CN217719674U - 极板及单电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种极板及单电池，在极板的长度方向上，极板包括依次设置的进气分配区、活化区和排气分配区，活化区具有多个沿极板长度方向延伸的流通通道；进气分配区具有多个沿极板宽度方向延伸的第一窄通道，每个第一窄通道分别和至少一个流通通道的入口对应连通；和/或排气分配区具有多个沿极板宽度方向延伸的第二窄通道，每个第二窄通道分别和至少一个流通通道的出口对应连通；其中，第一窄通道和第二窄通道均包括相互连通的第一扩充段和第一缩减段，第一扩充段和第一缩减段沿气体流通方向依次交替设置。通过本实用新型提供的技术方案，能够解决现有技术中的极板中气体均匀性差的问题，且该方案可利用分配区反应发电，提高单电池性能。

Description

极板及单电池

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种极板及单电池。

背景技术

通常情况下，单电池由阴极板、膜电极组件和阳极板组成，膜电极组件设置在阳极板和阴极板之间。其中，极板按结构可分为分配区、活化区等，分配区用于对气体进行分配，活化区作为发电区域，最常见的分配区设计为点阵式分配区和强制性式分配区；采用点阵式分配区，其气体分配均匀性较差，容易堵水，所以通常不会将分配区当做发电区域；采用强制性分配区可让气体从固定的分配区流道进入活化区流道，这种结构在一定程度上能减少气体均匀性偏差，但气体均匀性仍有待提高。

此外，点阵式分配区相较于活化区与气体扩散层接触面积更小，气体扩散层更容易侵入到点阵内，堵塞反应通道，导致性能下降，由于这种特性，点阵式分配区无法作为发电区域，影响单电池性能。因此，现有技术中的极板存在气体均匀性差的问题，导致单电池的发电性能差。

实用新型内容

本实用新型提供了一种极板及单电池，以解决现有技术中的极板气体均匀性差等问题，提高单电池的性能。

为了解决上述问题，根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供了一种极板，在极板的长度方向上，极板包括依次设置的进气分配区、活化区和排气分配区，活化区具有多个沿极板长度方向延伸的流通通道；进气分配区具有多个沿极板宽度方向延伸的第一窄通道，每个第一窄通道分别和至少一个流通通道的入口对应连通；和/或排气分配区具有多个沿极板宽度方向延伸的第二窄通道，每个第二窄通道分别和至少一个流通通道的出口对应连通；其中，第一窄通道和第二窄通道均包括相互连通的第一扩充段和第一缩减段，第一扩充段和第一缩减段沿气体流通方向依次交替设置。

进一步地，进气分配区包括沿极板宽度方向延伸的多条第一平直脊和多条第一蜿蜒脊，第一平直脊和第一蜿蜒脊在极板的长度方向交替设置，相邻的第一平直脊和第一蜿蜒脊形成第一窄通道。

进一步地，第一窄通道的宽度小于流通通道的宽度；和/或，相邻的第一平直脊和第一蜿蜒脊之间的最大距离为H1，相邻的第一平直脊和第一蜿蜒脊之间的最小距离为H2，0.2mm≤H1-H2≤0.5mm。

进一步地，进气分配区包括进气聚集区、第一进气子区和第二进气子区，多个第一窄通道均位于第二进气子区，第一进气子区具有多个分配通道，多个分配通道的入口均和进气聚集区连通，其中，一部分分配通道的出口通过第一窄通道和一部分流通通道连通，其余分配通道的出口和其余流通通道直接连通。

进一步地，分配通道的出口的尺寸大于分配通道的入口的尺寸，一个分配通道连通至少一个第一窄通道或至少一个流通通道。

进一步地，多个流通通道沿极板的宽度方向间隔设置，流通通道包括相互连通的第二扩充段和第二缩减段，第二扩充段和第二缩减段沿气体流通方向依次交替设置。

进一步地，活化区包括沿极板长度方向延伸的多条第二平直脊和多条第二蜿蜒脊，第二平直脊和第二蜿蜒脊在极板的宽度方向交替设置，相邻的第二平直脊和第二蜿蜒脊形成流通通道，每条第一平直脊分别和相应的一条第二平直脊连接，每条第一蜿蜒脊分别和相应的一条第二蜿蜒脊连接。

