CN220821631U - 极板、双极板、电堆和燃料电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种极板、双极板、电堆和燃料电池，极板包括：反应区；入口分配区和出口分配区，入口分配区和出口分配区位于反应区的两侧；第一歧口区和第二歧口区，第一歧口区通过入口分配区与反应区连通，反应区通过出口分配区与第二歧口区连通；其中，入口分配区的长度小于出口分配区的长度，以使多个流道的压降相近。由此，通过使入口分配区的长度小于出口分配区的长度，以减小入口分配区上各流道的压降，增加出口分配区上各流道的压降，且入口分配区上不同流道的压降降幅不同，出口分配区上不同流道的压降涨幅不同，以实现动态调整，使各个流道之间的压降更接近，提高极板内反应物的流量均一性。

Description

极板、双极板、电堆和燃料电池

技术领域

本实用新型涉及电池技术领域，尤其是涉及一种极板、双极板、电堆和燃料电池。

背景技术

极板是燃料电池的关键部件之一，其可以用于分隔氧化剂和还原剂以及冷却剂，并且可以通过流道将反应物均匀分配到流场各电极处。

相关技术中，极板上分配区处各流道压降的差别大，从而导致反应区各流道压降的差别大，导致反应物流量的均一性差，影响燃料电池的电性能。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种极板，以减小各流道压降的差别，提高反应物的流量均一性。

根据本实用新型实施例的极板，包括：反应区；入口分配区和出口分配区，所述入口分配区和所述出口分配区位于所述反应区的两侧；第一歧口区和第二歧口区，所述第一歧口区通过所述入口分配区与所述反应区连通，且所述反应区通过所述出口分配区与所述第二歧口区连通；其中，所述入口分配区的长度小于所述出口分配区的长度，以使所述入口分配区上的多个流道和所述出口分配区上的多个流道的压降相近。

根据本实用新型的极板，通过使入口分配区的长度小于出口分配区的长度，以减小入口分配区上各流道的压降，增加出口分配区上各流道的压降，且入口分配区上不同流道的压降降幅不同，出口分配区上不同流道的压降涨幅不同，以实现动态调整，使各个流道之间的压降更接近，提高极板内反应物的流量均一性，提高燃料电池的电性能，并且可以提高燃料电池的使用寿命。

根据本实用新型的一些实施例，所述第一歧口区包括沿第一方向依次设置的第一氢气歧口、第一冷却液歧口以及第一空气歧口；所述第二歧口区包括沿第一方向依次设置的第二空气歧口、第二冷却液歧口以及第二氢气歧口；其中，所述入口分配区在第二方向的长度小于所述出口分配区在第二方向上的长度，且所述第一方向与所述第二方向正交。

根据本实用新型的一些实施例，定义所述入口分配区的长度为H1，所述出口分配区的长度为H2，基准长度H3＝(H1+H2)/2，入口分配区变化量L1为H3-H1，出口分配区变化量L2为H2-H3，且L1≥L2。

根据本实用新型的一些实施例，L1＝L2。

根据本实用新型的一些实施例，L1＞L2。

本实用新型的另一个目的在于提出一种双极板。

根据本实用新型的双极板，包括：两片上述的极板，且所述极板叠置。

所述双极板与上述极板所具有的优势相同，在此不一一赘述。

本实用新型的再一个目的在于提出一种电堆。

根据本实用新型的电堆，包括上述的极板，且所述极板包括阴极板和阳极板；所述电堆还包括膜电极，所述阳极板、所述膜电极和所述阴极板依次叠置。

所述电堆与上述双极板所具有的优势相同，在此不一一赘述。

本实用新型的又一个目的在于提出一种燃料电池。

根据本实用新型的燃料电池，包括上述的电堆；所述燃料电池还包括：氢气系统和空气系统，所述电堆分别与所述氢气系统和所述空气系统连通。

所述燃料电池与上述电堆所具有的优势相同，在此不一一赘述。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为实用新型相关技术的极板的结构示意图；

