CN117543042B - 模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板及电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板及电池，包括沿气体传输方向依次叠层布置的主进气模块、气体传输多孔模块和终端出气模块，主进气模块上设有反应单元主进气口，下端面设有模块进出气孔，反应单元主进气口与模块进出气孔之间连通，终端出气模块设有反应气体产物汇集导流槽，终端出气模块上设有排气通道口，反应气体产物汇集导流槽与排气通道口连通；气体传输多孔模块内设有多层级三维分叉进气孔道，多层级三维分叉进气孔道分别与模块进出气孔和反应气体产物汇集导流槽连通。本发明实现了将反应物料均匀高效精准地投递到膜电极催化剂表面，确保反应物料的利用效率，使得气体在多级孔道体系中阻力低、传输效率高。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板及电池。
背景技术
近年来，伴随着现代工业文明的快速发展，传统化石燃料的大规模使用不但造成了诸多的环境问题，同时也导致了自身资源的匮乏，人类社会急需寻找新的清洁能源替代传统的矿物燃料。燃料电池是利用氢气与氧气在燃料电池内阴阳极催化剂表面发生氧化还原反应，将氢气的化学能转变成电能的一种装置。利用该装置能突破传统能源转化的卡诺循环限制，且产物仅为纯净水。因此，以氢气为能源的燃料电池技术起了人们的高度重视。
用于传输物料的流场板是燃料电池中的核心部件之一，它的主要功能是让反应物料能均匀的到达燃料电池膜电极内，并且能辅助阴阳极催化剂表面化学反应后产物的排出。流场板上流道的结构和分布决定了反应物在膜电极表面的流动规律和形态，是影响燃料电池物料利用效率以及电池性能的关键因素之一。当前关于流场板上流道结构和分布的研究和开发主要集中于二维平面流道结构，使得反应气体流动方向仍然是与膜电极的催化层表面平行，而反应气体由流场流道到催化层主要还是依靠浓差扩散，这种物料传输方式下，物料在流场中传递过快反而会降低反应气体的使用效率，造成反应气体的大量浪费；另外，这种方式也会带来反应物料分布不均匀，膜电极出现氢饥饿导致性能下降、产物水不能及时排除导致局部水淹等严重问题。急需开发新型立体层级孔结构的流场板，改变传统物料进气供给方式，实现高效物料的传输，是获得高效性能的亟需解决的问题，但面临重大挑战。
综上所述，现有平面二维结构的物料流场板，由于其物料传输方式的局限性，无法根本有效解决流场板内物料高效传输、产物水排出、物料分布均匀性等技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板及电池，实现了将反应物料均匀高效精准地投递到膜电极催化剂表面，增强反应物料与催化剂层的接触效率和反应产物的及时排除，同时，确保反应物料的利用效率，使得气体在多级孔道体系中阻力低、传输效率高。
本发明所采用的技术方案是：
一种模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板，包括沿气体传输方向依次叠层布置的主进气模块、气体传输多孔模块和终端出气模块，气体传输多孔模块的上端面与主进气模块贴合，气体传输多孔模块的下端面与终端出气模块贴合，主进气模块上设有反应单元主进气口，主进气模块的下端面设有模块进出气孔，反应单元主进气口与模块进出气孔之间连通有气体流道槽，终端出气模块设有反应气体产物汇集导流槽，终端出气模块上设有排气通道口，反应气体产物汇集导流槽与排气通道口之间连通有反应气体产物排出主流道槽；
其中，气体传输多孔模块内设有多层级三维分叉进气孔道，多层级三维分叉进气孔道沿气体传输方向分叉布置，主进气模块的模块进出气孔与多层级三维分叉进气孔道的进气端连通，多层级三维分叉进气孔道的出气端与反应气体产物汇集导流槽连通，气体传输多孔模块上还设有排气通道，排气通道的一端与主进气模块的反应单元主排气口连通，另一端与排气通道口连通。
优选地，气体传输多孔模块包括n个沿气体传输方向依次叠层布置的气体传输多孔模块层，n≥1，每层气体传输多孔模块层的上端面设有模块进气口，每个模块进气口沿周向均分布有多个模块出气口，模块出气口布置于气体传输多孔模块层的下端面，各模块出气口与相应模块进气口之间连接有气体流道槽，本层气体传输多孔模块层的模块出气口与相邻下一层级的模块进气口连通，本层气体传输多孔模块层的模块进气口与相邻上一层级的气体传输多孔模块层的模块出气口连通；最上一层的气体传输多孔模块层的模块进气口与主进气模块的模块进出气孔连通，最下一层的气体传输多孔模块层的模块出气口与终端出气模块的反应气体产物汇集导流槽连通。
