CN215896458U - 用于燃料电池单元的流场板以及燃料电池单元 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种用于燃料电池单元的流场板，其包括至少一个旁通通道，所述至少一个旁通通道被配置成将反应气体从流场板的入口部分地分流到反应区的确定区域并且使其在所述确定区域中与未分流部分混合，以提高反应气体在所述反应区上的分布均匀性。本申请还提供了一种包括前述流场板的燃料电池单元。根据本申请的流场板能够通过提高反应气体在反应区上的分布均匀性来提高电流密度的分布均匀性，从而确保燃料电池单元可靠和高效运行。
Description
技术领域
本申请总体上涉及燃料电池技术，尤其涉及用于燃料电池单元的流场板以及包括其的燃料电池单元。
背景技术
利用燃料与氧化剂的电化学反应发电的燃料电池被日益广泛地用来提供电力，尤其是在电动车辆领域中。质子交换膜燃料电池是一种广泛应用的燃料电池，其采用氢气为燃料，氧气为氧化剂。通常，膜电极组件(MEA)被设置在两个流场板之间，以形成燃料电池单元。两个流场板各自包括用于向MEA供给反应气体(即，氢气、氧气或空气)的流场，并且分别用作阳极板和阴极板。
如图1所示，传统的流场板1包括被配置成接收反应气体的入口3、被配置成排出反应产物的出口5以及在入口3与出口5之间延伸的流场7。在燃料电池单元工作期间，反应气体从入口3通过流场7朝着出口5流动，并且在流动经过流场7的反应区9时因发生电化学反应而被消耗。反应气体在反应区9中浓度沿着其流动方向逐渐降低(如图1中的空心箭头所表示的)，导致反应气体在反应区9上分布不均匀。这会导致燃料电池单元的电流密度不均匀，从而降低燃料电池单元的效率。
因此，需要对传统的流场板进行改进。
实用新型内容
本申请旨在提供一种改进的流场板，以克服上述缺陷。
根据本申请的一个方面，提供了一种用于燃料电池单元的流场板，所述流场板包括被配置成接收反应气体的入口、被配置成排出反应产物的出口以及在所述入口与所述出口之间延伸的流场，所述流场包括沿着反应气体流动方向依次设置的入口分配区、反应区和出口汇集区，其特征在于，所述流场板还包括至少一个旁通通道，所述至少一个旁通通道被配置成将反应气体从所述入口部分地分流到所述反应区的确定区域并且使其在所述确定区域中与未分流部分混合，以提高反应气体在所述反应区上的分布均匀性。
优选地，所述反应区包括：多个流道，所述多个流道中的每个在所述入口分配区与所述出口汇集区之间延伸；以及至少一个互连通道，所述至少一个互连通道中的每个将所述多个流道中的至少两个流道彼此连通，并且与所述至少一个旁通通道中的至少一个直接连通，以接收反应气体的被分流部分。
优选地，所述多个流道由形成于所述流场板的脊部限定，并且相邻流道通过脊部间隔开，所述至少一个互连通道通过使相邻流道之间的脊部的一部分设置得比脊部的其它部分(b)矮来形成。
优选地，所述至少一个互连通道为单个互连通道，并且所述至少一个旁通通道为两个旁通通道，所述单个互连通道在沿着所述多个流道中的每个的长度的中间位置将所述多个流道彼此连通，并且在两端分别与所述两个旁通通道直接连通，以接收反应气体的被分流部分。
优选地，所述两个旁通通道的总通流能力被配置成在所述燃料电池单元的额定工况下从所述入口将第一量的反应气体引入所述单个互连通道，所述第一量等于所述燃料电池单元的额定工况下的反应气体额定消耗量的一半。
优选地，所述反应区包括多个流道，所述多个流道中的每个在所述入口分配区与所述出口汇集区之间延伸，所述至少一个旁通通道与所述多个流道数量相同，所述至少一个旁通通道中的每个被配置成从所述入口将一部分反应气体引入所述相应一个流道。
优选地，所述反应区被划分为靠近所述入口分配区的上游区域和靠近所述出口汇集区的下游区域，所述确定区域位于所述上游区域与所述下游区域的相交部处或其附近，所述至少一个旁通通道被配置成将反应气体从所述入口部分地分流到所述反应区的确定区域并且使其在所述确定区域中与未分流部分混合，以使得反应气体在所述上游区域和所述下游区域中的浓度大致相同。
优选地，所述入口分配区和/或所述至少一个旁通通道被配置成具有可调的通流能力，使得能够调节反应气体的被分流部分与未分流部分的比例。
优选地，所述流场是直通道流场。
优选地，所述流场板是阳极板，并且所述反应气体是氢气。
优选地，所述流场板是阴极板，并且所述反应气体是氧气或空气。
根据本申请的另一个方面，提供了一种燃料电池单元，所述燃料电池单元包括阳极板、阴极板以及被设置在所述阳极板与所述阴极板之间的膜电极组件，所述阳极板和所述阴极板中的至少一者是前述的流场板。
