阅读说明：本技术 燃料电池的极板结构、电池单体、电池电堆及电池单元 (Polar plate structure of fuel cell, single cell, cell stack and cell unit ) 是由 张永 张威 肖彪 于 2019-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种燃料电池的极板结构,包括多孔导电介质层,具有输送反应气体、传导电流、传导反应生成热、排出反应生成水的基本功能；集流板,支撑并配合在所述多孔导电介质层的上面和/或下面,在其与多孔导电介质层配合的一面分布有多个集流槽。本发明在极板结构的基础上对其进行变形还公开了另外一种极板结构,并利用两种极板结构获得了电池单体、电池电堆和电池单元。(The invention discloses a polar plate structure of a fuel cell, which comprises a porous conductive medium layer and has the basic functions of conveying reaction gas, conducting current, conducting heat generated by reaction and discharging water generated by reaction; and the collector plate is supported and matched on the upper surface and/or the lower surface of the porous conductive medium layer, and a plurality of collector grooves are distributed on one surface of the collector plate matched with the porous conductive medium layer. The invention also discloses another pole plate structure by deforming the pole plate structure on the basis of the pole plate structure, and obtains a battery monomer, a battery pile and a battery unit by utilizing the two pole plate structures.)

燃料电池的极板结构、电池单体、电池电堆及电池单元

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池的极板结构、电池单体、电池电堆及电池单元。

背景技术

质子交换膜燃料电池(以下简称燃料电池)以氧化还原反应为基本工作原理，能够直接将反应气体的化学能转化为直流电流，同时释放出一定的热量。燃料电池的基本结构包括质子交换膜、催化层、扩散层和集流板，在实际组装过程中，质子交换膜、阴阳极催化层和阴阳极扩散层共同构成了膜电极，膜电极的两侧紧接集流板，集流板上有气体通道，为膜电极上的化学反应提供气体，同时能够将反应生成水及时排出燃料电池。对于较大功率的燃料电池电堆，集流板上还包含冷却水通道，用于及时带走燃料电池反应产生的热量。

为了实现导电、集流、导热、送气、排水的目的，一般是在极板上刻蚀一定的流场结构，目前的极板材料包括石墨极板、金属极板和复合极板。良好的流场板设计，还需要在满足基本物质输运的基础上尽可能的提高反应气体的均匀性，从而有利于电流产生的均匀性以及产热的均匀性，最终有利于提高燃料电池膜电极的利用率、延长其使用寿命。本发明提出了一种燃料电池的极板结构，用于实现上述目的，进一步提供了基于此极板结构、电池单体、电池电堆及电池单元。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种燃料电池的极板结构、电池单体、电池电堆及电池单元，以解决上述问题。具体地：