进一步地，排气分配区和进气分配区的结构相同，极板长度方向的两端分别具有气体进口和气体出口，气体进口和进气分配区连通，气体出口和排气分配区连通。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种单电池，单电池包括膜电极组件、阳极板和阴极板，所述阳极板和/或所述阴极板为上述的极板，膜电极组件位于阳极板和阴极板之间。

进一步地，膜电极组件包括依次设置的阳极气体扩散层、质子交换膜和阴极气体扩散层，质子交换膜具有反应区；在平行于质子交换膜的投影面上，反应区覆盖极板的进气分配区、活化区和排气分配区。

应用本实用新型的技术方案，提供了一种极板，在极板的长度方向上，极板包括依次设置的进气分配区、活化区和排气分配区，活化区具有多个沿极板长度方向延伸的流通通道；进气分配区具有多个沿极板宽度方向延伸的第一窄通道，每个第一窄通道分别和一个流通通道的入口对应连通；和/或排气分配区具有多个沿极板宽度方向延伸的第二窄通道，每个第二窄通道分别和一个流通通道的出口对应连通；其中，第一窄通道和第二窄通道均包括相互连通的第一扩充段和第一缩减段，第一扩充段和第一缩减段沿气体流通方向依次交替设置。采用该方案，将第一窄通道和第二窄通道均设置成相互连通的第一扩充段和第一缩减段，且第一扩充段和第一缩减段沿气体流通方向依次交替设置，这样当气体从进气分配区进入第一窄通道后，由于第一缩减段使得局部气压增大，从而相邻的第一扩充段和第一缩减段之间会形成压力差，使气体能够快速通过第一窄通道进而快速进入活化区的流通通道中，随后气体到达第二窄通道，由于第二窄通道也具有第一扩充段和第一缩减段，这样使得气体能够快速通过第二窄通道进而从排气分配区排出，提升了气体的流通速率，有效解决了现有技术中的极板气体流动差的问题，这种设计对于极板的气体均匀性有很大的提升。并且，将该极板应用到单电池中，窄通道的扩充段和缩减段的结构设置，有利于气体进入到膜电极组件的气体扩散层，进而实现利用分配区来发电，提高了单电池的性能。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了本实用新型的实施例一提供的极板的结构示意图；

图2示出了图1中极板的局部放大图；

图3示出了本实用新型的实施例二提供的单电池部分结构的剖视图；

图4示出了图3中单电池中的膜电极组件的示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、进气分配区；11、第一窄通道；12、第一平直脊；13、第一蜿蜒脊；14、进气聚集区；15、第一进气子区；151、分配通道；16、第二进气子区；

20、活化区；21、流通通道；22、第二平直脊；23、第二蜿蜒脊；

30、排气分配区；31、第二窄通道；

40、气体进口；

50、气体出口；

60、膜电极组件；61、阳极气体扩散层；62、质子交换膜；621、反应区；63、阴极气体扩散层；

70、冷却通道。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1和图2所示，本实用新型的实施例一提供了一种极板，在极板的长度方向上，极板包括依次设置的进气分配区10、活化区20和排气分配区30，活化区20具有多个沿极板长度方向延伸的流通通道21；进气分配区10具有多个沿极板宽度方向延伸的第一窄通道11，每个第一窄通道11分别和至少一个流通通道21的入口对应连通；和/或排气分配区30具有多个沿极板宽度方向延伸的第二窄通道31，每个第二窄通道31分别和至少一个流通通道21的出口对应连通；其中，第一窄通道11和第二窄通道31均包括相互连通的第一扩充段和第一缩减段，第一扩充段和第一缩减段沿气体流通方向依次交替设置。