图2为本实用新型实施例所述的极板的结构示意图。

附图标记：

相关技术：极板200、反应区210、入口分配区220、出口分配区230、

第一歧口区240、第一氢气歧口241、第一冷却液歧口242、第一空气歧口243、

第二歧口区250、第二空气歧口251、第二冷却液歧口252、第二氢气歧口253、

第一入口流道261、第一出口流道262、

第二入口流道271、第二出口流道272。

本申请：

极板100、反应区110、入口分配区120、出口分配区130、

第一歧口区140、第一氢气歧口141、第一冷却液歧口142、第一空气歧口143、

第二歧口区150、第二空气歧口151、第二冷却液歧口152、第二氢气歧口153、

第一入口流道161、第一出口流道162、

第二入口流道171、第二出口流道172。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。

下面参考图2描述根据本实用新型实施例的极板100。

根据本实用新型的极板100，包括：反应区110；入口分配区120和出口分配区130，入口分配区120和出口分配区130位于反应区110的两侧；第一歧口区140通过入口分配区120与反应区110连通，且反应区110通过出口分配区130与第二歧口区140连通；其中，入口分配区120的长度小于出口分配区的长度，以使入口分配区120和出口分配区130上的多个流道的压降相近。

如图2所示，具体地，入口分配区120和出口分配区130在第二方向上间隔设置，反应区110设置在入口分配区120和出口分配区130之间，第一歧口区140设置在入口分配区120远离反应区110的一侧，第二歧口区150设置在出口分配区130远离反应区110的一侧。

进一步地，入口分配区120设置有多个流道，多个流道的长度不同，入口分配区120通过多个流道与第一歧口区140相连通，出口分配区130设置有多个流道，多个流道的长度不同，出口分配区130通过多个流道与第二歧口区150相连通，同时入口分配区120与出口分配区130均与反应区110相连通，从而实现第一歧口区140、入口分配区120、反应区110、出口分配区130以及第二歧口区150相连通。

入口分配区120的流道和出口分配区130的流道用于对反应物进行分配，使得进入反应区110的反应物分布更加均匀，从而可以保证反应区110的电化学反应可以充分均匀地进行，提高燃料电池的电性能。

需要说明的是，入口分配区120和出口分配区130的多个流道的压降越接近，反应区110的各流道的压降越接近，反应物的流量均一性越好，燃料电池的电性能越好。

根据压降公式：△P＝Rf*m，其中，△P为压降，Rf为流阻，m为质量流量，Rf与流道的长度成正比，因此流道越长，流阻越大，压降越大，并且在反应区110发生电化学反应后反应物(如：氢气)的质量减少，出口分配区130处反应物的质量小于入口分配区120处反应物的质量。

如图1所示，相关技术中，入口分配区220与出口分配区230的长度相同，从而导致入口分配区220的流道长度与出口分配区230平行设置的流道长度相同，并且由于入口分配区220处反应物的质量大于出口分配区230处反应物的质量，因此各流道的压降差距较大，导致反应物210的流量均一性差，影响燃料电池的电性能。

如图2所示，本申请通过使入口分配区120的长度小于出口分配区130的长度，以减小入口分配区120上多个流道的长度，并增大出口分配区130上多个流道的长度，并且入口分配区120处反应物的质量大于出口分配区处反应物的质量，从而使得各流道的压降更加接近，反应区110各流道的压降越接近，提高极板100内反应物的流量均一性，提高燃料电池的电性能，并且可以提高燃料电池的使用寿命。

根据本实用新型的极板100，通过使入口分配区120的长度小于出口分配区130的长度，以减小入口分配区120上各流道的压降，增加出口分配区130上各流道的压降，且入口分配区120上不同流道的压降降幅不同，出口分配区130上不同流道的压降涨幅不同，以实现动态调整，使各个流道之间的压降更接近，提高极板100内反应物的流量均一性，提高燃料电池的电性能，并且可以提高燃料电池的使用寿命。

如图2所示，在本实用新型的一些实施例中，第一歧口区140包括沿第一方向依次设置的第一氢气歧口141、第一冷却液歧口142以及第一空气歧口143，第二歧口区150包括沿第一方向依次设置的第二空气歧口151、第二冷却液歧口152以及第二氢气歧口153；其中，入口分配区120在第二方向上的长度小于出口分配区130在第二方向上的长度，以使多个流道的压降相近，且第一方向与第二方向正交。

需要说明的是，“第一方向”指的是极板100的宽度方向，即图2所示的从左至右的方向，“第二方向”指的是极板100的长度方向，即图2所示的从上至下的方向，具体方向示意可以参照图2所示。