优选地，气体传输多孔模块层上均设有排气通孔，各气体传输多孔模块层上的排气通孔依次连通，形成排气通道。
优选地，终端出气模块的上端面和下端面均设有反应气体产物汇集导流槽，上端面的反应气体产物汇集导流槽和下端面的反应气体产物汇集导流槽之间连通有反应气体产物汇集导流孔，上端面的反应气体产物汇集导流槽通过反应气体产物排出主流道槽与排气通道口连通；
终端出气模块的上端面设置有多个模块物料进气口，终端出气模块的模块物料进气口的个数与最下一层的气体传输多孔模块层的模块出气口一一对应布置，并与最下一层的气体传输多孔模块层的相应模块出气口连通，模块物料进气口设置于上端面的反应气体产物汇集导流槽内，终端出气模块的下端面沿每个模块物料进气口周向均设有多个模块物料出气口，模块物料出气口与相应的模块物料进气口之间连接有反应气体产物导流槽；反应气体经多层级三维分叉进气孔道经终端出气模块的模块物料进气口、模块物料出气口进入至终端出气模块的下端面，与膜电极的反应面接触并充分反应后，再汇集于下端面的反应气体产物汇集导流槽，再经反应气体产物汇集导流孔从上端面的反应气体产物汇集导流槽和排气通道口流出。
优选地，在终端出气模块的下端面设置有多个反应气体产物扩散槽，多个反应气体产物扩散槽分布于物料出气口的四周，呈十字或一字排列，并与下端面的反应气体产物汇集导流槽连通，反应气体产物汇集导流槽为口字形结构，反应气体产物汇集导流孔布置于口字形反应气体产物汇集导流槽的四角，模块物料进气口和模块物料出气口布置于相应反应气体产物汇集导流槽的口字形范围内。
优选地，各层级的气体传输多孔模块层的模块进气口的大小逐层递减，即上一层级的气体传输多孔模块层的模块进气口大于相邻下一层级的气体传输多孔模块层的模块进气口。
优选地，n为2~6，主进气模块、气体传输多孔模块和终端出气模块的厚度为0.1mm~5mm。
优选地，多个气体传输多孔模块开展层级串联密封组装时，在同一气体传输多孔模块层上按每1个模块进气口对N个模块出气口的相连贯通；N为(d1/d2)2至 (d1/d2)3个；模块进气口与模块出气口之间连接的孔道尺寸为d2，最佳地，d2=1/2d1~1/4d1，d1为模块进气口的直径，d2为模块出气口的直径。
优选地，各模块的材质为金属或石墨等导电材料，亦或环氧树脂等有机聚合物板材不导电材料。
优选地，气体传输多孔模块与主进气模块和终端出气模块之间，以及气体传输多孔模块的各层级之间的气体传输多孔模块层通过硅胶粘弹性密封圈和/或粘结剂密封。
一种燃料电池，包括两个以上的模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板和膜电极，两个模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板分别布置于膜电极的两侧，分别作为阴极和阳极。
本发明的有益效果是：
本发明通过沿气体传输方向依次叠层布置的主进气模块、气体传输多孔模块和终端出气模块，及气体传输多孔模块内设有多层级三维分叉进气孔道，多层级三维分叉进气孔道沿气体传输方向分叉布置，形成三维立体式的反应物料供给方式，通过多层级三维分叉进气孔道对气体反应物料进行预分流，实现了将反应物料均匀高效精准地投递到膜电极催化剂表面，能实现控制气流垂直且均匀地通向包含催化剂的膜电极催化剂表面，增强反应物料与催化剂层的接触效率和反应产物的及时排除，同时，流场板终端模块上独立的物料供给出气孔能保证将反应物料均匀地物料投递到膜电极的每一个区域，确保反应物料的利用效率，保持层级间孔道体系的相匹配和相协同，使得气体在多级孔道体系中阻力低、传输效率高。
附图说明
图1是本发明实施例中阴阳两极均为模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板的电池的示意图；
图2是本发明实施例的多层级三维分叉进气孔道的示意图；
图3是本发明实施例的主进气模块的前侧示意图；
图4是本发明实施例的主进气模块的后侧示意图；
图5是本发明实施例中第一级气体传输多孔模块的前侧示意图；
图6是本发明实施例中第一级气体传输多孔模块的后侧示意图；
图7是本发明实施例中第二级气体传输多孔模块的前侧示意图；