采用该方案，将第一窄通道11和第二窄通道31均设置成相互连通的第一扩充段和第一缩减段，且第一扩充段和第一缩减段沿气体流通方向依次交替设置，这样当气体从进气分配区10进入第一窄通道11后，由于第一缩减段使得局部气压增大，从而相邻的第一扩充段和第一缩减段之间会形成压力差，使气体能够快速通过第一窄通道11进而快速进入活化区20的流通通道21中，随后气体到达第二窄通道31，由于第二窄通道31也具有第一扩充段和第一缩减段，这样使得气体能够快速通过第二窄通道31进而从排气分配区30排出，提升了气体的流通速率，有效解决了现有技术中的极板气体流动差的问题；同时也能够提升气体的利用率，促进反应的进行。并且，将该极板应用到单电池中，窄通道的扩充段和缩减段的结构设置，使得气体通过扩充段和缩减段时，由于截面不同，会形成压力差，从而提高了气体向气体扩散层的扩散速度，进而提高了传质效率，因此，可以作为活化区。采用上述的设置方式，有利于气体进入到膜电极组件的气体扩散层，进而实现利用分配区来发电，提高了单电池的性能。

在本方案中，或者是第一窄通道11设置第一扩充段和第一缩减段，第二窄通道31不设置第一扩充段和第一缩减段；或者是第一窄通道11不设置第一扩充段和第一缩减段，第二窄通道31设置第一扩充段和第一缩减段；或者是第一窄通道11和第二窄通道31均设置第一扩充段和第一缩减段；其中，将第一窄通道11和第二窄通道31均设置第一扩充段和第一缩减段为最优解决方案。

其中，进气分配区10包括沿极板宽度方向延伸的多条第一平直脊12和多条第一蜿蜒脊13，第一平直脊12和第一蜿蜒脊13在极板的长度方向交替设置，相邻的第一平直脊12和第一蜿蜒脊13形成第一窄通道11。将第一平直脊12和第一蜿蜒脊13在极板的长度方向交替设置，使得与第一扩充段对应的流通通道以及与第一缩减段对应的流通通道之间会存在压力差，从而提升了气体的顺畅性，进一步提升了极板的性能。在本方案中，第一平直脊12和第一蜿蜒脊13交替设置，方便极板的加工成型。

进一步地，第一窄通道11的宽度小于流通通道21的宽度；和/或，相邻的第一平直脊12和第一蜿蜒脊13之间的最大距离为H1，相邻的第一平直脊12和第一蜿蜒脊13之间的最小距离为H2，0.2mm≤H1-H2≤0.5mm。在本实施例中，将第一窄通道11的宽度设置成小于流通通道21的宽度，这样第一窄通道11和流通通道21之间会形成气压差，使得气体能够快速充满整个流通通道21，提升了极板的气体均匀性，从而解决了现有技术中的极板气体流动差的问题；并且将相邻的第一平直脊12和第一蜿蜒脊13之间的最大距离H1，相邻的第一平直脊12和第一蜿蜒脊13之间的最小距离H2之间的差值限定在上述范围内，这样在工作运行中，能够有效抑制碳纸入侵，保证了极板性能的稳定性。

具体地，如图2所示，进气分配区10包括进气聚集区14、第一进气子区15和第二进气子区16，多个第一窄通道11均位于第二进气子区16，第一进气子区15具有多个分配通道151，多个分配通道151的入口均和进气聚集区14连通，其中，一部分分配通道151的出口通过第一窄通道11和一部分流通通道21连通，其余分配通道151的出口和其余流通通道21直接连通。通过上述设置方式，设置多个分配通道151，这样能够快速将气体通过第一窄通道11分配给流通通道21，或直接分配给流通通道21，进一步增加了气体的流通速率，保证了气体流通方向的连续性。

