CN115513486B - 一种单极板、双极板、电堆及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单极板、双极板、电堆及燃料电池，属于燃料电池技术领域。本发明的单极板、双极板、电堆及燃料电池，沿第一方向自上而下，若干主流道的宽度依次增大；或，在同一活性分区内的主流道的宽度相等，且沿第一方向自上而下，若干活性分区的主流道的宽度依次增大，主流道的宽度越大，排水能力越强，进而达到异化主流道排水能力的目的，以使双极板在实际使用状态下，不会受重力影响而出现双极板流道水淹问题，进而不会影响气体分配，有利于提高双极板气体分配均匀性及活性利用率；同时，还能降低双极板下方区域的压降，实现主流场压降的合理分布，从而降低整个流场的压降，通过降低附加功耗的方式，使燃料电池的性能得到进一步提升。

Description

一种单极板、双极板、电堆及燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种单极板、双极板、电堆及燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)作为一种通过氢气和氧气电化学反应直接将化学能转化为电能的高效能量转换装置，因其发电过程中不用燃烧，不受卡诺循环限制，因而具有能量转化率高，环境友好等特点，应用前景广阔、潜力巨大，被广泛应用于便携式设备、交通及固定发电等领域。

质子交换膜燃料电池由多组单电池串联构成，每组单电池的核心组件为膜电极组件(MEA)和双极板。膜电极组件是由传导离子的(大多是传导氢离子的)膜、分别布置在该膜两侧的催化电极(阳极和阴极)，以及在催化电极两侧的气体扩散层(GDL)共同构成，提供电化学反应的工作界面。各个膜电极组件和布置在其两侧的双极板(也称作流场板或隔膜板)共同构成单电池单元(unitcell)。双极板是质子交换膜燃料电池中起到分隔燃料气体(氢气)、空气(氧化剂)以及为他们提供到达膜电极表面通路的作用，并且还具有收集、传导电流，进行电化学反应热交换，为膜电极组件提供结构支撑等功能。

在燃料电池工作过程中，氢气通过氢气进气总管进入氢气流场，经由氢气流场分配区分配进入氢气主流场，扩散进入气体扩散层，从而到达阳极催化电极表面，而后氢离子透过质子膜到达阴极催化电极表面，电子则穿过双极板到达相邻单电池阴极；同理空气通过空气进气总管进入空气流场，经由空气流场分配进入空气主流场，扩散进入气体扩散层，从而到达阴极催化电极表面进行电化学反应；反应产物及未参加反应的工作介质通过流场收集排出双极板进一步通过排气总管排出燃料电池；冷却液通过冷却液进入总管进入到双极板之间的冷却液腔室，经由冷却液流场分配区分配进入冷却液主流场，通过双极板与电化学反应发生位置进行换热，而后将热量带离燃料电池。

在燃料电池工作过程中，燃料电池活性区应发生均匀的电化学反应，并且实现温度的均匀分布，不均匀的水、热、电状态会造成燃料电池水淹、反极等极端工作状态，甚至会使燃料电池失效，寿命急剧降低。为保证燃料电池正常工作，通常需要分配区对流体进行均匀分配，其重要性不言而喻。

“水淹”是燃料电池电堆运行过程中较常出现的一种问题，是因燃料电池电堆内部部分区域的液态水无法及时排出，造成该区域气体和液体流通路径阻塞，造成反应气体无法到达反应界面，从而导致膜电极性能降低甚至失效。根据阻塞的部位不同通常将其区分为“催化剂层水淹”、“扩散层水淹”以及“双极板流道水淹”，其中“双极板流道水淹”是三种形式中出现频次最多的，且多由极板结构设计不合理造成。

传统的燃料电池双极板流场如平行流场、蛇形流场、蜿蜒流场等多为均一性流场或2D流场，这类流场的特点在于流场为单流道的阵列结构，且单流道的截面在流场流动方向上没有变化，这种流场不符合通道内流体反应介质不断消耗，生成物质不断增多的变化特点；因此近年来研究者们开发了3D流场和变径流场，实现增强流场排水，减小流场浓度差异，但这种变径流场仍为单流道的阵列结构，未考虑燃料电池装配后重力对于流场内介质，尤其是液态水的影响；现有技术中，还有在流场单流道间开设排水通道的结构方式，利用重力进行排水，但没有考虑到此种方式会将上方大部分流场内的液态水导入到了下方的少数几个单流道中，且由于单流道间结构并无区别，从而导致液态水在下方通道内积聚无法排出或即使能排出也会侵占大量的气体空间，造成流道间气体分配不均，如不将下方少数几个流道作为活性区又会影响双极板的活性利用率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单极板、双极板、电堆及燃料电池，可避免出现双极板流道水淹问题，并提高双极板气体分配均匀性及活性利用率。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

