可变形脊结构的高度变化。在一个实施例中，调节结构和极板采用同一材质，调节结构可以采用比极板更薄厚度的金属薄板制备而成，此时调节结构的弹性模量小于极板的弹性模量，可以在冷却液流场和气体流场之间的驱动压差下发生变形。

如图2所示，在正常运行过程中（即、电池工作时），调节结构在冷却液流场和气体流场之间的驱动压差下发生变形，凸起并阻挡气流，此时气流主要从流体反应区12排出口排出（大黑色箭头表示流体从此处流出），储水区容纳反应过程中产生的水分、并阻止水分被反应气流带出（小黑色箭头表示气体几乎不从此处流出）；如图3所示，在排废过程中（即、电池未提供电力时），由于冷却液流场和气体流场之间不存在驱动压差，调节结构不发生变形，此时储水区的水分从排水口排出（大黑色箭头表示流体从此处流出），并降低从流体反应区12排出口的气流流量（小黑色箭头表示气体几乎不从此处流出）。

上述双极板以及燃料电池，将活性区域分为流体反应区和储水区，并将阳极出口或者阴极出口分为对应的两部分，其中一部分用调节结构挡住，通过改变调节结构的变形，来实现反应区和储水区的排气比例，从而实现在正常运行过程中主要为反应区排气，排废过程中则主要为储水区排出液态水。

如图4~图5所示，在一个实施例中，调节结构与极板本体的薄壁一体成型，在冷却液流场和气体流场之间的驱动压差下向气体流道或者冷却液流道发生形变。极板本体10中的冷却液流道14的顶端一般设置为和膜电极200接触。调节结构20与极板本体10一体成型，故设置了调节结构20的冷却液流道14的顶端不与膜电极200接触。双极板10还设置了气体流道16，当冷却液流道14的顶端不与膜电极200接触时，气体可以经由此处间隙向另一侧流动，例如在图4中，气体可以经由此处间隙从左向右实现气体的流动15。

当冷却液流道中的液体压力大于气体流道中的气体压力时，调节结构20会向气体流道发生形变，从而图4中冷却液流道14的顶端与膜电极200之间的间隙在图5中被填充，将气体流道16转变成两条平行且不完全隔绝的流道，此时气体仅可以在气体流道16中进行折返流动，无法实现从左向右实现气体的流动15。

当冷却液流道中的液体压力小于气体流道中的气体压力时，调节结构20会向冷却液流道发生形变，从而在图5中被填充的冷却液流道14的顶端与膜电极200之间的间隙在图4中会恢复，将两条平行且不完全隔绝的气体流道16恢复成一条气体流道，此时气体无法在气体流道16中进行折返流动、仅可以实现从左向右实现气体的流动15。

冷却液流场与气体流场之间设置有允许最大压差的设计值，超过该压力则可能导致电堆冷却液与气体之间的窜漏，因此由该压差驱动薄板变形，其驱动压差不应超过最大压差设计值。在一个实施例中，驱动压差的取值为冷却液流场与气体流场之间允许最大压差的设计值的95%以下。

在一个实施例中，驱动压差的取值为冷却液流场与气体流场之间允许最大压差的设计值的30~60%。

在一个实施例中，调节结构20设置在流体反应区靠近储水区的排气口处，用于根据工况发生形变，调节反应区和储水区的排气比例。如图6所示，在正常运行过程中（即、电池工作时），由于冷却液流场和气体流场之间不存在驱动压差，调节结构不发生变形，此时气流主要从流体反应区12排出口排出（大黑色箭头表示流体从此处流出），储水区容纳反应过程中产生的水分（小黑色箭头表示气体几乎不从此处流出）；如图7所示，在排废过程中（即、电池未提供电力时），调节结构在冷却液流场和气体流场之间的驱动压差下发生变形，凸起并阻挡气流，此时储水区的水分从排水口排出（大黑色箭头表示流体从此处流出），并降低从流体反应区12排出口的气流流量（小黑色箭头表示气体几乎不从此处流出）。

在一个实施例中，存在至少两个调节结构，第一调节结构设置在储水区的排水口处，第二调节机构设置在流体反应区靠近储水区的排气口处。

在一个实施例中，第一调节结构的驱动压差小于第二调节结构的驱动压差。

当压差不足时，变形特征无法凸起、阻隔流体，此时可以适应初始工作场景；当压差达到第一驱动压差时，第一调节结构可以凸起以阻隔流体，此时排水工作原理可以根据图2~图3所示；当压差达到第二驱动压差时，第一调节结构和第二调节结构凸起以阻隔流体，此时排水工作原理可以根据图6~图7所示。设置多个调节结构可以在电池工作时增加储水量，减少排废次数。

如图8所示，极板本体还设置第三调节管路17，第三调节管路17连通流体入口3b以及储水区13。第三调节管路17由可以凸起的流场脊结构组成，该脊结构的高度低于不可变形部分的脊结构高度，且可变形脊结构的高度为不可变形脊结构高度的20%~90%，优选为40%~60%。流道14的顶端一般设置为和膜电极接触。当可变形脊结构未发生变形时调节结构的顶端不与膜电极接触，此时第三调节管路17为开路状态；当可变形脊结构发生变形时，调节结构的顶端与膜电极接触，此时第三调节管路17为闭合状态。设置第三调节管路17，可以通过流体入口的气体3b加速储水区13的废水排出。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种优化燃料电池排水能力的单极板，其特征在于，包括：

极板本体，具有流体出入口以及容纳流体流道的活性区域，所述活性区域具有流体反应区以及储水区；所述极板本体的两侧面上错位开设有气体流道，中间部位与气体流道的交错位置开设有冷却液流道，相邻所述气体流道之间和相邻所述冷却液流道之间的凸起结构实现支撑与电流传导的作用；

调节结构，设置在所述储水区的排水口处和/或者设置在所述流体反应区靠近储水区的排气口处，所述调节结构在单极板中的高度低于被替代的所述凸起结构的高度，用于根据工况在冷却液流场和气体流场之间的驱动压差下向气体流道或者冷却液流道发生形变，调节反应区和储水区的排气比例。

2.根据权利要求1所述的单极板，其特征在于，所述调节结构与极板本体的薄壁一体成型。

3.根据权利要求1所述的单极板，其特征在于，所述驱动压差的取值为冷却液流场与气体流场之间允许最大压差的设计值的95%以下。

4.根据权利要求3所述的单极板，其特征在于，所述驱动压差的取值为冷却液流场与气体流场之间允许最大压差的设计值的30~60%。

5.根据权利要求1所述的单极板，其特征在于，所述极板薄壁的厚度不大于0.1mm。

6.根据权利要求1所述的单极板，其特征在于，存在至少两个所述调节结构，第一调节结构设置在所述储水区的排水口处，第二调节机构设置在所述流体反应区靠近储水区的排气口处。

7.根据权利要求6所述的单极板，其特征在于，第一调节结构的驱动压差小于第二调节结构的驱动压差。

8.根据权利要求1所述的单极板，其特征在于，所述极板本体还设置第三调节管路，所述第三调节管路连通流体入口以及所述储水区。

9.一种双极板，其特征在于，由两块单极板组成，至少一块所述单极板为权利要求1~8中任意一项所述的单极板。

10.一种燃料电池单元，其特征在于，包括阴极板、膜电极和阳极板，所述阴极板和所述阳极板中至少一种为权利要求1~8中任意一项所述的单极板。

11.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求9所述的双极板或者包括权利要求10所述的燃料电池单元。