其中，分配通道151的出口的尺寸大于分配通道151的入口的尺寸，一个分配通道151连通至少一个第一窄通道11或至少一个流通通道21。将分配通道151的出口的尺寸设置成大于分配通道151的入口的尺寸，这样出口和入口之间也会形成压力差，使得气体能够快速分配通道151；其中，一个分配通道151能够连通一个第一窄通道11或多个第一窄通道11；一个分配通道151能够连通一个流通通道21或多个流通通道21。在本实施例中，如图2所示，一个分配通道151连通对应的两个第一窄通道11或两个流通通道21，这样进一步增加了气体的流通速率，保证了气体流通方向的连续性。

具体地，多个流通通道21沿极板的宽度方向间隔设置，流通通道21包括相互连通的第二扩充段和第二缩减段，第二扩充段和第二缩减段沿气体流通方向依次交替设置。将流通通道21设置成相互连通的第二扩充段和第二缩减段，且第二扩充段和第二缩减段沿气体流通方向依次交替设置，这样当气体从流通通道21后，由于第二缩减段使得局部气压增大，从而相邻的第二扩充段和第二缩减段之间会形成压力差，使得气体能够快速通过流通通道21，提升了气体的流通速率，有效解决了现有技术中的极板气体流动差的问题；同时也能够提升气体的利用率，促进反应的进行，同时，流通通道21的第二扩充段和第二缩减段之间会产生压力差，从而使得水快速从极板内部流出，降低了水滞留，排水性加强。

在本实施例中，流通通道21、第一窄通道11、第二窄通道31和分配通道151的截面均为矩形；相邻两个流通通道21之间具有冷却通道70，相邻两个第一窄通道11之间具有冷却通道70，相邻两个第二窄通道31之间具有冷却通道70，相邻两个分配通道151之间具有冷却通道70，这样单电池在运行的过程中可以向冷却通道70中注入冷却液，从而起到降温的作用，保证极板的稳定运行。

可选地，极板还具有密封粘接胶槽，便于和其他结构进行粘接。

其中，活化区20包括沿极板长度方向延伸的多条第二平直脊22和多条第二蜿蜒脊23，第二平直脊22和第二蜿蜒脊23在极板的宽度方向交替设置，相邻的第二平直脊22和第二蜿蜒脊23形成流通通道21，每条第一平直脊12分别和相应的一条第二平直脊22连接，每条第一蜿蜒脊13分别和相应的一条第二蜿蜒脊23连接。

将第二平直脊22和第二蜿蜒脊23在极板的宽度方向交替设置，使得与第二扩充段对应的流通通道以及与第二缩减段对应的流通通道之间会存在压力差，既避免了与极板配合的膜电极组件60嵌入到第二扩充段内堵塞流通通道的问题，又能够提升气体顺畅性，从而提升了极板的性能。在本方案中，第二平直脊22和第二蜿蜒脊23交替设置，方便极板的加工成型。同时将每条第一平直脊12分别和相应的一条第二平直脊22连接，每条第一蜿蜒脊13分别和相应的一条第二蜿蜒脊23连接，保证了气体流通通道的连续性和稳定性。

如图1所示，排气分配区30和进气分配区10的结构相同，极板长度方向的两端分别具有气体进口40和气体出口50，气体进口40和进气分配区10连通，气体出口50和排气分配区30连通。在工作过程中，气体经过气体进口40后，依次进入进气分配区10、活化区20、排气分配区30，最后从气体出口50排出。

如图3和图4所示(其中，图3为单电池部分结构在宽度方向上的剖视图)，本实用新型的实施例二提供了一种单电池，单电池包括膜电极组件60、阳极板和阴极板，阳极板和/或阴极板为上述的极板，膜电极组件60位于阳极板和阴极板之间。采用该方案，将第一窄通道11和第二窄通道31均设置成相互连通的第一扩充段和第一缩减段，且第一扩充段和第一缩减段沿气体流通方向依次交替设置，这样当气体从进气分配区10进入第一窄通道11后，由于第一缩减段使得局部气压增大，从而相邻的第一扩充段和第一缩减段之间会形成压力差，使气体能够快速通过第一窄通道11进而快速进入活化区20的流通通道21中，随后气体到达第二窄通道31，由于第二窄通道31也具有第一扩充段和第一缩减段，这样使得气体能够快速通过第二窄通道31进而从排气分配区30排出，提升了气体的流通速率，有效解决了现有技术中的单电池气体流动差的问题；同时也能够提升气体的利用率，促进反应的进行，提升了单电池的性能。其中，或者是阳极板设置为上述的极板，阴极板不设置为上述的极板；或者是阴极板设置为上述的极板，阳极板不设置为上述的极板；或者是阳极板和阴极板均为上述的极板，且阳极板和阴极板相对于膜电极组件60对称设置。