具体地，第一氢气歧口141、第一冷却液歧口142以及第一空气歧口143可以通过多个流道与入口分配区120相连通，入口分配区120与反应区110相连通，从而使得第一氢气歧口141、第一冷却液歧口142以及第一空气歧口143可以与反应区110连通，第二氢气歧口153、第二冷却液歧口152以及第二空气歧口151通过多个流道与出口分配区130相连通，出口分配区130与反应区110相连通，从而使得第二氢气歧口153、第二冷却液歧口152以及第二空气歧口151与反应区110连通。

定义入口分配区120中多个流道中的一个为第一入口流道161、多个流道中的另一个为第二入口流道171，定义出口分配区130中与第一入口流道161相连通的流道为第一出口流道162、与第二入口流道171相连通的流道为第二出口流道172，并且第一入口流道161与第二出口流道172平行布置，第一出口流道162与第二入口流道171平行布置，其中，第一入口流道161的长度与第二入口流道171的长度不同，并且当第一入口流道161的尺寸小于第二入口流道171的尺寸时，第一出口流道162的尺寸大于第二出口流道172的尺寸，第一入口流道161和第一出口流道162共同构成第一流道，第二入口流道171和第二出口流道172共同构成第二流道。

也就是说，流道包括在宽度方向上依次设置的第一流道至第N流道，第一氢气歧口141与第二氢气歧口方位分别在极板100的对角方向上，第一空气歧口143与第二空气歧口151方位分别在极板100的对角方向上，因此第一氢气歧口141上引出的第一流道的长度最短，而第N流道的长度最长，对应第二氢气歧口153上引出的第一流道的长度最长，第N流道的长度最短，而第一流道与第N流道等多个流道之间的压降越接近，燃料电池的性能越好。

进一步地，入口分配区120在第二方向的长度小于出口分配区在第二方向上的长度，以使得入口分配区120上多个流道的长度小于出口分配区130上多个流道的长度，以减小第一入口流道161的压降与第二入口流道171的压降，并增大第一出口流道162和第二出口流道172的压降，而入口流道区域上，第二入口流道172的程度更长，第一入口流道161的压降小于第二入口流道172的压降，出口流道区域上第一出口流道162的长度更长，第二出口流道172的长度更短，第二出口流道172的压降小于第一出口流道162的压降，从而使得第一流道的压降与第二流道的压降更加接近，反应区110各流道的压降越接近，提高极板100内反应物的流量均一性，提高燃料电池的电性能，并且可以提高燃料电池的使用寿命。

如图2所示，在本实用新型的一些实施例中，定义入口分配区120的长度为H1，出口分配区130的长度为H2，基准长度H3＝(H1+H2)/2，入口分配区120变化量L1为H3-H1，出口分配区130变化量L2为H2-H3，且L1≥L2。

需要说明的是，基准长度H3可以理解为相关技术中入口分配区220与出口分配区230的长度相同时的长度尺寸。

具体地，入口分配区120的长度相对于基准长度减小，出口分配区130的长度相对于基准长度增加，定义入口分配区120处反应物的质量为M1，出口分配区130处反应物的质量为M2。

以多个流道中的第一流道和第二流道为例进行说明，定义反应区110的宽度为A，第一入口流道161的压降定义为△P1，第一出口流道162的压降定义为△P1’，第二入口流道171的压降定义为△P2，第二出口流道172的压降定义为△P2’，并且由于Rf与流道长度成正比，因此Rf可以直接代入流道长度，

参照图1，定义相关技术中反应区210的宽度为A，第一入口流道261的压降定义为△Pa，第一出口流道262的压降定义为△Pa’，第二入口流道271的压降定义为△Pb，第二出口流道272的压降定义为△Pb’，入口分配区220处反应物的质量为M1，出口分配区230处反应物的质量为M2，

其中，由于H1＜H3＜H2，因此从而实现减小第一入口流道161的压降与第二入口流道171的压降，并且可以使第一入口流道161的压降和第二入口流道171的压降更接近，/>使得第一出口流道162的压降和第二出口流道172的压降增加，并且使得第一入口流道161的压降和第二入口流道171的压降之间的差距增大，由于M1＞M2，因此减小的第一入口流道161的压降与第二入口流道171的压降的数值大于增加的第一出口流道162的压降和第二出口流道172的压降的数值，从而使各流道的压降值更加接近，反应区110各流道的压降越接近，提高极板100内反应物的流量均一性，提高燃料电池的电性能，并且可以提高燃料电池的使用寿命。

