燃料电池双极板结构及燃料电池

1.本公开涉及能源电池领域，尤其涉及一种燃料电池双极板结构及燃料电池。


背景技术：

2.燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。其主要包括膜电极(扩散层、催化剂、质子交换膜热压而成)、双极板和密封材料三部分结构，并通过膜电极及其两侧的双极板共同组成一个具有正负极和电解质等的“发电机”。当“发电机”工作时，燃料和空气(氧化剂)分别由外部送进燃料电池，并在燃料电池内部发生反应，生成电子。反应物不断输入，反应产物不断生产，持续产生的电子进入外部电路、并给外部用电器供电，如此，以实现燃料电池连续地发电。
3.相关技术中，燃料电池通过对电堆外部加湿，以实现对双极板中的上游反应物进行加湿，从而减少上游反应区的干膜现象。但是，该处理方法使得电堆被水淹的风险提升，不利于提高燃料电池的安全性能。因此，寻找一种更安全的对燃料电池上游反应区加湿的加湿方式迫在眉睫。


技术实现要素：

4.本公开提供了一种燃料电池双极板结构及燃料电池，以解决传统燃料电池安全性能低的技术问题。
5.为此，第一方面，本公开实施例提供了一种燃料电池双极板结构，包括：
6.膜电极；以及
7.对应设置在所述膜电极的相对两侧的还原剂极板和氧化剂极板，所述还原剂极板与所述膜电极之间形成还原剂流道，所述氧化剂极板与所述膜电极之间形成氧化剂流道；所述还原剂流道包括连通的上游反应区流道和下游反应区流道，所述上游反应区流道远离所述下游反应区流道的一端连通所述还原剂流道的还原进口，所述下游反应区流道远离所述上游反应区流道的一端连通所述还原剂流道的还原出口；
8.在所述还原剂流道的延伸方向上，所述上游反应区流道呈线性设置，所述下游反应区流道呈非线性形设置；所述上游反应区流道具有分散排布的多个渗水区，所述下游反应区流道具有分散排布的多个集水区，一所述集水区对应一所述渗水区。
9.在一种实施方式中，所述上游反应区流道包括连通的多个直线部和多个腰鼓部，一所述直线部和一所述腰鼓部交错分布，在垂直所述还原剂流道的延伸方向上，所述腰鼓部凸出所述直线部；
10.所述渗水区为所述腰鼓部。
11.在一种实施方式中，所述下游反应区流道包括分散设置的多个凸起部，在所述还原剂流道同侧的相邻两所述凸起部与在所述还原剂流道同侧的相邻两所述腰鼓部等距；
12.所述集水区为所述凸起部。
13.在一种实施方式中，所述还原剂流道呈s型设置，在所述还原剂流道同侧的一所述
腰鼓部对应在所述还原剂流道同侧的一所述凸起部，所述凸起部朝靠近所述腰鼓部的方向延伸。
14.在一种实施方式中，在所述还原剂流道的延伸方向上，所述下游反应区流道的截面为双正弦形曲面、双折线形曲面、单半圆形曲面或双半圆形曲面中的任一者。
15.在一种实施方式中，所述还原剂极板包括顺次连接的第一侧壁、顶壁及第二侧壁，所述第一侧壁远离所述顶壁的一端连接于所述膜电极，所述顶壁间隔所述电极膜设置，所述第二侧壁远离所述顶壁的一端连接于所述膜电极，所述第一侧壁、所述顶壁、所述第二侧壁及对应的所述膜电极共同围合形成所述还原剂流道，所述下游反应区流道的第一侧壁和/或所述下游反应区流道的第二侧壁为异形曲面；
16.所述集水区位于所述下游反应区流道的第一侧壁和/或所述下游反应区流道的第二侧壁。
17.在一种实施方式中，所述异形曲面包括多个分散设置的凸部，在所述还原剂流道同侧的相邻两所述凸部与在所述还原剂流道同侧的相邻两所述腰鼓部等距；
18.所述集水区为所述凸部。