第一方面，提供了一种单极板，所述单极板包括活性区、歧口区和位于所述活性区与所述歧口区之间的分配区；所述单极板具有第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面分别位于所述单极板厚度方向的两侧，所述第一表面设有若干位于所述活性区并沿第一方向间隔设置的主脊，相邻两个所述主脊之间形成一个用于输送反应气体的主流道；

沿所述第一方向自上而下，若干所述主流道的宽度依次增大；或，

所述活性区包括若干沿所述第一方向依次设置的活性分区，在同一所述活性分区内的所述主流道的宽度相等，且沿所述第一方向自上而下，若干所述活性分区的所述主流道的宽度依次增大。

作为单极板的可选方案，若干所述主脊的宽度相等。

作为单极板的可选方案，沿所述第一方向自上而下，若干所述主脊的宽度依次增大。

作为单极板的可选方案，在同一所述活性分区内的所述主脊的宽度相等，且沿所述第一方向自上而下，若干所述活性分区的所述主脊的宽度依次增大。

作为单极板的可选方案，在所述第一表面，所述主脊沿第二方向延伸，所述主脊在所述第二方向上呈直线形、折线形或波浪线形结构。

作为单极板的可选方案，所述单极板为石墨板、金属板或复合导电板。

第二方面，提供了一种双极板，包括两个如上述的单极板，两个所述单极板的所述第二表面固定连接。

第三方面，提供了一种电堆，包括如上述的双极板。

第四方面，提供了一种燃料电池，包括如上述的电堆

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的单极板及双极板，沿第一方向自上而下，若干主流道的宽度依次增大；或，在同一活性分区内的主流道的宽度相等，且沿第一方向自上而下，若干活性分区的主流道的宽度依次增大，主流道的宽度越大，排水能力越强，进而达到异化主流道排水能力的目的，以使双极板在实际使用状态下，不会受重力影响而出现双极板流道水淹问题，进而不会影响气体分配，有利于提高双极板气体分配均匀性及活性利用率；同时，还能降低双极板下方区域的压降，实现主流场压降的合理分布，从而降低整个流场的压降，通过降低附加功耗的方式，使燃料电池的性能得到进一步提升。

本发明的电堆及燃料电池，通过应用上述双极板，可提升燃料电池性能。

附图说明

图1为本发明实施例中阳极板的结构示意图；

图2为本发明实施例中阴极板的结构示意图；

图3为本发明实施例中主脊在第二方向上呈波浪线形结构的示意图。

附图标记：

100、液态水；

a、活性区；a1、第一活性分区；a2、第二活性分区；a3、第三活性分区；b、歧口区；c、分配区；

1、主脊；2、主流道；3、分配脊。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面详细描述本发明的实施例，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，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例一

如图1-2所示，本实施例提供了一种单极板及双极板，双极板包括两个固定连接的单极板。具体地，单极板包括活性区a、歧口区b和位于活性区a与歧口区b之间的分配区c；单极板具有第一表面和第二表面，第一表面与第二表面分别位于单极板厚度方向的两侧。

两个单极板的第二表面固定连接并形成冷却液流场，两个单极板的第一表面分别与两个膜电极组件抵接，并在单极板与对应的膜电极组件之间形成气体流场。两个单极板中，一个作为阳极板，另一个作为阴极板。具体地，阳极板与对应的膜电极组件之间的气体流场为阳极气体流场，阴极板与对应的膜电极组件之间的气体流场为阴极流场。

气体流场包括位于活性区a的气体主流场和位于分配区c的气体分配流场，冷却液流场包括位于活性区a的冷却液主流场和位于分配区c的冷却液分配流场，歧口区b设有气体进口、气体出口、冷却液进口及冷却液出口。本实施例中，歧口区b与分配区c均设有两个，两个歧口区b分别位于单极板长度方向的两端，活性区a位于单极板长度方向的中部，每个歧口区b与活性区a之间均设有一个分配区c。