此外，极板100的长度一定(可以理解为构造成与相关技术中极板200的长度相同)，L1＞L2，入口分配区120相对于基准长度所减小的长度尺寸可以大于出口分配区130相对于基准长度所增大的尺寸，以减小分配区所占用的空间，同时可以增大反应区110的占用空间，反应物通过反应区110的时间增长，从而可以进一步使得反应物充分发生电化学反应，进一步提高燃料电池的电性能以及使用寿命。

可选地，入口分配区120相对于基准长度所减小的长度尺寸可以与出口分配区130相对于基准长度所增大的尺寸相同，以保证反应区110的长度一定(可以理解为与相关技术中极板200上反应区210的长度相同)，防止因分配区占用反应区110的布置空间而导致反应区110的布置空间变小，从而防止反应物无法充分发生电化学反应，保证反应物的反应效果。具体L1与L2的尺寸设置可以通过仿真实验确定，在此不做具体限定。

由此，本申请通过使得入口分配区120的长度小于出口分配区130的长度，以减小各流道在入口分配区120和出口分配区130的压降和的差别，无需对反复、精密地对分配区的流道进行设计，即可减小反应区110的各流道的压降差别，提高反应物的流量均一性，提高燃料电池的电性能，可以有效缩短极板100的设计周期，并且可以降低极板100的加工成本。

在本实用新型的一些实施例中，L1＝L2。

具体地，入口分配区120相对于基准长度所减小的长度尺寸可以与出口分配区130相对于基准长度所增大的尺寸相同，防止因分配区占用反应区110的布置空间而导致反应区110的布置空间变小，保证反应物的反应效果。

在本实用新型的一些实施例中，L1＞L2。

具体地，当本实用新型的极板100的长度构造为与相关技术中极板200的长度相同时，L1可以大于L2，即入口分配区120的变化量可以大于出口分配区130的变化量，以减小分配区的长度尺寸，同时增大反应区110的长度尺寸，增加反应物流经反应区110的时间，使得反应物可以充分发生电化学反应，提高燃料电池的电性能以及使用寿命。

根据本实用新型的双极板，包括两片上述的极板100，极板100堆叠设置。

具体地，两片极板100中的一个构造为阳极板，两片极板100中的另一个构造为阴极板，阴极板和阳极板的结构相同，阴极板与阳极板叠置，阳极板的入口分配区120可以与阴极板的入口分配区130相对应，此种结构下阳极板和阴极板的同侧一端均形成有第一氢气歧口141、第一冷却液歧口142、第一空气歧口143，阳极板与阴极板的同侧另一端均形成有第二空气歧口151、第二冷却液歧口152、第二氢气歧口153，双极板之间形成有流道，以使氧化剂、还原剂以及冷却液可以在双极板上流通。

此外，阴极板的出口分配区130与阳极板的入口分配区120相对应，即此种结构下阳极板形成有第一氢气歧口141、第一冷却液歧口142、第一空气歧口143的一端与阴极板形成有第二空气歧口151、第二冷却液歧口152、第二氢气歧口153的一端相对应。具体阳极板与阴极板的叠置方式可以根据双极板的实际设计需求确定，在此不做具体限定。

根据本实用新型的双极板，由于双极板包括上述的极板100，通过使入口分配区120的长度小于出口分配区130的长度，以减小入口分配区120上各流道的压降，增加出口分配区130上各流道的压降，且入口分配区120上不同流道的压降降幅不同，出口分配区130上不同流道的压降涨幅不同，以实现动态调整，使各个流道之间的压降更接近，提高极板100内反应物的流量均一性，提高燃料电池的电性能，并且可以提高燃料电池的使用寿命。

根据本实用新型的电堆，包括上述的极板100，且极板100包括阴极板和阳极板，电堆还包括膜电极，阳极板、膜电极和阴极板依次叠置。

具体地，电堆设置有阴极板、阳极板和膜电极，按照阳极板、膜电极、阴极板、膜电极的排列顺序依次排列，每个膜电极夹设在一个阳极板和一个阴极板之间，氢气通入阳极板，阳极板上的流道将氢气输送至阳极，氧气通入阴极板，并且阴极板流道将氧气输送至阴极，氧气被还原，膜电极可以将氢气的化学能转化为电能，以使得电堆在燃料电池中可以起到提供实际电压的作用。