根据本申请的流场板能够通过提高反应气体在反应区上的分布均匀性来提高电流密度的分布均匀性，从而确保燃料电池单元可靠和高效运行。
附图说明
下面将结合附图来更彻底地理解并认识本申请的上述和其它方面。应当注意的是，附图仅为示意性的，并非按比例绘制。在附图中：
图1示意性地示出了传统的流场板，其中空心箭头的大小代表反应气体在反应区上的浓度分布；
图2示意性地示出了根据本申请的优选实施例的流场板，其中空心箭头的大小代表反应气体在反应区上的浓度分布；
图3示意性地示出了图2的流场板的结构；
图4A是图3中的虚线区域的示意性放大视图；
图4B示意性地描绘了图4A中的脊部的横截面；以及
图5示意性地描绘了图2和图3的流场板的各个通道之间的通流能力关系。
附图标记列表
1 流场板
3 入口
5 出口
7 流场
9 反应区
100 流场板
101 板体
103 入口
105 出口
107 流场
108 入口分配区
109 反应区
109a 流道
110 出口汇集区
111a、111b 旁通通道
113 单个互连通道
115 脊部
115a 矮部分
具体实施方式
下面结合示例详细描述本申请的一些优选实施例。本领域技术人员应理解到的是，这些实施例仅是示例性的，并不意味着对本申请形成任何限制。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的特征可以相互组合。在附图中，为简要起见而省略了其它的部件，但这并不表明本申请的流场板和燃料电池单元不可包括其它结构和部件。应理解到，附图中各结构和部件的尺寸、比例关系以及部件的数目均不作为对本申请的限制。
图2和图3示意性地示出了根据本申请的优选实施例的流场板100，其被配置成用于燃料电池单元(未示出)。燃料电池单元的MEA(未示出)可以被设置在两个流场板之间，以形成燃料电池单元。这两个流场板各自包括用于向MEA供给反应气体(即，燃料气体和氧化剂气体)的流场，并且分别用作阳极板和阴极板。这两个流场板中的至少一者是根据本申请的优选实施例的流场板100。流场板100也可被称为“隔板”，其对于反应气体而言基本上是不可渗透的。如图2和图3所示，流场板100通常呈大致矩形的形状，并且包括板体101。流场板100还包括被配置成接收反应气体的入口103、被配置成排出反应产物的出口105以及在入口103与出口105之间延伸的流场107。入口103延伸贯穿板体101，以用于接收诸如氢气或空气或氧气之类的反应气体。具体而言，当流场板100与诸如MEA(未示出)等部件结合以形成燃料电池单元(未示出)，并且多个这种燃料电池单元结合以形成燃料电池堆叠时，入口103可以与燃料电池堆叠的反应气体供应总管(未示出)连通，以接收反应气体。类似地，出口105延伸贯穿板体101，以用于排出反应产物，例如将反应产物排放到燃料电池堆叠的排放通道中。
继续参考图2和图3，流场107是直通道流场，并且形成在板体101的一侧上。流场107包括沿着反应气体流动方向依次设置的入口分配区108、反应区109和出口汇集区110。反应区109包括多个流道109a，所述多个流道109a中的每个在入口分配区108与出口汇集区110之间延伸。入口分配区108被配置成靠近入口103设置并与入口103连通以从入口103接收反应气体，并且被配置成将反应气体分配到各个流道109a。出口汇集区110被配置成从各个流道109a汇集反应产物，并且被配置成靠近出口105设置并与出口105连通，以将反应产物排出到出口105。
流场板100还包括至少一个旁通通道，所述至少一个旁通通道被配置成将反应气体从入口103部分地分流到反应区109的确定区域并且使其在确定区域中与未分流部分混合，以提高反应气体在反应区109上的分布均匀性。也就是说，所述至少一个旁通通道被配置成将反应气体从入口103部分地分流并且在这样的确定区域将被分流的部分引入反应区109并使其与未分流部分混合，该确定区域使得可以提高反应气体在反应区109上的分布均匀性。因此，该确定区域并不包括反应区109与入口分配区108的相交部处以及反应区109与出口汇集区110的相交部处，因为在这些位置将被分流的部分引入反应区109无益于提高反应气体在反应区109上的分布均匀性。例如，反应区109可以被划分为靠近入口分配区108的上游区域(未示出)和靠近出口汇集区110的下游区域(未示出)，并且该确定区域位于上游区域与下游区域的相交部处或其附近。所述至少一个旁通通道被配置成将反应气体从入口103部分地分流到该确定区域并且使其在确定区域中与未分流部分混合，以使得反应气体在上游区域和下游区域中的浓度大致相同。
