一种极板及燃料电池的制作方法

1.本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种极板及燃料电池。


背景技术：

2.燃料电池的水管理问题对燃料电池的性能具有很大影响，当燃料电池内水含量不足时，质子交换膜处于一种脱水状态，使膜的质子电导率急剧下降，严重影响燃料电池的正常工作。当燃料电池中含水量过高时，容易发生“水淹”现象，气体流道、气体扩散层甚至催化层被水淹没，导致反应物气体无法到达反应位点参与反应，引起燃料电池性能急剧恶化。
3.对燃料电池的极板的流道进行合理设计，可以有效改善反应物气体的流场分布，减少流道中的液态。目前，针对防止水淹的技术主要集中在极板的流道结构上，常见的流道结构有蛇形流道、交指形流道和各种仿生学流道，这些流道结构都无法很好地解决“水淹”问题。


技术实现要素：

4.本发明为了解决上述问题，提出了一种提极板及燃料电池。
5.在第一方面，本发明的极板包括进气口区、流场反应区和出气口区，所述进气口区通过所述流场反应区与所述出气口区连通。其中，所述流场反应区包括多个流场反应通道，多个所述流场反应通道间隔设置。各流场反应通道包括多个反应单元，各反应单元包括第一通道、第二通道和汇合通道，所述汇合通道连通于所述第一通道和所述第二通道并将所述第一通道和所述第二通道流通过来的物质进行汇合。所述进气口区与所述出气口区分别与各流场反应通道的对应反应单元的第一通道和第二通道连通。
6.进一步地，各流场反应通道的多个所述反应单元包括第一反应单元、第二反应单元和第三反应单元。所述第一反应单元靠近所述进气口区设置，所述第三反应单元靠近所述出气口区设置，所述第二反应单元设置于所述第一反应单元与所述第三反应单元之间。
7.进一步地，各流场反应通道的第二反应单元在数量上为多个，多个所述第二反应单元的长度依次递增。
8.进一步地，各反应单元的第一通道包括平直段和倾斜段，所述平直段连接于所述倾斜段。
9.进一步地，所述第一反应单元和所述第三反应单元的第一通道的倾斜段为一段，所述第一反应单元的平直段靠近所述进气口区，所述第三反应单元的平直段靠近所述出气口区。所述第二反应单元的第一通道的倾斜段为两段，所述第二反应单元的平直段位于两段倾斜段之间并连接于两段倾斜段，所述第二反应单元的倾斜段连接于相邻反应单元的汇合通道。
10.进一步地，所述第二通道在结构上与所述第一通道相同。
11.进一步地，多个所述流场反应通道包括第一流场反应通道和第二流场反应通道，所述第二流场反应通道与所述第一流场反应通道正相对设置或者错位设置。
12.进一步地，所述极板还包括第一分配区，所述第一分配区位于所述进气口区与所述流场反应区之间，用于将经由所述进气口区流过来的燃料分配到所述流场反应区的对应的流场反应通道中。
13.进一步地，所述极板还包括第二分配区，所述第二分配区位于所述流场反应区与所述出气口区之间，用于将经由所述流场反应区流过来的燃料分配到所述出气口区的对应的出气口中。
14.在第二方面，本发明的燃料电池包括层叠设置的阳极板、膜电极和阴极板，其中，所述阳极板和所述阴极板中的至少一个为上述所述的极板。
15.本发明具有如下有益效果：由于极板的流场反应区的第一通道、第二通道和汇合通道整体形成为二合一流道结构，其能使层流形式转变为湍流形式，进而在汇合通道处使得燃料气体向质子交换膜上进行扩散，由此增强了电化学反应，进而提高了燃料电池的电化学性能；同时，基于二合一流道结构，液态水的流速也显著提高，由此减少了液态水在流道中的堆积，进而缓解了“水淹”现象、加强了传质和换热能力，由此使得本发明的燃料电池拥有更优的性能。
16.提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
17.通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
18.图1示出了本发明的极板的结构示意图；图2示出了图1中的流场反应区在一实施例中的结构示意图；图3示出了图1中的流场反应区在另一实施例中的结构示意图；图4示出了流场反应区的流场反应通道的部分结构示意图。
19.其中，附图标记说明如下：100、极板；1、进气口区；2、流场反应区；21、流场反应通道；211、第一通道；2111、平直段；2112、倾斜段；212、第二通道；213、汇合通道；3、出气口区；4、第一分配区；5、第二分配区。
具体实施方式
20.下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
21.在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的
实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
22.本发明的燃料电池包括层叠设置的阳极板、膜电极（具有质子交换功能，下文称为质子交换膜）和阴极板，所述阳极板和阴极板中的至少一个采用下文所述的极板100。