图8是本发明实施例中第二级气体传输多孔模块的后侧示意图；
图9是本发明实施例中第三级气体传输多孔模块的前侧示意图；
图10是本发明实施例中第三级气体传输多孔模块的后侧示意图；
图11是本发明实施例中终端出气模块的前侧示意图；
图12是本发明实施例中终端出气模块的后侧示意图；
图中：1-阴极流场板；2-阳极流场板；3-膜电极；4-螺丝孔；5-反应单元主进气口；6-气体流道槽；7-模块进出气孔；8-第一模块进气口；9-第一气体流道槽；10-第一模块出气口；11-第二模块进气口；12-第二气体流道槽；13-第二模块出气口；14-第三模块进气口；15-第三气体流道槽；16-第三模块出气口；17-模块物料进气口；18-反应气体产物导流槽；19-模块物料出气口；20-反应气体产物扩散槽；21-反应气体产物汇集导流槽；22-反应气体产物汇集导流孔；23-多层级三维分叉进气孔道；24-反应气体产物排出主流道槽；25-反应单元主排气口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，如果有涉及到的术语“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”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一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。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。
实施例1
一种模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板，图1~12所示，包括沿气体传输方向依次叠层布置的主进气模块、气体传输多孔模块和终端出气模块，气体传输多孔模块沿着气体传输方向与主进气模块和终端出气模块串联密封组，气体传输多孔模块的上端面与主进气模块的下端面贴合，气体传输多孔模块的下端面与终端出气模块的上端面贴合，终端出气模块用于与作为催化层的膜电极3贴合，主进气模块的上端面设有反应单元主进气口5，主进气模块上还设有反应单元主排气口25，主进气模块的下端面设有模块进出气孔7，反应单元主进气口5与模块进出气孔7之间连通有气体流道槽6，终端出气模块的底部设有反应气体产物汇集导流槽21，终端出气模块上设有排气通道口，反应气体产物汇集导流槽21与排气通道口之间连通有反应气体产物排出主流道槽24；
其中，气体传输多孔模块内设有多层级三维分叉进气孔道23，多层级三维分叉进气孔道23沿气体传输方向分叉布置，进气的气体传输方向朝向催化层的膜电极3，主进气模块的模块进出气孔7与多层级三维分叉进气孔道23的进气端连通，多层级三维分叉进气孔道23结构的出气端与反应气体产物汇集导流槽21连通，气体传输多孔模块上还设有排气通道，排气通道贯穿整个气体传输多孔模块，排气通道的一端与主进气模块的反应单元主排气口25连通，另一端与排气通道口连通。排气通道设置于气体传输多孔模块的端部，排气通道口设置与终端出气模块的端部。
所述的模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板，不仅适用于燃料电池中，也适用于电化学辅助不饱和烯炔烃加氢、电催化二氧化碳加氢、电催化氮加氢产氨等固定床反应的电化学反应器件中。
进一步地，流场板内三维气体传输多孔模块是由n个（n≥1）气体传输多孔模块沿着气体传输方向与主进气模块和终端出气模块串联密封组装而成，各层级的模块进气口尺寸递减，且各级气体传输多孔模块层间上一级模块出气口与下一级模块出气口按一定的方式相连通的。
进一步地，每个气体传输多孔模块层上均设有排气通孔，各气体传输多孔模块层上的排气通孔依次连通，形成排气通道。
进一步地，气体传输多孔模块包括n个沿气体传输方向依次叠层布置的气体传输多孔模块层，n≥1，每层气体传输多孔模块层的上端面设有模块进气口，每个模块进气口沿周向均分布有多个模块出气口，模块出气口布置于气体传输多孔模块层的下端面，各模块出气口与相应模块进气口之间连接有气体流道槽，本层气体传输多孔模块层的模块出气口与相邻下一层级的模块进气口连通，本层气体传输多孔模块层的模块进气口与相邻上一层级的模块的模块出气口连通，形成多层级三维分叉进气孔道23；
最上一层的气体传输多孔模块层的模块进气口与主进气模块的模块进出气孔7连通，最下一层的气体传输多孔模块层的模块出气口与终端出气模块的反应气体产物汇集导流槽21连通。