19.在一种实施方式中，所述下游反应区流道的第一侧壁和/或所述下游反应区流道的第二侧壁靠近所述膜电极的一侧呈第一正弦曲线延伸，所述下游反应区流道的第一侧壁和/或所述下游反应区流道的第二侧壁远离所述膜电极的一侧呈第二正弦曲线延伸，在垂直所述还原剂流道的延伸方向上，所述第二正弦曲线的周长与所述第一正弦曲面的周长相同，且所述第二正弦曲线的幅值小于或者等于所述第一正弦曲面的幅值；
20.所述凸部位于所述第二正弦曲线的极值对应处。
21.在一种实施方式中，所述下游反应区流道的顶壁为曲形平面，在垂直所述还原剂流道的延伸方向上，所述下游反应区流道的截面为平行四边形，所述平行四边形的锐角角度沿所述还原剂流道的延伸方向呈周期性变化。
22.第二方面，本公开实施例还提供了一种燃料电池，包括如上所述的燃料电池双极板结构。
23.根据本公开实施例提供的一种燃料电池双极板结构，包括：膜电极；以及对应设置在膜电极的相对两侧的还原剂极板和氧化剂极板，还原剂极板与膜电极之间形成还原剂流道，氧化剂极板与膜电极之间形成氧化剂流道；还原剂流道包括连通的上游反应区流道和下游反应区流道，上游反应区流道远离下游反应区流道的一端连通还原剂流道的还原进口，下游反应区流道远离上游反应区流道的一端连通还原剂流道的还原出口；在还原剂流道的延伸方向上，上游反应区流道呈线性设置，下游反应区流道呈非线性形设置；上游反应区流道具有分散排布的多个渗水区，下游反应区流道具有分散排布的多个集水区，一集水区对应一渗水区。本公开技术方案通过优化设置燃料电池的双极板结构，利用进入燃料电池的反应物反应产生的水对上游反应区流道(及其区域内的反应物)进行加湿，避免传统燃料电池通过外部加水对该区域进行加湿，有效提高了燃料电池的利用率，同时也提高了燃料电池的安全性能。具体地，将流通反应物的还原剂流道(或氧化剂流道)设置为二段式，其至少包括一线性延伸的上游反应区流道，以及一非线性延伸的下游反应区流道，并且在上游反应区流道上设置了渗水区，在下游反应区流道上设置了集水区，如此，以在反应物压力、湿度等驱动下，使得被集中到集水区内的反应产生的水，可以传递至渗水区，并经由该
渗水区进入上游反应区流道内对流经该处的反应物进行加湿。
附图说明
24.为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。另外，在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，且附图并未按照实际的比例绘制。
25.图1为本公开实施例提供的燃料电池双极板结构的结构示意图；
26.图2为本公开实施例提供的还原剂流道的结构示意图；
27.图3为本公开实施例提供的上游反应区流道的结构示意图；
28.图4为本公开实施例提供的下游反应区流道的结构示意图；
29.图5为本公开实施例提供的另一下游反应区流道的局部放大图。
30.附图标记说明：
31.100、膜电极；
32.200、还原剂极板；
33.10、还原剂流道；11、上游反应区流道；111、渗水区；112、直线部；12、下游反应区流道；121、集水区；122、第一正弦曲线；123、第二正弦曲线；13、还原进口；14、还原出口。
具体实施方式
34.为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
35.参见图1至图5，本公开提供了一种燃料电池双极板结构，包括：膜电极100；以及对应设置在膜电极100的相对两侧的还原剂极板200和氧化剂极板(图中未画出)。