反应气体通过气体进口进入气体分配流场，经由气体分配流场分配后进入气体主流场，反应产物及未参加反应的工作介质经气体流场收集并通过气体出口排出；冷却液通过冷却液进口进入冷却液分配流场，经由冷却液分配流场分配后进入冷却液主流场，通过双极板与电化学反应发生位置进行换热，而后通过冷却液出口排出，将热量带离燃料电池。

本实施例中，第一表面设有若干位于活性区a并沿第一方向间隔设置的主脊1，相邻两个主脊1之间形成一个用于输送反应气体的主流道2，若干主流道2即形成上述气体主流场。需要说明的是，第一方向即为单极板的宽度方向，本实施例中，单极板的宽度方向与单极板的长度方向垂直。

进一步地，第一表面还设有若干位于分配区c的分配脊3，相邻两个分配脊3之间形成一个用于分配反应气体的分配流道，若干分配流道即形成上述气体分配流场。当然，在其他实施例中，还可以在第一表面的分配区c设置若干间隔设置的分配凸起，对反应气体起到分配作用，示例性地，分配凸起的横截面可以为圆形、椭圆形、矩形、平行四边形或梯形，当然也可以为其他形状，比如花朵形等，在此不做限定；分配凸起的横截面为平行于第一表面的截面。

现有技术中，气体主流场多为均一性流场或2D流场，这类流场的特点在于流场为单流道的阵列结构，且单流道的截面在流场流动方向上没有变化，这种流场不符合通道内流体反应介质不断消耗，生成物质不断增多的变化特点；因此近年来研究者们开发了3D流场和变径流场，实现增强流场排水，减小流场浓度差异，但这种变径流场仍为单流道的阵列结构，未考虑燃料电池装配后重力对于流场内介质，尤其是液态水的影响；此外，还有在流场单流道间开设排水通道的结构方式，利用重力进行排水，但没有考虑到此种方式会将上方大部分单流道内的液态水导入到了下方的少数几个单流道中，且由于单流道间结构并无区别，从而导致液态水在下方通道内积聚无法排出或即使能排出也会侵占大量的气体空间，造成流道间气体分配不均，如不将下方少数几个流道作为活性区又会影响双极板的活性利用率。

为了解决上述问题，本实施例中，沿第一方向自上而下，若干主流道2的宽度依次增大。可以理解的是，主流道2的宽度即为相邻两个主脊1之间的间距，主流道2的宽度方向垂直于主流道2内的反应气体的流动方向，换言之，主流道2的宽度即为主流道2沿其宽度方向的尺寸。需要说明的是，在使用状态(即单极板被装配至电堆且电堆处于正常工作状态)下，单极板呈竖直状态放置，即若干主流道2沿第一方向间隔排布，因此，受重力影响，越靠近单极板下方的主流道2中的液态水100越多，而主流道2的宽度越大，排水能力越强，通过设置若干主流道2的宽度沿第一方向自上而下依次增大，进而达到异化主流道2排水能力的目的，以使双极板在实际使用状态下，不会受重力影响而出现双极板流道水淹问题，进而不会影响气体分配，有利于提高双极板气体分配均匀性及活性利用率；同时，还能降低双极板下方区域的压降，实现主流场压降的合理分布，从而降低整个流场的压降，通过降低附加功耗的方式，使燃料电池的性能得到进一步提升。

需要说明的是，主脊1及主流道2可以采用冲压的方式形成，也可以采用蚀刻、模具成型等方式形成，在此不做限定。

本实施例中，若干主脊1的宽度相等。可以理解的是，主脊1的宽度方向与主流道2的宽度方向相同，主脊1的宽度即为主脊1沿其宽度方向的尺寸。如此设置，不仅便于加工，而且若干主脊1不会过多占用活性区a的面积，有利于提高单极板的活性利用率。

当然，在其他实施例中，还可以设置为：沿第一方向自上而下，若干主脊1的宽度依次增大。如此设置，可提高单极板下方区域的结构强度，避免位于单极板下方区域的相邻两个主脊1之间间距过大，容易出现单极板变形等问题。

可选地，在第一表面，主脊1沿第二方向延伸，主脊1在第二方向上呈直线形、折线形或波浪线形结构。可以理解的是，主脊1在第二方向上呈直线形结构时，相邻两个主脊1之间形成的主流道2也呈直线形结构；主脊1在第二方向上呈折线形结构时，相邻两个主脊1之间形成的主流道2也呈折线形结构；主脊1在第二方向上呈波浪线形结构时，相邻两个主脊1之间形成的主流道2也呈波浪线形结构。