进一步地，主进气模块、气体传输多孔模块和终端出气模块相互平行叠放，反应单元主进气口5和反应单元主排气口25的中心轴线和排气通道口的中心轴线均与主进气模块和终端出气模块的平面相垂直，并与气体传输方向一致，模块进气口和模块出气口的中心轴线均与气体传输多孔模块垂直，并与气体传输方向一致。
进一步地，终端出气模块的上端面和下端面均设有反应气体产物汇集导流槽21，上端面的反应气体产物汇集导流槽21和下端面的反应气体产物汇集导流槽21之间连通有反应气体产物汇集导流孔22，上端面的反应气体产物汇集导流槽21通过反应气体产物排出主流道槽24与排气通道口连通；
终端出气模块的上端面设置有多个模块物料进气口17，终端出气模块的模块物料进气口17的个数与最下一层的气体传输多孔模块层的模块出气口一一对应布置，并与最下一层的气体传输多孔模块层的相应模块出气口连通，模块物料进气口17设置于上端面的反应气体产物汇集导流槽21内，终端出气模块的下端面沿每个模块物料进气口17周向均设有多个模块物料出气口19，模块物料出气口19与相应的模块物料进气口17之间连接有反应气体产物导流槽18；反应气体经多层级三维分叉进气孔道经终端出气模块的模块物料进气口17、模块物料出气口19进入至终端出气模块的下端面，与膜电极3的反应面接触并充分反应后，再汇集于下端面的反应气体产物汇集导流槽21，再经反应气体产物汇集导流孔22从上端面的反应气体产物汇集导流槽21和排气通道口流出。
进一步地，在终端出气模块的下端面设置有多个反应气体产物扩散槽20，多个反应气体产物扩散槽20分布于物料出气口的四周，呈十字或一字排列，并与下端面的反应气体产物汇集导流槽21连通，反应气体产物汇集导流槽21为口字形结构，反应气体产物汇集导流孔22布置于口字形反应气体产物汇集导流槽21的四角，模块物料进气口17和模块物料出气口19布置于相应反应气体产物汇集导流槽21的口字形范围内。
进一步地，各层级的气体传输多孔模块层的模块进气口的大小逐层递减，即上一层级的气体传输多孔模块层的模块进气口大于相邻下一层级的气体传输多孔模块层的模块进气口。
进一步地，n为2~6，主进气模块、气体传输多孔模块和终端出气模块的厚度为0.1mm~5mm。
进一步地，多个气体传输多孔模块开展层级串联密封组装时，在同一气体传输多孔模块层上按每1个模块进气口对N个模块出气口的相连贯通；N为(d1/d2)2至 (d1/d2)3个；孔道尺寸为d2，最佳地，d2=1/2d1~1/4d1，d1为模块进气口的直径，d2为模块出气口的直径。
进一步地，流道槽尺寸与模块出气口尺寸一致，所述模块进气口的横截面尺寸、形状、数目、位置应与上一层级气体传输多孔模块的出气口横截面尺寸（d1）、形状、数目、位置一致，以便更好的与上一层级模块实现层级间的孔孔连通。
模块内气体流道槽用于连接模块进气口和出气口；模块内气体流道槽可以与主进气口一侧，也可以与出气口一侧，取决于是进气口贯穿整个模块还是出气口贯穿整个模块。最佳地，模块内气体流道槽与模块主进气口一侧。
进一步地，各模块的材质为金属或石墨等导电材料，亦或环氧树脂等有机聚合物板材不导电材料，各模块周边设有螺丝孔4，用于各模块之间的连接。
进一步地，气体传输多孔模块与主进气模块和终端出气模块之间，以及气体传输多孔模块的各层级之间的气体传输多孔模块层通过硅胶粘弹性密封圈和/或粘结剂密封，实现模块层级串联密封组装。
一种燃料电池，包括两个以上的模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板和膜电极3，两个模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板分别布置于膜电极3的两侧，分别作为阴极流场板1和阳极流场板2。
进一步地，主进气模块、气体传输多孔模块和终端出气模块的横截面积相同，模块进出气孔7布置于主进气模块的中部，多层级三维分叉进气孔道布置于气体传输多孔模块中部位置，反应气体产物汇集导流槽21布置于终端出气模块的中部，反应单元主进气口5和反应单元主排气口25布置于主进气模块的端部。
终端出气模块，主要包含模块物料供给孔道体系和整个单元反应结束气体产物排空孔道体系；终端出气模块内的模块物料供给孔道体系，包含：与上一层级模块对接的进气口，气体流道槽和与催化剂扩散界面对接的出气孔道；与上一层级模块对接的进口横截面尺寸、形状、位置和数目应与上一层级模块出气口相关参数相同；最佳地，最后一个级模块出气口孔径为1mm~0.1mm，且落位应均匀分散在终端出气模块一侧上。