其中，膜电极组件60包括依次设置的阳极气体扩散层61、质子交换膜62和阴极气体扩散层63，质子交换膜62具有反应区621；在平行于质子交换膜62的投影面上，反应区621覆盖极板的进气分配区10、活化区20和排气分配区30。采用上述设置方式，将反应区621覆盖极板的进气分配区10、活化区20和排气分配区30，这样也能够利用进气分配区10和排气分配区30来进行发电，增加了单电池的发电能力，在相同堆叠片数下，本方案的单电池能满足更大的需求，进一步提升了单电池的性能。

本方案的具体实施过程如下：

单电池的阴极板与膜电极组件的阴极气体扩散层接触，由于设置有相互连通的第一扩充段和第一缩减段(第二扩充段和第二缩减段)，当气体从流道进入，由于缩减段使得局部气压增大，扩充段使得局部气压减小，从而相邻的扩充段和缩减段之间会形成压力差，进而使得阴极气体进入膜电极组件的阴极气体扩散层。随后会通过阴极气体扩散层进行平衡，而整个进气分配区、排气分配区都有多个节流部位，这种设计对于整板的气体均匀性有很大的提升。基于上述进气分配区、排气分配区的设置，可搭配仿形膜电极组件，利用进气分配区、排气分配区来发电，传统的点阵式双极板不能进行分配区发电，碳纸侵入严重，一般的强制性分配双极板分配区发电效果特别差，因此传统方案只能搭载矩形膜电极组件，单电池的发电能力受到很大的限制，而本方案解决了这一问题，能够利用进气分配区、排气分配区来进行发电，增加了单电池的发电能力，在相同堆叠片数下，能够满足更大电堆的需求，且相邻的第一平直脊和第一蜿蜒脊之间的最大距离为H1，相邻的第一平直脊和第一蜿蜒脊之间的最小距离为H2，0.2mm≤H1-H2≤0.5mm，能抑制碳纸侵入。

经过冲压工艺的金属单极板的水侧，会保持与气体侧相反的结构，这样阴极板的水侧结构与阳极板相对应的强制性分配区的水侧结构组合成冷却通道，该冷却通道使得冷却水分布的更加均匀，并且这种结构对于单电池的温升控制有显著作用。

电堆运行过程中，阳极产生的H离子通过质子交换膜进入阴极与氧气发生反应，在阴极产生水，由于本方案在进气分配区、排气分配区分别设置的第一平直脊和第一蜿蜒脊、第二平直脊和第二蜿蜒脊，使其具有多个节流部位，从而会产生压力差，使得生成水快速从极板内部流出，降低了水滞留，排水性加强。

本方案的优点如下：

1、单电池性能提升显著；

2、进气分配区、排气分配区增加气体在扩散层中的扩散能力，进气分配区、排气分配区能够发电；

3、加工难度相对容易，易于大批量生产；

4、堆叠效率高，提高生产效率，同时能够满足大功率电堆。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种极板，其特征在于，在所述极板的长度方向上，所述极板包括依次设置的进气分配区(10)、活化区(20)和排气分配区(30)，所述活化区(20)具有多个沿所述极板长度方向延伸的流通通道(21)；