36.还原剂极板200与膜电极100之间形成还原剂流道10，氧化剂极板与膜电极100之间形成氧化剂流道；还原剂流道10包括连通的上游反应区流道11和下游反应区流道12，上游反应区流道11远离下游反应区流道12的一端连通还原剂流道10的还原进口13，下游反应区流道12远离上游反应区流道11的一端连通还原剂流道10的还原出口14；
37.在还原剂流道10的延伸方向上，上游反应区流道11呈线性设置，下游反应区流道12呈非线性形设置；上游反应区流道11具有分散排布的多个渗水区111，下游反应区流道12具有分散排布的多个集水区121，一集水区121对应一渗水区111。
38.本实施例中，通过优化设置燃料电池的双极板结构，利用进入燃料电池的反应物反应产生的水对上游反应区流道11(及其区域内的反应物)进行加湿，避免传统燃料电池通过外部加水对该区域进行加湿，有效提高了燃料电池的利用率，同时也提高了燃料电池的安全性能。
39.具体地，将流通反应物的还原剂流道10(或氧化剂流道)设置为二段式，其至少包括一呈线性延伸的上游反应区流道11，以及一呈非线性延伸的下游反应区流道12；并且在上游反应区流道11上设置了渗水区111，在下游反应区流道12上设置了集水区121，该集水
区121对应该渗水区111，如此，以在反应物压力、湿度等驱动下，使得被集中到集水区121内的反应产生的水，可以传递至渗水区111，并经由该渗水区111进入上游反应区流道11内对流经该处的反应物进行加湿，以减缓上游反应区流道11的膜干，有效避免了传统燃料电池需通过外部加水才能对该电堆区域进行加湿，降低了电堆的水淹风险。应当理解，对应的氧化剂流道结构同还原剂流道10结构相同，在此不再一一赘述。
40.需要解释的是，本公开实施例中提及的还原剂流道10的延伸方向为还原剂/氧化剂等反应物的流动方向。
41.由上，本公开的作用机制如下：还原剂从还原剂流道10的进口进入还原剂极板200，然后顺次通过上游反应区流道11、下游反应区流道12，最后从还原剂流道10的出口流出还原剂极板200；氧化剂从氧化剂流道的进口进入氧化剂极板，然后顺次通过氧化剂流道，最后从氧化剂流道的出口流出氧化剂极板。在还原剂处于上游反应区流道11和下游反应区流道12内、且氧化剂处于氧化剂流道内时，在还原剂极板200一侧，该还原剂(诸如氢气)失去电子、得到氢离子，此时，氢离子移动到膜电极100中与氧化剂(空气/氧气)发生反应，电子则经由外部负荷电流、再返回到氧化剂极板一侧、参与氧化剂极板一侧的反应。如此持续反应，以完成发电。
42.在一种实施方式中，上游反应区流道11包括连通的多个直线部112和多个腰鼓部(相当于渗水区111)，一直线部112和一腰鼓部交错分布，在垂直还原剂流道10的延伸方向上，腰鼓部凸出直线部112；
43.渗水区111为腰鼓部。
44.本实施例中，对上游反应区流道11的具体结构进一步优化。具体地，将上游反应区流道11设置为一直线部112流道、一腰鼓部流道交错连通，如此，使得一直流部、一腰鼓部、一直流部......形成的上游反应区流道11整体上呈线性。该腰鼓部凸出直线部112，如此，可在腰鼓部处的凹陷区域处形成低压涡流区，使得该腰鼓部处的还原剂极板200的侧壁具有更强的渗透力，可有效提高侧壁外部的水朝侧壁内部渗透、并加湿流经该腰鼓部处的还原剂反应物。
45.例如但不限于，在平行膜电极100的平面上，该腰鼓部的投影为椭圆形。直线部112与腰鼓部平滑连接。
46.在一种实施方式中，下游反应区流道12包括分散设置的多个凸起部(相当于集水区121)，在还原剂流道10同侧的相邻两凸起部与在还原剂流道10同侧的相邻两腰鼓部等距；
47.集水区121为凸起部。