终端出气模块的模块物料供给孔道体系的气体流道槽应在模块进口同侧；最佳地，气体流道槽和与模块的出气孔道宽度尺寸相同，为1mm~0.1mm；终端出气模块内的整个单元反应结束气体产物排空孔道体系，所述整个单元反应结束气体产物排空孔道体系包含：气体产物排出导流流场、气体产物排出导流孔和整个单元反应结束气体产物主排空孔道；终端出气模块内的整个单元反应结束气体产物排空孔道体系，所述气体产物排出导流流场处在与模块物料供给孔道体系出口同一侧，且均匀分布在模块物料供给孔道体系出口周边。最佳地，气体产物排出导流流场按“十”字形或者“一”和“口”字型，流道深0.1~1mm，宽0.1~1mm；所述终端出气模块内的整个单元反应结束气体产物排空孔道体系，所述气体产物排出导流孔用于导出气体产物排出导流场内的气体，并传输至整个单元反应结束气体产物主排空孔道中。气体产物排出导流孔连接气体产物排出导流流场上。最佳地，气体产物排出导流孔应落位于模块物料供给孔道体系出口区域的边角位置，导流孔径为d0的1/2~1/8；所述终端出气模块内的整个单元反应结束气体产物排空孔道体系，所述整个单元反应结束气体产物主排空孔道应与模块物料供给孔道体系进气口处于同一侧，包含连接气体产物排出导流孔的气体流场、整个反应单元内主排空流场和整个反应单元外部主排空口；所述终端出气模块内的整个单元反应结束气体产物主排空孔道，所述连接气体产物排出导流孔的气体流场主要用于收集从气体产物排出导流孔排出的气体产物，落位于模块物料供给孔道体系进气口区域的外围。最佳地，呈“一”或者“口”字型，流槽宽度与气体产物排出导流孔一致。最佳地，流槽宽度为1/2 d0~1/8 d0。所述终端出气模块内的整个单元反应结束气体产物主排空孔道，所述整个反应单元外部主排空口直接连接反应器的外部排出通道。最佳地，主排空口尺寸应与整个反应单元外部主进气口相一致（尺寸d0）；所述终端出气模块内的整个单元反应结束气体产物主排空孔道，所述整个反应单元内主排空流场主要是用于连接气体产物排出导流孔的气体流场和整个反应单元外部主排空口。
实施例2
本发明实施例（图3~图12）所示的三维层级孔道结构燃料电池流场板（本实施例中为长方体片状结构），主要有三类模块沿着气体流动方向串联密封组装而成，包括1个主进气模块，气体传输多孔模块：n（本实施例中n=3）个气体传输多孔模块层，1个终端出气模块。本实施例中各模块厚度都为3mm，长100mm，宽90mm，具体地：
实施例2中第一层级模块为主进气模块（记为模块一）：模块一周边有多个用于后期固定装置的螺孔（本实例中孔径为6mm）；模块一上方有雕刻的方形的整个反应单元外源气体的引气口（图3中反应单元主进气口5的位置，本实例中截面积为S1=200mm2）；模块一中心位置雕刻有贯穿模块一的出气口（图3中模块进出气孔7的位置，本实例中为圆形截面积为S2=200cm2，圆形直径为16mm）；出气口与引起口之间通过一定深度的（本实例中深度为1mm）的四边形气体流道相连，四边形引流道内保留部分上方体型凸起引流柱（本实例高度1mm，长度5mm）；
实施例2中第二层级模块为第一个气体传输多孔模块层，记为模块二：模块二周边有多个用于后期固定装置的螺孔（本实例中孔径为6mm）；模块二上方雕刻有模块进气口（本实例为1个，图5中第一模块进气口8的位置，圆柱单向口，直径为16mm，深度为1mm）；在模块进气口（图5中第一模块进气口8的位置）的周围，均匀雕刻贯穿模块二的模块出气口（图5和图6中第一模块出气口10的位置，本实例中截面为圆形，圆形直径为8mm），模块出气口的数目为N（本实例中N=162/82=4）个；在与模块进气口同侧，用4个气体流道（图5中第一气体流道槽9的位置，本实例中流道深度为1mm，宽度为8mm）相连接。模块二使用上方的1个第一模块进气口8与模块一下方的1个模块进出气口之间使用密封脂或垫片等辅助工具相连接通。
实施例2中第三层级模块为第二个气体传输多孔模块层，记为模块三：模块三周边有多个用于后期固定装置的螺孔（本实例中孔径为6mm）；模块三上方雕刻有模块进气口（本实例为4个，圆柱单向口，直径为8mm，深度为1mm）；在4个模块进气口（图7中第二模块进气口11的位置）的周围，均匀雕刻贯穿模块三的模块出气口（本实例截面为圆形，圆形直径为4mm，图8中第二模块出气口13的位置），第二模块出气口13的总数目为16个（本实例中每个模块进气口对应N=82/42=4个模块出气口，因此总出气口数目为4*N=16）；在与模块进气口同侧，分别用16个第二气体流道槽12（本实例中流道深度为1mm，宽度为4mm，图7中第二气体流道槽12的位置相连接。模块三使用上方的4个模块进气口与模块二下方的4个模块出气口使用密封脂或垫片相连接。