将反应气体从入口103部分地分流到反应区109的确定区域并且使其在确定区域中与未分流部分混合以提高反应气体在反应区109上的分布均匀性，可以提高流场板100上电流密度的分布均匀性，从而确保利用流场板100的燃料电池单元可靠和高效运行。下面结合一些示例详细描述流场板100允许旁通通道将反应气体的被分流部分引入反应区109的确定区域的具体构型。
在一个示例中，反应区109包括至少一个互连通道，所述至少一个互连通道中的每个将多个流道109a中的至少两个流道109a彼此连通，并且与至少一个旁通通道中的至少一个直接连通，以接收反应气体的被分流部分。例如，请参考图2和图3，其中示出了所述至少一个旁通通道为两个旁通通道111a和111b，并且所述至少一个互连通道为单个互连通道113。两个旁通通道111a和111b在板体101上分别在反应区109的两侧延伸。换言之，两个旁通通道111a和111b没有在反应区109中延伸。单个互连通道113在沿着多个流道109a中的每个的长度的中间位置处或其附近将多个流道109a彼此连通，并且在两端113a和113b分别与两个旁通通道111a和111b直接连通，以接收反应气体的被分流部分。
如图3所示并且进一步如图4A和图4B所示，流场107的反应区109的多个流道109a由形成于流场板100的脊部115限定，并且相邻流道109a通过脊部115间隔开。脊部115相对于流场板100的板体101突起，并且可以通过本领域中已知的方法形成。单个互连通道113通过使多个流道109a中的相邻流道109a之间的脊部115的一部分(在图4A和图4B中以“115a”表示)设置得比脊部115的其它部分(在图4A和图4B中以“115b”表示)矮来形成。脊部115的矮部分115a在多个流道109a之间形成通道，以允许流体经由其流通(如图4B中的双向箭头所表示的)。通过这种方式，由两个旁通通道111a和111b分别在单个互连通道113的两端113a和113b引入单个互连通道113的反应气体的被分流部分可以流入相应的流道109a(如图4B中的双向箭头所示意性地表示的)，与流道109a中的未分流部分混合，从而提高流道109a中的反应气体浓度，该反应气体浓度在这之前由于反应气体的消耗而相比于从入口分配区108进入流道109a时降低。与图1所示的传统流场板1相比，根据本申请的流场板100可以提高反应气体在反应区109上的分布均匀性(如图2中的空心箭头所表示的)。应理解，脊部115的矮部分115a相对于板体101的高度可以为零，即，在该部分没有突出的脊部。
在单个互连通道113在沿着多个流道109a中的每个的长度的中间位置处将多个流道109a彼此连通的情况下，两个旁通通道111a和111b的总通流能力被配置成在使用流场板100的燃料电池单元的额定工况下从入口103将第一量的反应气体引入单个互连通道113，所述第一量等于该燃料电池单元的额定工况下的反应气体额定消耗量的一半。如在本文中所使用的，“通流能力”是指通道允许流体经由其通过的能力，其通常以通道用于流通流体的有效截面积来表征。因此，将两个旁通通道111a和111b的总通流能力配置成在该燃料电池单元的额定工况下从入口103将所述第一量的反应气体引入单个互连通道113意味着，可以基于该燃料电池单元的额定工况下的反应气体额定消耗量来设定两个旁通通道111a和111b的总有效截面积。也就是说，可以基于将要使用流场板100的燃料电池单元的额定工况来设定两个旁通通道111a和111b的具体构型，以提供相应的总通流能力。下面结合图5描述将两个旁通通道111a和111b的总通流能力配置成在该燃料电池单元的额定工况下从入口103将所述第一量的反应气体引入单个互连通道113的原理。
如图5所示意性地表示的，在燃料电池单元工作期间，过量的反应气体被提供到流场板100的入口103，以确保燃料电池单元有充足的反应气体可用。输入流场板100的反应气体量QIn以公式(1)表示：
QIn＝λ·Qact (1)
其中，Qact是该燃料电池单元在额定工况下的反应气体额定消耗量，其单位例如Nl/min；λ是过量系数，其值大于1，例如可以是1.3到1.5。期望使流过反应区109在单个互连通道113上游和下游的上游区域和下游区域的反应气体量QUs和QDs分别为输入流场板100的反应气体量QIn的一半，即：
这将使反应气体在该上游区域和下游区域中的浓度大致相同，即，均匀地分布。在这种情况下，反应气体在该上游区域和下游区域中的消耗量均为该燃料电池单元在额定工况下的反应气体额定消耗量的一半。如此，流过该下游区域的反应气体量QDs为：
其中，Q1和Q2分别是流过两个旁通通道111a和111b的反应气体量。Q1与Q2之和代表两个旁通通道111a和111b的总通流能力。将公式(2)代入公式(3)可得：