48.本实施例中，对下游反应区流道12的具体结构进一步优化。具体地，在下游反应区流道12上设置了多个凸起部，该凸起部对应腰鼓部设置，在还原剂(氢气)反应物流经下游反应区流道12内时，在惯性的作用下，使得燃料电池产生的水甩入该凸起部处。实验模拟发现，该凸起部处的压力值高于对应区域周围的压力值，如此，在压力的驱动下，下游反应区流道12内反应产生的水穿过该凸起部处的还原剂极板200的侧壁；同时，在腰鼓部的低压涡流区作用下，该水穿过对应腰鼓部处的还原剂极板200的侧壁、进入上游反应区流道11内，并对流经该腰鼓部处的还原剂反应物进行加湿处理。
49.应当理解，该凸起部朝靠近该腰鼓部的方向延伸，如此，以缩短反应产生的水的运
输途径，减少反应产生的水在双极板上的堆积。例如但不限于，在平行膜电极100的平面上，该凸起部的投影与该腰鼓部之间的投影距离最短。
50.在一种实施方式中，还原剂流道10呈s型设置，在还原剂流道10同侧的一腰鼓部对应在还原剂流道10同侧的一凸起部，凸起部朝靠近腰鼓部的方向延伸。
51.本实施例中，对还原剂流道10的结构进行优化。具体地，将还原剂流道10设置为s型结构，该还原剂流道10至少具有三个相互平行的局部流道、及用于连接上述相邻两局部流道的至少两个弯曲流道，如此，通过一局部流道、一弯曲流道、一局部流道、一弯曲流道及一局部流道形成本实施例中的s型还原剂流道10。应当理解，在该s型还原剂流道10中，位于中间的局部流道内的还原剂反应物的流通方向与两侧边的局部流道方向内的还原剂反应物的流通方向相反。其中一侧边的局部流道及其连通的一弯曲流道形成上游反应区流道11，且该局部流道呈线性设置，其包括多个间隔设置的腰鼓部；余下一中间的局部流道、另一弯曲流道及另一侧边的局部流道形成下游反应区流道12，该两个局部流道呈非线性设置，两个局部流道上均设置了多个间隔分布的凸起部，并且朝向上游反应区流道11的凸起部与该流道上设置的腰鼓部对应设置，背向该上游反应区流道11的凸起部朝向另一还原剂流道10的上游反应区流道11的腰鼓部延伸。
52.在一种实施方式中，在还原剂流道10的延伸方向上，下游反应区流道12的截面为双正弦形曲面、双折线形曲面、单半圆形曲面或双半圆形曲面中的任一者。
53.本实施例中，对下游反应区流道12的空间构造进行优化。优选地，在还原剂流道10的延伸方向上，下游反应区流道12的截面为双正弦形曲面。
54.在一种实施方式中，还原剂极板200包括顺次连接的第一侧壁、顶壁及第二侧壁，第一侧壁远离顶壁的一端连接于膜电极100，顶壁间隔电极膜设置，第二侧壁远离顶壁的一端连接于膜电极100，第一侧壁、顶壁、第二侧壁及对应的膜电极100共同围合形成还原剂流道10，下游反应区流道12的第一侧壁和/或下游反应区流道12的第二侧壁为异形曲面；
55.集水区121位于下游反应区流道12的第一侧壁和/或下游反应区流道12的第二侧壁。
56.本实施例中，对围合形成的第二反应区流道的侧壁进行优化。具体地，该第一侧壁和/或第二侧壁设置为异形曲面，如此，以将集水区121设置在下游反应区流道12的两个侧壁或者其中一侧壁上，减少在下游反应区流道12内产生的水从集水区121进入对应腰鼓部的上游反应区流道11内的运动路径。应当理解，该异形曲面呈一定规律排布，如此，以形成规律设置的集水区121，满足以集水区121对应一腰鼓部的条件。
57.在其他实施例中，还原剂极板200包括多个第一侧壁、多个顶壁及多个第二侧壁。每一第一侧壁、一顶壁及一第二侧壁围合形成一还原剂流道10，多个第一侧壁、多个顶壁及多个第二侧壁分别围合形成多个还原剂流道10，多个还原剂流道10相互平行，且多个还原剂流道10的进口位于同一侧，多个还原剂流道10的出口位于同一侧。