23.由于本发明的燃料电池通过采用下文所述的极板100，其提高了气体向质子交换膜上进行扩散的效率，增强了燃料电池中的电化学反应，进而提高了燃料电池的电化学性能；同时提高了液态水的流速，减少了液态水在流道中的堆积，进而缓解了“水淹”现象、加强了传质和换热能力，由此使得本发明的燃料电池拥有更优的性能。
24.具体地，本发明的燃料电池可以为氢-空气燃料电池，也可以为氢氧燃料电池。
25.参照图1至图4，本发明的极板100包括进气口区1、流场反应区2和出气口区3，进气口区1通过流场反应区2与出气口区3连通。具体地，本发明的极板100可采用石墨材料或金属制成。
26.参照图2至图4，流场反应区2包括多个流场反应通道21，多个流场反应通道21间隔设置。各流场反应通道21包括多个反应单元，各反应单元包括第一通道211、第二通道212和汇合通道213，汇合通道213连通于第一通道211和第二通道212并将第一通道211和第二通道212流通过来的物质进行汇合。进气口区1与出气口区3分别与各流场反应通道21的对应的反应单元的第一通道211和第二通道212连通，以实现燃料气体在极板100中的进出。
27.由于流场反应区2的第一通道211、第二通道212和汇合通道213整体形成为二合一流道结构，其能使层流形式转变为湍流形式，进而在汇合通道213处使得燃料气体向质子交换膜上进行扩散，由此增强了电化学反应，进而提高了燃料电池的电化学性能；同时，基于二合一流道结构，液态水的流速也显著提高，由此减少了液态水在流道中的堆积，进而缓解了“水淹”现象、加强了传质和换热能力，由此使得本发明的燃料电池拥有更优的性能。此外，极板100的结构简单，降低了加工工艺难度和加工成本，可行性较高。
28.参照图2和图3，针对其中一个流场反应通道21来说，其包括多个反应单元，而根据反应单元的位置，多个所述反应单元包括第一反应单元、第二反应单元和第三反应单元。其中，第一反应单元靠近进气口区1设置（即第一反应单元位于图3的最左侧），第三反应单元靠近出气口区3设置（即第三反应单元位于图3的最右侧），而第二反应单元位于第一反应单元与第三反应单元之间。
29.在一些实施例中，参照图3，第二反应单元在数量上为多个，多个第二反应单元的长度依次递增（即l4》l3》l2》l1），由此改善了燃料气体在流场反应区2中的各流场反应通道21的浓度剃度，使得燃料气体的浓度分布更均匀，由此进一步增强了电化学反应，提高了燃料电池的电化学性能。
30.参照图3和图4，各反应单元的第一通道211包括平直段2111和倾斜段2112，平直段2111连接于倾斜段2112。具体地，第一反应单元和第三反应单元的第一通道211的倾斜段2112均为一段，第一反应单元的平直段2111靠近进气口区1设置，第三反应单元的平直段2111靠近出气口区3设置。第二反应单元的第一通道211的倾斜段2112为两段，第二反应单元的平直段2111位于两段倾斜段2112之间并连接于两段倾斜段2112，第二反应单元的倾斜段2112连接于相邻反应单元的汇合通道213。
31.如此，各流场反应通道21整体其实为多个二合一流道结构形成的连续通道，由此
在对应的汇合通道213处使得燃料气体向质子交换膜的对应部位进行扩散，由此增强了电化学反应、缓解了“水淹”现象、加强了传质和换热能力。
32.参照图4，各反应单元的第一通道211的平直段2111与倾斜段2112形成的锐角为a，由于a的角度大小直接影响极板100的性能，如：可以通过提高a的角度大小来提高燃料气体向质子交换膜上的扩散速度；可以通过改变a的角度大小，达到控制流场反应区2的各流场反应通道21流速的增加范围；可以通过改变a的角度大小，达到控制流场反应区2的各流场反应通道21的气体流阻，因此a的角度大小可以根据实际需求进行选择性确定。
33.由于a的角度越小，则流阻相对减小， a的角度越大，则流阻相对增大；而a的角度越大，则气体扩散性越好，因此为了平衡流阻影响和气体扩散性能以达到最优的效果，优选地，a的角度大小范围为30
°‑
50
°
。
34.参照图3和图4，各反应单元的第二通道212在结构上与第一通道211相同。
35.参照图2，多个所述流场反应通道21包括第一流场反应通道21a和第二流场反应通道21b，第二流场反应通道21b与第一流场反应通道21a正相对设置（即第二流场反应通道21b的第一通道211、第二通道212和汇合通道213分别面向第一流场反应通道21a的第一通道211、第二通道212和汇合通道213对应设置）或者错位设置（即第二流场反应通道21b的汇合通道213面向第一流场反应通道21a的第一通道211或第二通道212设置）。
36.参照图1，极板100还包括第一分配区4，第一分配区4位于进气口区1与流场反应区2之间，用于将经由进气口区1流过来的燃料均匀分配到流场反应区2的对应的流场反应通道21中。
37.参照图1，极板100还包括第二分配区5，第二分配区5位于流场反应区2与出气口区3之间，用于将经由流场反应区2流过来的燃料均匀分配到出气口区3的对应的出气口中。
38.以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。