由此可见，在单个互连通道113在沿着多个流道109a中的每个的长度的中间位置处将多个流道109a彼此连通的情况下，将两个旁通通道111a和111b的总通流能力配置成在使用流场板100的燃料电池单元的额定工况下从入口103将所述第一量的反应气体引入单个互连通道113能够提高反应气体在反应区109上的分布均匀性。
应理解，上述情况并不限于两个旁通通道111a和111b，其也适于一个旁通通道或者多于两个旁通通道的情况，只要这些旁通通道的总通流能力被配置成在使用流场板100的燃料电池单元的额定工况下从入口103将第一量的反应气体引入该单个互连通道113，所述第一量等于该燃料电池单元的额定工况下的反应气体额定消耗量的一半。
在另一个示例中，所述至少一个旁通通道与反应区109的多个流道109a数量相同，并且至少一个旁通通道中的每个被配置成从入口103将一部分反应气体引入相应一个流道109a。例如，至少一个旁通通道中的每个可以在板体101上与相应的流道109a共同地延伸，并且在诸如沿着流道109a的长度的中间位置之类的合适位置接入相应的流道109a，以引入被分流的反应气体，从而提高反应气体在反应区109上的分布均匀性。在这种情况下，尽管至少一个旁通通道可能由于在反应区109中延伸而导致其中流动的反应气体损耗，但是可以通过使旁通通道具有较小的流体阻力而使得反应气体能够以较小的损耗达到前述合适位置。
在又一个示例中，入口分配区108和/或所述至少一个旁通通道被配置成具有可调的通流能力，使得能够调节反应气体的被分流部分与未分流部分的比例。例如，诸如滑块或滑动挡片之类的调节机构可以被设置在入口分配区108和/或所述至少一个旁通通道中并且(手动或自动地)在其中滑动，以调节入口分配区108和/或所述至少一个旁通通道的通流能力。借此，可以调节反应气体的被分流部分与未分流部分的比例。通过这种方式，可以更精确地控制反应气体在反应区109上的分布。应理解，调节机构的具体形式不限于滑块或滑动挡片，其它合适的形式也是可能的。还应理解，即使已经设定了所述至少一个旁通通道的总通流能力，仍可以使所述至少一个旁通通道具有可调的通流能力，以适应各种工况变化。
上述的流场板100可以用作阳极板，在这种情况下，其中流动的反应气体是氢气。或者，上述的流场板100可以用作阴极板，在这种情况下，其中流动的反应气体是氧气或空气。此外，两块流场板100可以通过诸如焊接之类的本领中已知的方法结合在一起以形成双极板。
还应理解，尽管在图2和图3中流场107被示出为直通道流场，流场107也可以呈其它合适的流场构型，例如蛇形流场构型、3D流场构型等等。
以上结合具体实施例对本申请进行了详细描述。显然，以上描述以及在附图中示出的实施例均应被理解为是示例性的，而不构成对本申请的限制。对于本领域技术人员而言，可以在不脱离本申请的精神的情况下对其进行各种变型或修改，这些变型或修改均不脱离本申请的范围。
Claims (10)
1.一种用于燃料电池单元的流场板(100)，所述流场板(100)包括被配置成接收反应气体的入口(103)、被配置成排出反应产物的出口(105)以及在所述入口(103)与所述出口(105)之间延伸的流场(107)，所述流场(107)包括沿着反应气体流动方向依次设置的入口分配区(108)、反应区(109)和出口汇集区(110)，其特征在于，所述流场板(100)还包括至少一个旁通通道，所述至少一个旁通通道被配置成将反应气体从所述入口(103)部分地分流到所述反应区(109)的确定区域并且使其在所述确定区域中与未分流部分混合，以提高反应气体在所述反应区(109)上的分布均匀性。
2.根据权利要求1所述的流场板(100)，其特征在于，所述反应区(109)包括：
多个流道(109a)，所述多个流道(109a)中的每个在所述入口分配区(108)与所述出口汇集区(110)之间延伸；以及
至少一个互连通道，所述至少一个互连通道中的每个将所述多个流道(109a)中的至少两个流道(109a)彼此连通，并且与所述至少一个旁通通道中的至少一个直接连通，以接收反应气体的被分流部分。
3.根据权利要求2所述的流场板(100)，其特征在于，所述多个流道(109a)由形成于所述流场板(100)的脊部(115)限定，并且相邻流道(109a)通过脊部(115)间隔开，所述至少一个互连通道通过使相邻流道(109a)之间的脊部(115)的一部分(115a)设置得比脊部的其它部分(115b)矮来形成。