58.在一种实施方式中，异形曲面包括多个分散设置的凸部，在还原剂流道10同侧的相邻两凸部与在还原剂流道10同侧的相邻两腰鼓部等距；
59.集水区121为凸部。
60.本实施例中，对异形曲面进行优化。具体地，将多个分散的凸部呈一定规律排布，在还原剂流道10的同一侧，使其满足相邻两凸部与相邻两腰鼓部等距，也即使得每一凸部
对应一腰鼓部设置。应当理解，由于在下游反应区流道12的两个侧壁或者其中一侧壁为异形曲面，使得该侧壁在还原剂流道10的延伸方向上具有凸部和凹陷，该凸部指的是朝向上游反应区流道11的部分凸出其他部分的位置。
61.在一种实施方式中，下游反应区流道12的第一侧壁和/或下游反应区流道12的第二侧壁靠近膜电极100的一侧呈第一正弦曲线122延伸，下游反应区流道12的第一侧壁和/或下游反应区流道12的第二侧壁远离膜电极100的一侧呈第二正弦曲线123延伸，在垂直还原剂流道10的延伸方向上，第二正弦曲线123的周长与第一正弦曲面的周长相同，且第二正弦曲线123的幅值小于或者等于第一正弦曲面的幅值；
62.凸部位于第二正弦曲线123的极值对应处。
63.本实施例中，对异形曲面进一步优化设置。具体地，将下游反应区流道12的第一侧壁和/或第二侧壁设置为呈正弦延伸的异形曲面，并且，在还原剂流道10的延伸方向上，连接在膜电极100上的第一侧壁一侧和/或第二侧壁一侧以第一周期、第一幅值的第一正弦曲线122延伸，远离膜电极100一侧的第一侧壁和/或第二侧壁以第一周期、第二幅值的第二正弦曲线123延伸，其中，第二幅值小于或者等于第一幅值。而位于第一正弦曲面和第二正弦曲线123之间的第一侧壁和/或第二侧壁，其在平面膜电极100的截面上的投影也均为第三正弦曲线延伸，该第三正弦曲线的周期为第一周期，该第三正弦曲线的幅值小于等于第一幅值且大于等于第二幅值。并且越靠近第一正弦曲线122的第三正弦曲线的幅值越大，月靠近第二正弦曲线123的第三正弦曲线的幅值越小。应当理解，该凸部即为该第二正弦曲线123对应的下游反应区流道12的第一侧壁和/或第二侧壁处。
64.在一种实施方式中，下游反应区流道12的顶壁为曲形平面，在垂直还原剂流道10的延伸方向上，下游反应区流道12的截面为平行四边形，平行四边形的锐角角度沿还原剂流道10的延伸方向呈周期性变化。
65.本实施例中，对游反应区流道的顶壁的构造进行优化。具体地，该游反应区流道的顶壁为曲形平面，该平面平行于膜电极100，且该顶壁可以由两第二正弦曲线123及两直线线围合形成。在垂直还原剂流道10的延伸方向上，下游反应区流道12的平行四边形截面的面积不变，其锐角的角度沿还原剂流道10的延伸方向呈周期性变化，如此，以在下游反应区流道12的第一侧壁和/或第二侧壁上形成呈规律性变化的凸部。
66.当然，在其他实施例中，该顶壁也可以有一正弦曲线、三直线围合形成。
67.第二方面，本公开实施例还提供了一种燃料电池，包括如上所述的燃料电池双极板结构。
68.本实施例中，该燃料电池双极板结构的具体结构参照上述实施例，由于本燃料电池采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
69.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除
在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
70.以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。