实施例2中第四层级模块为第三个气体传输多孔模块层，记为模块四：模块四周边有多个用于后期固定装置的螺孔（本实例中孔径为6mm）；模块四上方雕刻有模块进气口（本实例为16个，圆柱单向口，直径为4mm，深度为1mm）；在16个模块进气口（图9中第三模块进气口14的位置）的周围，均匀雕刻贯穿模块四的模块出气口（本实例截面为圆形，圆形直径为2mm，图9中第三模块出气口16），出气口的总数目为64个（本实例中每个进气口对应N=42/22=4个出气口，因此总出气口数目为16*N=64）；在与模块进气口同侧，分别用64个气体流道（本实例中流道深度为1mm，宽度为1mm，图9中第三气体流道槽15的位置）相连接。模块四使用上方的16个模块进气口与模块三下方的16个模块出气口使用密封脂或垫片相连接。
实施例2中第五层级模块为终端出气模块，记为模块五：模块五周边有多个用于后期固定装置的螺孔（本实例中孔径为6mm）；模块五上雕刻有贯穿于模块进气口（本实例为64个，圆柱单向口，直径为2mm，深度为1mm）；在64个模块进气口（图10中第三模块出气口16的位置）的周围，均匀雕刻贯穿模块四的模块出气口（本实例截面为圆形，圆形直径为1mm，图11中反应气体产物导流槽18的位置），模块物料出气口19的总数目为256个（本实例中每个进气口对应N=22/12=4个出气口，因此总出气口数目为64*N=64）；在与模块进气口同侧，分别用256个气体流道（本实例中流道深度为1mm，宽度为1mm，图11中模块物料出气口19的位置）相连接。模块五使用上方的64个模块进气口与模块四下方的64个模块出气口使用密封脂或垫片相连接。同时地，在模块五的256个模块物料出气口19之间，雕刻有气体产物导出流道（本实例中流道呈∣排列的，宽度1mm，深度1mm），在256个出气口矩阵的外围，雕刻有反应气体产物汇集导流槽21（本实例中流道呈口字，宽度2mm，深度1mm），并在外围流道四角雕刻4个贯穿的反应气体产物汇集导流孔22（实例中单个导流孔半径为1.5mm）。在模块五的64个模块进气口同侧，进气口的外围，雕刻口字反应气体产物汇集导流槽21（本实例中流道呈口字，宽度1.5mm，深度1mm）连接汇总四角的反应气体产物汇集导流孔22。再经主排出口排出（本实例中主排气口为长方形，横截面积为200 mm2, 图11~图12中模块物料出气口19的位置）。
本发明的工作原理：所述三维层级孔道结构的燃料电池流场板，其主要包含：主进气模块，n（n≥1）个气体传输多孔模块，一个终端出气模块。
在本申请的实施例中，所述三维层级孔道结构的燃料电池流场板，三种模块在沿气流传递方向孔-孔联通串联堆叠封装。优选地，n=2~6。
在本申请的实施例中，所述三维层级孔道结构的燃料电池流场板，所述模块层级串联密封组装可通过硅胶等粘弹性密封垫片/圈或粘结剂密封等方式实现；
在本申请的实施例中，所述三维层级孔道结构的燃料电池流场板，可为金属或者石墨等导电材料，或环氧树脂等有机聚合物板材不导电材料，模块厚度为0.1mm~3mm;
在本申请的实施例中，所述三维层级孔道结构流场板中的主进气模块，由整个反应单元外源气体的引流口、反应单元内进气主流道槽和模块出气口组成。其中外部气体引流口和进气主流道槽在底板一侧，模块出气口（尺寸d0）在底板另一侧。优选地，主进气模块的出气口在该模块的中心位置，截面积与引流口截面积一致。
在本申请的实施例中，所述三维层级孔道结构流场板中的气体传输多孔模块，由模块进气口、气体传输通道槽和模块出气口组成。其中模块进气口和气体传输通道槽在模块板材的一侧，模块出气口在另一侧。
在本申请的实施例中，所述气体传输多孔模块的进气口，进气口的个数、尺寸、形状和在模块板材上空间位置分布应与上一层级模块的出气口一致；模块进气口主要用于与上一层级模块的出气口串接连通。
在本申请的实施例中，所述气体传输多孔模块的出气口，出气口的尺寸（d2）要小于模块进气口尺寸（d1），出气口落位在模块板材上均匀分散，出气口的个数（N）要多于进气口个数。优选地，出气口的个数N为(d1/d2)2~ (d1/d2)3个；
