燃料电池的流场进出口布置结构、燃料电池及系统的制作方法

本申请涉及燃料电池，特别涉及燃料电池的流场进出口布置结构、燃料电池及系统。

背景技术：

1、燃料电池通过电极反应将化学能转化为电能，是潜力巨大的清洁能源。大功率燃料电池需要大量氢气与空气反应，因此发出热量大，需要大量的冷却液进行温度控制，容易发生冷却液混入微小气泡无法排出而影响散热效果的问题；而且反应生成水量大，生成大量冷凝水，容易发生反应尾气受到冷凝水堵塞而影响排气效果的问题。

2、现有燃料电池设计为了能将气体和冷却液均匀地分散至对应的流场区域内，多数采用流场出入口布局对称式设计，例如授权公告号为cn112615021b的中国专利文献的摘要所述，该专利提供了一种对称式燃料电池双极板，提高了燃料电池整堆性能降低设计难度，减少开发周期；以及公开号为cn112467160a的中国专利文献的摘要所述，该申请公开了一种燃料电池双极板，包括两片镜面对称焊接的金属单极板，因结构的对称性，一定程度上增加了极板的可成型性及强度。

3、又如公开号为cn107293767b的专利文献中，虽实现了反应气体排水和冷却液排气泡，但是冷却液进出口的对称布置使横置电堆的厚度有所增加。此外，公开号为jp7059706b2的专利文献中，为保持流场出入口对称性布局，额外设置发电部外制冷剂流路，使混入的气泡能够转移到位于重力方向上方的发电部外制冷剂流路，结构复杂，仍不能完全解决气泡排出问题。又如公开号为cn115117413a的专利文献，为保持流场出入口对称性布局，设置旁通流路流动以实现气泡的排出，但是旁通流路使该燃料电池堆的流场布局的结构更为复杂。

技术实现思路

1、本申请实施例的目的在于提供一种燃料电池的流场进出口布置结构，极板上位于反应区两端分别对向设置第一通道部和第二通道部，第一通道部由上至下依次设置阴极入口、冷却液入口和阳极出口，第二通道部由上至下依次设置冷却液出口、阳极入口和阴极出口，其中，阳极出口和阴极出口均设置在反应区沿宽度方向的两侧边的下端，有利于排出阳极流场与阴极流场中的液态水；冷却液出口设置在反应区沿宽度方向的一侧边的上端，有利于排出冷却液流场中的微小气泡。本发明通过各流场进出口的非对称布局，大大简化了同时实现冷却液流场出口朝上排气和气体流场出口朝下排水所需要的燃料电池结构。

2、第一方面，本申请提供一种燃料电池的流场进出口布置结构，包括极板、反应区、设置在所述极板上位于所述反应区两端的第一通道部和第二通道部，以及位于所述反应区内连通所述第一通道部和所述第二通道部的横向流场；其中，所述第一通道部包括由上至下依次设置的阴极入口、冷却液入口、阳极出口；所述第二通道部包括由上至下依次设置的冷却液出口、阳极入口、阴极出口。

3、于一实施例中，所述横向流场包括相互隔离的阳极流场、阴极流场和冷却液流场；其中，所述阳极流场用于第一气体的流动，所述阴极流场用于第二气体的流动，所述冷却液流场用于冷却液的流动。

4、于一实施例中，所述阳极流场为至少一个呈平行或蛇形弯曲设置的流道；或者，所述阳极流场为多孔材质形成的孔隙结构；或者，所述阳极流场为至少一个呈平行或蛇形弯曲设置的流道和多孔材质形成的孔隙结构的组合；所述阴极流场为至少一个呈平行或蛇形弯曲设置的流道；或者，所述阴极流场为多孔材质形成的孔隙结构；或者，所述阴极流场为至少一个呈平行或蛇形弯曲设置的流道和多孔材质形成的孔隙结构的组合；所述冷却液流场为至少一个呈平行或蛇形弯曲设置的流道；或者，所述冷却液流场为多孔材质形成的孔隙结构；或者，所述冷却液流场为至少一个呈平行或蛇形弯曲设置的流道和多孔材质形成的孔隙结构的组合。

5、于一实施例中，所述阳极流场上部的所述流道的单位长度流阻低于所述阳极流场中部的所述流道的单位长度流阻和/或所述阳极流场下部的所述流道的单位长度流阻；

6、或者，所述阳极流场的上部的所述多孔材质的孔隙结构的单位长度流阻低于所述阳极流场中部的所述多孔材质的孔隙结构的单位长度流阻和/或所述阳极流场下部的所述多孔材质的孔隙结构的单位长度流阻；

7、所述冷却液流场下部的所述流道的单位长度流阻低于所述冷却液流场中部的所述流道的单位长度流阻和/或所述冷却液流场上部的所述流道的单位长度流阻；

8、或者，所述冷却液流场的下部的所述多孔材质的孔隙结构的单位长度流阻低于所述冷却液流场中部的所述多孔材质的孔隙结构的单位长度流阻和/或所述冷却液流场上部的所述多孔材质的孔隙结构的单位长度流阻。

9、于一实施例中，所述阴极流场中部的所述流道的单位长度流阻低于所述阴极流场上部的所述流道的单位长度流阻和/或所述阴极流场下部的所述流道的单位长度流阻；

10、或者，所述阴极流场的中部的所述多孔材质的孔隙结构的单位长度流阻低于所述阴极流场上部的所述多孔材质的孔隙结构的单位长度流阻和/或所述阴极流场下部的所述多孔材质的孔隙结构的单位长度流阻。