4.根据权利要求2所述的流场板(100)，其特征在于，所述至少一个互连通道为单个互连通道(113)，并且所述至少一个旁通通道为两个旁通通道(111a、111b)，所述单个互连通道(113)在沿着所述多个流道(109a)中的每个的长度的中间位置将所述多个流道(109a)彼此连通，并且在两端分别与所述两个旁通通道(111a、111b)直接连通，以接收反应气体的被分流部分。
5.根据权利要求4所述的流场板(100)，其特征在于，所述两个旁通通道(111a、111b)的总通流能力被配置成在所述燃料电池单元的额定工况下从所述入口(103)将第一量的反应气体引入所述单个互连通道(113)，所述第一量等于所述燃料电池单元的额定工况下的反应气体额定消耗量的一半。
6.根据权利要求1所述的流场板(100)，其特征在于，所述反应区(109)包括多个流道(109a)，所述多个流道(109a)中的每个在所述入口分配区(108)与所述出口汇集区(110)之间延伸，所述至少一个旁通通道与所述多个流道(109a)数量相同，所述至少一个旁通通道中的每个被配置成从所述入口(103)将一部分反应气体引入所述相应一个流道(109a)。
7.根据权利要求1所述的流场板(100)，其特征在于，所述反应区(109)被划分为靠近所述入口分配区(108)的上游区域和靠近所述出口汇集区(110)的下游区域，所述确定区域位于所述上游区域与所述下游区域的相交部处或其附近，所述至少一个旁通通道被配置成将反应气体从所述入口(103)部分地分流到所述反应区(109)的确定区域并且使其在所述确定区域中与未分流部分混合，以使得反应气体在所述上游区域和所述下游区域中的浓度大致相同。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的流场板(100)，其特征在于：
所述入口分配区(108)和/或所述至少一个旁通通道被配置成具有可调的通流能力，使得能够调节反应气体的被分流部分与未分流部分的比例；和/或
所述流场(107)是直通道流场。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的流场板(100)，其特征在于：
所述流场板(100)是阳极板，并且所述反应气体是氢气；或者
所述流场板(100)是阴极板，并且所述反应气体是氧气或空气。
10.一种燃料电池单元，所述燃料电池单元包括阳极板、阴极板以及被设置在所述阳极板与所述阴极板之间的膜电极组件，其特征在于，所述阳极板和所述阴极板中的至少一者是根据权利要求1至8中任一项所述的流场板(100)。
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| CN202122301770.8U CN215896458U (zh) | 2021-09-23 | 2021-09-23 | 用于燃料电池单元的流场板以及燃料电池单元 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202122301770.8U CN215896458U (zh) | 2021-09-23 | 2021-09-23 | 用于燃料电池单元的流场板以及燃料电池单元 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN215896458U true CN215896458U (zh) | 2022-02-22 |
Family
ID=80471870
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202122301770.8U Active CN215896458U (zh) | 2021-09-23 | 2021-09-23 | 用于燃料电池单元的流场板以及燃料电池单元 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN215896458U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118127544A (zh) * | 2024-05-06 | 2024-06-04 | 上海治臻新能源股份有限公司 | 一种极板及电解槽 |
-
2021
- 2021-09-23 CN CN202122301770.8U patent/CN215896458U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| GR01 | Patent grant | ||
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