根据本实用新型的电堆，由于电堆包括上述极板通过使入口分配区120的长度小于出口分配区130的长度，以减小入口分配区120上各流道的压降，增加出口分配区130上各流道的压降，且入口分配区120上不同流道的压降降幅不同，出口分配区130上不同流道的压降涨幅不同，以实现动态调整，使各个流道之间的压降更接近，提高极板100内反应物的流量均一性，保证电堆的性能和稳定性，从而有利于提高燃料电池的电性能，并且可以提高燃料电池的使用寿命，同时膜电极将氢气的化学能转化为电能，使得电堆可以在燃料电池中起到提供实际电压的作用。

根据本实用新型的燃料电池，包括上述的电堆；燃料电池还包括：氢气系统和空气系统，电堆分别与氢气系统和空气系统连通。

具体地，氢气系统中存储有氢气，氢气系统可以将储存的氢气进行处理，并且可以将处理后的氢气通入电堆的阳极板，氢气可以作为反应物在电堆内发生电化学反应，并且氢气系统可以调节电堆入口氢气的流量和压力，实现氢气的循环利用和电堆内部的水平衡管理。

此外，燃料电池还设置有空气系统，空气系统可以为燃料电池提供适当压力下足够的空气，使得电堆可以保持高效运行。

根据本实用新型的燃料电池，由于燃料电池设置有氢气系统、空气系统以及上述的电堆，空气系统提供适当压力下足够的空气，使得电堆可以保持高效的运行，氢气系统可以调节氢气的流量和压力，实现氢气的循环利用和电堆内部的水平衡管理，电堆设置有阳极板、膜电极和阴极板，通过使入口分配区120在第二方向上的长度小于出口分配区130在第二方向上的长度，以减小入口分配区120上各流道的压降，增加出口分配区130上各流道的压降，且入口分配区120上不同流道的压降降幅不同，出口分配区130上不同流道的压降涨幅不同，以实现动态调整，使各个流道之间的压降更接近，提高极板100内反应物的流量均一性，提高燃料电池的电性能，并且可以提高燃料电池的使用寿命。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种极板，其特征在于，包括：

反应区(110)；

入口分配区(120)和出口分配区(130)，所述入口分配区(120)和所述出口分配区(130)位于所述反应区(110)的两侧；

第一歧口区(140)和第二歧口区(150)，所述第一歧口区(140)通过所述入口分配区(120)与所述反应区(110)连通，且所述反应区(110)通过所述出口分配区(130)与所述第二歧口区(150)连通；其中

所述入口分配区(120)的长度小于所述出口分配区的长度，以使所述入口分配区(120)和所述出口分配区(130)上的多个流道的压降相近。

2.根据权利要求1所述的极板，其特征在于，所述第一歧口区(140)包括沿第一方向依次设置的第一氢气歧口(141)、第一冷却液歧口(142)以及第一空气歧口(143)；

所述第二歧口区(150)包括沿第一方向依次设置的第二空气歧口(151)、第二冷却液歧口(152)以及第二氢气歧口(153)；其中

所述入口分配区(120)在第二方向上的长度小于所述出口分配区(130)在第二方向上的长度，且所述第一方向与所述第二方向正交。

3.根据权利要求1所述的极板，其特征在于，定义所述入口分配区(120)的长度为H1，所述出口分配区(130)的长度为H2，基准长度H3＝(H1+H2)/2，入口分配区(120)变化量L1为H3-H1，出口分配区(130)变化量L2为H2-H3，且L1≥L2。

4.根据权利要求3所述的极板，其特征在于，L1＝L2。

5.根据权利要求3所述的极板，其特征在于，L1＞L2。

6.一种双极板，其特征在于，包括：两片权利要求1-5中任一项所述的极板，且所述极板叠置。

7.一种电堆，其特征在于，包括根据权利要求1-5中任一项所述的极板，且所述极板包括阴极板和阳极板；

所述电堆还包括膜电极，所述阳极板、所述膜电极和所述阴极板依次叠置。

8.一种燃料电池，其特征在于，包括：权利要求7所述的电堆；

所述燃料电池还包括：氢气系统和空气系统，所述电堆分别与所述氢气系统和所述空气系统连通。