在本申请的实施例中，所述气体传输多孔模块的气体传输通道，气体传输通道的宽度应与进气口尺寸一致（d2）；
在本申请的实施例中，所述三维层级孔道结构流场板中的终端出气模块，由模块进气孔体系和整个反应单元产物排放孔体系组成；
在本申请的实施例中，所述终端出气模块的模块进气孔体系，由模块进气口、气体传输通道槽和模块出气口组成。其中模块进气口和气体传输通道槽在模块板材的一侧，模块出气口在另一侧。
在本申请的实施例中，所述终端出气模块的模块进气孔体系，由模块进气口的个数、尺寸、形状和在模块板材上空间位置分布应与上一层级模块的出气口一致；模块进气口主要用于与上一层级模块的出气口串接连通。
在本申请的实施例中，所述终端出气模块的模块进气孔体系，出气口的尺寸（d2’）要小于模块进气口尺寸（d1’），出气口落位在模块板材上均匀分散，出气口的个数（N）要多于进气口个数。优选地，出气口的尺寸为0.5~1mm，个数N为(d1’/d2’)2~ (d1’/d2’)3个。
在本申请的实施例中，所述终端出气模块的模块进气孔体系，气体传输通道槽的宽度应与出气口尺寸一致（d2’）；
在本申请的实施例中，所述终端出气模块内产物排放孔体系，由气体产物排放导流流场，产物排放导流口，反应单元气体产物主排放流道和反应单元气体产物主排放口；
在本申请的实施例中，所述终端出气模块内产物排放孔体系中的气体产物排放导流流场，其特征在于落位在模块进气孔体系的出气口一侧，并且均匀分布在模块进气孔体系的出气口周围；优选地，产物排放收集和导流流场为 “十”字形或者“一”字型，流道深0.1~1mm，宽0.1~1mm；
在本申请的实施例中，所述终端出气模块内产物排放孔体系中的产物排放导流口，其特征在贯穿整个模块，且在整个模块进气孔体系周边的顶角位置。优选地，产物排放导流口尺寸为d0的1/2~1/8。
在本申请的实施例中，所述终端出气模块内产物排放孔体系中的反应单元气体产物主排放口，用于将反应单元内的反应后的气体及产物排出。优选地，尺寸和面积和反应单元进气口一致。
在本申请的实施例中，所述终端出气模块内产物排放孔体系中的反应单元气体产物主排放流道，其特征在于落位与模块进气孔体系的进气口一侧，用于连接贯穿整个模块的产物排放导流口，汇集和辅助所有气体及产物流向反应单元气体产物主排放口。优选地，流道尺寸为d0的1/2~1/8。
综上所述，1，创新性地开发三维立体式的反应物料供给方法；相较于传统专利中所开发的增强二维平面内的反应物料供给和排出流场结构，本专利创新性的提出了三维立体式流场结构的供料方法；
2，反应物料通过流场的层级孔结构进行预分流，实现了将反应物料均匀高效精准地投递到膜电极3催化剂表面。传统二维平面的流场结构，反应物料在流场中流动过程中，主要依赖浓差扩散和压力差进行由流场流道中向膜电极3的催化层内进行扩散，引发和促进催化反应过程。此时若物料在流场中传递过快反而会降低反应气体的使用效率，造成反应气体的大量浪费等一系列问题。而本发明提出的由一个总进气口实现多个分支出气口的三维立体层级孔体系的流场板结构，能实现控制气流垂直且均匀地通向包含催化剂的膜电极3表面，增强反应物料与催化剂层的接触效率和反应产物的及时排除。同时，流场板终端模块上独立的物料供给出气孔能保证将反应物料均匀地物料投递到膜电极3的每一个区域，确保反应物料的利用效率；
3，创新性地在流场板内构建三维立体式层级孔结构，实现反应物料由主供料通道快速传递到反应膜电极单元内。本发明通过设计各层级气体传输多孔模块内孔道结构，保持层级间孔道体系的相匹配和相协同（如：孔尺寸、孔体积等），使得气体在多级孔道体系中阻力低、传输效率高。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板，其特征在于：包括沿模块进气口的气体传输方向依次叠层布置的主进气模块、气体传输多孔模块和终端出气模块，主进气模块上设有反应单元主进气口，主进气模块的下端面设有模块进出气孔，反应单元主进气口与模块进出气孔之间连通，终端出气模块上设有反应气体产物汇集导流槽和排气通道口，反应气体产物汇集导流槽与排气通道口之间连通；
其中，气体传输多孔模块内设有多层级三维分叉进气孔道，多层级三维分叉进气孔道沿模块进气口的气体传输方向分叉布置，主进气模块的模块进出气孔与多层级三维分叉进气孔道的进气端连通，多层级三维分叉进气孔道的出气端与反应气体产物汇集导流槽连通；