所述进气分配区(10)具有多个沿所述极板宽度方向延伸的第一窄通道(11)，每个所述第一窄通道(11)分别和至少一个所述流通通道(21)的入口对应连通；和/或所述排气分配区(30)具有多个沿所述极板宽度方向延伸的第二窄通道(31)，每个所述第二窄通道(31)分别和至少一个所述流通通道(21)的出口对应连通；

其中，所述第一窄通道(11)和所述第二窄通道(31)均包括相互连通的第一扩充段和第一缩减段，所述第一扩充段和所述第一缩减段沿气体流通方向依次交替设置。

2.根据权利要求1所述的极板，其特征在于，所述进气分配区(10)包括沿所述极板宽度方向延伸的多条第一平直脊(12)和多条第一蜿蜒脊(13)，所述第一平直脊(12)和所述第一蜿蜒脊(13)在所述极板的长度方向交替设置，相邻的所述第一平直脊(12)和所述第一蜿蜒脊(13)形成所述第一窄通道(11)。

3.根据权利要求2所述的极板，其特征在于，

所述第一窄通道(11)的宽度小于所述流通通道(21)的宽度；和/或，

相邻的所述第一平直脊(12)和所述第一蜿蜒脊(13)之间的最大距离为H1，相邻的所述第一平直脊(12)和所述第一蜿蜒脊(13)之间的最小距离为H2，0.2mm≤H1-H2≤0.5mm。

4.根据权利要求1所述的极板，其特征在于，所述进气分配区(10)包括进气聚集区(14)、第一进气子区(15)和第二进气子区(16)，多个所述第一窄通道(11)均位于所述第二进气子区(16)，所述第一进气子区(15)具有多个分配通道(151)，多个所述分配通道(151)的入口均和所述进气聚集区(14)连通，其中，一部分所述分配通道(151)的出口通过所述第一窄通道(11)和一部分所述流通通道(21)连通，其余所述分配通道(151)的出口和其余所述流通通道(21)直接连通。

5.根据权利要求4所述的极板，其特征在于，所述分配通道(151)的出口的尺寸大于所述分配通道(151)的入口的尺寸，一个所述分配通道(151)连通至少一个所述第一窄通道(11)或至少一个所述流通通道(21)。

6.根据权利要求2所述的极板，其特征在于，多个所述流通通道(21)沿所述极板的宽度方向间隔设置，所述流通通道(21)包括相互连通的第二扩充段和第二缩减段，所述第二扩充段和所述第二缩减段沿气体流通方向依次交替设置。

7.根据权利要求6所述的极板，其特征在于，所述活化区(20)包括沿所述极板长度方向延伸的多条第二平直脊(22)和多条第二蜿蜒脊(23)，所述第二平直脊(22)和所述第二蜿蜒脊(23)在所述极板的宽度方向交替设置，相邻的所述第二平直脊(22)和所述第二蜿蜒脊(23)形成所述流通通道(21)，每条所述第一平直脊(12)分别和相应的一条所述第二平直脊(22)连接，每条所述第一蜿蜒脊(13)分别和相应的一条所述第二蜿蜒脊(23)连接。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的极板，其特征在于，所述排气分配区(30)和所述进气分配区(10)的结构相同，所述极板长度方向的两端分别具有气体进口(40)和气体出口(50)，所述气体进口(40)和所述进气分配区(10)连通，所述气体出口(50)和所述排气分配区(30)连通。

9.一种单电池，其特征在于，所述单电池包括膜电极组件(60)、阳极板和阴极板，所述阳极板和/或所述阴极板为权利要求1至8中任一项所述的极板，所述膜电极组件(60)位于所述阳极板和所述阴极板之间。

10.根据权利要求9所述的单电池，其特征在于，所述膜电极组件(60)包括依次设置的阳极气体扩散层(61)、质子交换膜(62)和阴极气体扩散层(63)，所述质子交换膜(62)具有反应区(621)；在平行于所述质子交换膜(62)的投影面上，所述反应区(621)覆盖所述极板的进气分配区(10)、活化区(20)和排气分配区(30)。

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