当然，主脊1在第二方向上还可以呈其他线形结构，具体可以根据需求进行设置，在此不做限定。

可选地，单极板为石墨板、金属板或复合导电板。需要说明的是，复合导电板采用薄金属板与石墨板或其它强度高的导电板复合制成，结合了石墨板和金属板的优点，结构灵活，加工容易。

本实施例还提供了一种电堆，包括上述的双极板。本实施例的电堆，通过应用上述双极板，可提升燃料电池性能。

本实施例还提供了一种燃料电池，包括上述的电堆。本实施例的燃料电池，通过应用上述电堆，与上述电堆具有相同的有益效果。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于：活性区a包括若干沿第一方向依次设置的活性分区，在同一活性分区内的主流道2的宽度相等，且沿第一方向自上而下，若干活性分区的主流道2的宽度依次增大。

具体地，如图3所示，每个虚线框框选的区域即为一个活性分区，本实施例中，活性区a包括三个活性分区，为了便于描述，将三个活性分区沿第一方向自上而下依次记为第一活性分区a1、第二活性分区a2和第三活性分区a3。在第一活性分区a1内的主流道2的宽度相等；在第二活性分区a2内的主流道2的宽度相等；在第三活性分区a3内的主流道2的宽度相等。进一步地，第二活性分区a2的主流道2的宽度大于第一活性分区a1的主流道2的宽度，第三活性分区a3的主流道2的宽度大于第二活性分区a2的主流道2的宽度。

如此设置，也能达到异化主流道2排水能力的目的，以使双极板在实际使用状态下，不会受重力影响而出现双极板流道水淹问题，进而不会影响气体分配，有利于提高双极板气体分配均匀性及活性利用率；同时，还能降低双极板下方区域的压降，实现主流场压降的合理分布，从而降低整个流场的压降，通过降低附加功耗的方式，使燃料电池的性能得到进一步提升。

本实施例中，若干主脊1的宽度相等。如此设置，不仅便于加工，而且若干主脊1不会过多占用活性区a的面积，有利于提高单极板的活性利用率。

当然，在其他实施例中，还可以设置为：在同一活性分区内的主脊1的宽度相等，且沿第一方向自上而下，若干活性分区的主脊1的宽度依次增大。如此设置，可提高单极板下方区域的结构强度，避免位于单极板下方区域的相邻两个主脊1之间的间距过大，容易出现单极板变形等问题。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种单极板，所述单极板包括活性区(a)、歧口区(b)和位于所述活性区(a)与所述歧口区(b)之间的分配区(c)；所述单极板具有第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面分别位于所述单极板厚度方向的两侧，所述第一表面设有若干位于所述活性区(a)并沿第一方向间隔设置的主脊(1)，相邻两个所述主脊(1)之间形成一个用于输送反应气体的主流道(2)；

其特征在于，

沿所述第一方向自上而下，所述第一表面上形成的全部所述主流道(2)的宽度依次增大；或，

所述活性区(a)包括若干沿所述第一方向依次设置的活性分区，在同一所述活性分区内的所述主流道(2)的宽度相等，且沿所述第一方向自上而下，全部所述活性分区的所述主流道(2)的宽度依次增大，进而达到异化主流道排水能力的目的，所述第一方向为重力方向；

在所述第一表面，所述主脊(1)沿第二方向延伸，所述主脊(1)在所述第二方向上呈直线形、折线形或波浪线形结构。

2.根据权利要求1所述的单极板，其特征在于，若干所述主脊(1)的宽度相等。

3.根据权利要求1所述的单极板，其特征在于，沿所述第一方向自上而下，若干所述主脊(1)的宽度依次增大。

4.根据权利要求1所述的单极板，其特征在于，在同一所述活性分区内的所述主脊(1)的宽度相等，且沿所述第一方向自上而下，若干所述活性分区的所述主脊(1)的宽度依次增大。

5.根据权利要求1所述的单极板，其特征在于，所述单极板为石墨板、金属板或复合导电板。

6.一种双极板，其特征在于，包括两个如权利要求1-5任一项所述的单极板，两个所述单极板的所述第二表面固定连接。

7.一种电堆，其特征在于，包括如权利要求6所述的双极板。

8.一种燃料电池，其特征在于，包括如权利要求7所述的电堆。