气体传输多孔模块包括n个沿模块进气口的气体传输方向依次叠层布置的气体传输多孔模块层，n≥1，每层气体传输多孔模块层的上端面设有模块进气口，每个模块进气口沿周向均分布有多个模块出气口，模块出气口布置于气体传输多孔模块层的下端面，各模块出气口与相应模块进气口之间连接有气体流道槽，本层气体传输多孔模块层的模块出气口与相邻下一层级的模块进气口连通，本层气体传输多孔模块层的模块进气口与相邻上一层级的气体传输多孔模块层的模块出气口连通，形成多层级三维分叉进气孔道；
最上一层的气体传输多孔模块层的模块进气口与主进气模块的模块进出气孔连通，最下一层的气体传输多孔模块层的模块出气口与终端出气模块的反应气体产物汇集导流槽连通。
2.如权利要求1所述的模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板，其特征在于：终端出气模块的上端面和下端面均设有反应气体产物汇集导流槽，上端面的反应气体产物汇集导流槽和下端面的反应气体产物汇集导流槽之间连通有反应气体产物汇集导流孔，上端面的反应气体产物汇集导流槽与排气通道口连通；
终端出气模块的上端面设置有多个模块物料进气口，终端出气模块的模块物料进气口的个数与最下一层的气体传输多孔模块层的模块出气口一一对应布置，并与最下一层的气体传输多孔模块层的相应模块出气口连通，模块物料进气口设置于上端面的反应气体产物汇集导流槽内，终端出气模块的下端面沿每个模块物料进气口周向均设有多个模块物料出气口，模块物料出气口与相应的模块物料进气口之间连接有反应气体产物导流槽。
3.如权利要求2所述的模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板，其特征在于：在终端出气模块的下端面设置有多个反应气体产物扩散槽，多个反应气体产物扩散槽分布于物料出气口的四周，呈十字或一字排列，并与下端面的反应气体产物汇集导流槽连通，反应气体产物汇集导流槽为口字形结构，反应气体产物汇集导流孔布置于口字形反应气体产物汇集导流槽的四角。
4.如权利要求1所述的模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板，其特征在于：各层级的气体传输多孔模块层的模块进气口的大小逐层递减，即上一层级的气体传输多孔模块层的模块进气口大于相邻下一层级的气体传输多孔模块层的模块进气口。
5.如权利要求1所述的模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板，其特征在于：多个气体传输多孔模块开展层级串联密封组装时，在同一气体传输多孔模块层上按每1个模块进气口对N个模块出气口的相连贯通；N为(d1/d2)2至 (d1/d2)3个；d2=1/2d1~1/4d1，d1为模块进气口的直径，d2为模块出气口的直径，模块进气口与模块出气口之间的连接孔道尺寸也为d2。
6.如权利要求1所述的模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板，其特征在于： 主进气模块上设有反应单元主排气口，气体传输多孔模块上还设有排气通道，排气通道的一端与主进气模块的反应单元主排气口连通，排气通道的另一端与排气通道口连通；
反应单元主进气口与模块进出气孔之间连通有气体流道槽。
7.如权利要求1所述的模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板，其特征在于：主进气模块、气体传输多孔模块和终端出气模块的各模块的材质为金属或石墨导电材料，亦或环氧树脂有机聚合物板材不导电材料。
8.如权利要求1所述的模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板，其特征在于：气体传输多孔模块与主进气模块和终端出气模块之间，以及气体传输多孔模块的各层级之间的气体传输多孔模块层通过硅胶粘弹性密封圈和/或粘结剂密封。
9.一种燃料电池，其特征在于：包括两个权利要求1~8任意一项的模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板和膜电极，两个模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板分别布置于膜电极的两侧，分别作为阴极和阳极。
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