11、于一实施例中，所述阴极入口、所述冷却液入口、所述阳极出口设于所述反应区的一侧短边上，所述冷却液出口、所述阳极入口、所述阴极出口设于所述反应区的另一侧短边上。

12、于一实施例中，所述第一气体通过所述阳极入口进入所述反应区内，并沿着所述阳极流场，流向所述阳极出口。

13、于一实施例中，所述第二气体通过所述阴极入口进入到所述反应区内，并沿着所述阴极流场，流向所述阴极出口。

14、于一实施例中，所述冷却液通过所述冷却液入口进入到所述反应区内，并沿着所述冷却液流场，流向所述冷却液出口。

15、于一实施例中，所述冷却液在所述冷却液流场内的流动方向与所述第二气体在所述阴极流场内的流动方向在所述反应区平面上的投影夹角小于90°的区域面积在所述反应区面积的占比不低于50％。

16、第二方面，本申请提供一种燃料电池，包括如本申请第一方面任一项实施例所述的燃料电池的流场进出口布置结构。

17、第三方面，本申请提供一种燃料电池系统，包括如本申请第二方面实施例所述的燃料电池。

18、本申请的技术方案中，第一通道部和第二通道部分别对向设置在反应区的两端上，阳极出口和阴极出口均设置在反应区沿宽度方向的两侧边的下端，有利于排出阳极流场与阴极流场中的液态水；冷却液出口设置在反应区沿宽度方向的一侧边的上端，有利于排出冷却液流场中的微小气泡。本发明通过各流场进出口的非对称布局，大大简化了同时实现冷却液流场出口朝上排气和气体流场出口朝下排水所需要的燃料电池结构。

技术特征：

1.一种燃料电池的流场进出口布置结构，其特征在于，包括极板、反应区、设置在所述极板上位于所述反应区两端的第一通道部和第二通道部，以及位于所述反应区内连通所述第一通道部和所述第二通道部的横向流场；

2.根据权利要求1所述的燃料电池的流场进出口布置结构，其特征在于，所述横向流场包括相互隔离的阳极流场、阴极流场和冷却液流场；

3.根据权利要求2所述的燃料电池的流场进出口布置结构，其特征在于，所述阳极流场为至少一个呈平行或蛇形弯曲设置的流道；或者，所述阳极流场为多孔材质形成的孔隙结构；或者，所述阳极流场为至少一个呈平行或蛇形弯曲设置的流道和多孔材质形成的孔隙结构的组合；

4.根据权利要求3所述的燃料电池的流场进出口布置结构，其特征在于，所述阳极流场上部的所述流道的单位长度流阻低于所述阳极流场中部的所述流道的单位长度流阻和/或所述阳极流场下部的所述流道的单位长度流阻；

5.根据权利要求3所述的燃料电池的流场进出口布置结构，其特征在于，所述阴极流场中部的所述流道的单位长度流阻低于所述阴极流场上部的所述流道的单位长度流阻和/或所述阴极流场下部的所述流道的单位长度流阻；

6.根据权利要求2所述的燃料电池的流场进出口布置结构，其特征在于，所述阴极入口、所述冷却液入口、所述阳极出口设于所述反应区的一侧短边上，所述冷却液出口、所述阳极入口、所述阴极出口设于所述反应区的另一侧短边上。

7.根据权利要求3所述的燃料电池的流场进出口布置结构，其特征在于，所述第一气体通过所述阳极入口进入所述反应区内，并沿着所述阳极流场，流向所述阳极出口。

8.根据权利要求3所述的燃料电池的流场进出口布置结构，其特征在于，所述第二气体通过所述阴极入口进入到所述反应区内，并沿着所述阴极流场，流向所述阴极出口。

9.根据权利要求3所述的燃料电池的流场进出口布置结构，其特征在于，所述冷却液通过所述冷却液入口进入到所述反应区内，并沿着所述冷却液流场，流向所述冷却液出口。

10.根据权利要求8或9所述的燃料电池的流场进出口布置结构，其特征在于，所述冷却液在所述冷却液流场内的流动方向与所述第二气体在所述阴极流场内的流动方向在所述反应区平面上的投影夹角小于90°的区域面积在所述反应区面积的占比不低于50％。

11.一种燃料电池，其特征在于，包括如权利要求1至10任一项所述的燃料电池的流场进出口布置结构。

12.一种燃料电池系统，其特征在于，包括如权利要求11所述的燃料电池。

技术总结
本申请提供一种燃料电池的流场进出口布置结构、燃料电池及系统，燃料电池的流场进出口布置结构包括：极板、反应区、设置在极板上位于反应区两端的第一通道部和第二通道部，以及位于反应区内连通所述第一通道部和第二通道部的横向流场；其中，第一通道部包括由上至下依次设置的阴极入口、冷却液入口、阳极出口；第二通道部包括由上至下依次设置的冷却液出口、阳极入口、阴极出口。本发明通过各流场进出口的非对称布局，大大简化了同时实现冷却液流场出口朝上排气和气体流场出口朝下排水所需要的燃料电池结构。

技术研发人员：麦建明
受保护的技术使用者：上海氢晨新能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15