本发明第一方面公开了一种燃料电池的极板结构，包括

多孔导电介质层，具有输送反应气体、传导电流、传导反应生成热、排出反应生成水的基本功能；

集流板，支撑并配合在所述多孔导电介质层的上面和/或下面，在其与多孔导电介质层配合的一面分布有多个集流槽。

同时还公开了另外一种燃料电池的极板结构，包括

多孔导电介质层，具有输送反应气体、传导电流、传导反应生成热、排出反应生成水的基本功能；

集流板，支撑并配合在所述多孔导电介质层的内部，在其与多孔导电介质层配合的两面均分布有多个集流槽。

进一步的，所述多个集流槽和多孔导电介质层接触的表面形成多个空腔。

进一步的，集流板具有凸凹相间的板结构。

进一步的，所述集流板还在所述多个集流槽之间间隔的设有多个冷却介质通道。

进一步的，所述多个冷却介质通道和多个集流槽间隔交错地设置。

进一步的,所述多个冷却介质通道具有与多孔导电介质层平面接触的凸起部。

进一步的，所述集流板具有上下对称的结构。

进一步的，所述多孔导电介质层为多孔金属介质层。

进一步的，采用由不锈钢金属丝与PTFE溶液混合后热压形成。

本发明第二方面公开了一种燃料电池单体，包括一极板，所述极板具有如上所述的极板结构。

本发明第三方面公开了一种燃料电池电堆：设有如上所述的燃料电池单体。

进一步的，当两个或多个叠置的电池单体串联在一起组成电堆时，相邻的两个电池单体之间只保留一个集流板。

进一步的，当两个或多个叠置的电池单体串联在一起组成电堆时，相邻的两个电池单体之间不设置所述集流板，而只设置分隔板。

本发明第四方面公开了一种燃料电池单元：沿着其厚度方向顺次的包括第一集流板、第一阴极多孔导电介质层、第一膜电极、第一阳极多孔导电介质层、第二集流板，第二阴极多孔导电介质层、第二膜电极、第二阳极多孔导电介质层、第三集流板；其中至少第一集流板，第三集流板与相应的多孔导电介质层配合的一面分布有多个集流槽。

进一步的，所述第一、第三集流板还分别在其所述多个集流槽之间间隔的设有多个冷却介质通道。

进一步的，所述第一、第三集流板的多个冷却介质通道和多个集流槽间隔交错地设置。

进一步的，所述第二集流板与相应的多孔导电介质层配合的两面均分布有多个集流槽。

进一步的，所述第二集流板还分别在其所述多个集流槽之间间隔的设有多个冷却介质通道，所述第一、第三集流板的多个冷却介质通道和多个集流槽间隔交错地设置。

进一步的，所述第二集流板为一不设置冷却介质通道的分隔板。

本发明采用的多孔导电介质层的多孔结构大大增强了气体传质的能力、大大提高了气体分配的均匀性，其内包含的通道结构能够及时的带走反应热，保证了燃料电池反应的稳定进行。对多孔金属材料的特殊处理也保证了其耐腐蚀特性及较好的截面接触电导性。本发明技术方案兼具输送反应气体、传导电流、传导反应生成热、排出反应生成水的基本功能，进一步能够提高反应气体在整个流场中的浓度分布均匀性，这对大型燃料电池尤为重要。本发明所述技术方案还允许在集流板上布置隔离通道并流通冷却水，相比于传统换热通道，由于来自膜电极的化学反应热能够通过多孔金属层快速传输，故也使得换热效果大幅提升。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例的极板结构示意图；

图2是本发明一实施例的修改实施例中的极板结构示意图；

图3是本发明一实施例的多孔金属介质层的制作流程示意图；

图4是本发明一实施例的电池单体的一种结构示意图；

图5是本发明一实施例的电池电堆的结构示意图；

图6是本发明一实施例的电池单元的结构示意图。

图中：S1、反应气体输送通道；S2、冷却介质流动空间；11、集流板；12、多孔导电介质层；21、集流板；22、多孔导电介质层；41、集流板；42、多孔导电介质层；43、膜电极；51、集流板；52、多孔导电介质层；53、膜电极；1、第一集流板；2、第一阴极多孔导电介质层；3、第一膜电极；4、第一阳极多孔导电介质层；5、第二集流板；6、第二阴极多孔导电介质层；7、第二膜电极；8、第二阳极多孔导电介质层；9、第三集流板。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种，但是不排除包含至少一种的情况。

还需要说明的是，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商品或者系统不仅包括那些要素，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商品或者系统所固有的要素。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商品或者系统中还存在另外的相同要素。

本发明通过采用特制的多孔导电介质层和集流板，在输送反应气体时能够提高传输能力，均匀分配气体，并很好地排出反应生成水，散热性更佳，兼具优质导电能力。为更好的解释本发明，以下实施例中所述的燃料电池均采用以氢氧为氧化还原反应气体的燃料电池，并且图中反应气体仅为说明，不限定在某一侧充入。

实施例1：

为更好的阐述本发明方案，如图1，本实施例提供了一种燃料电池的极板结构(为方便地不同实施例的极板结构的区别表述，我们称之为第一极板结构)，包括多孔导电介质层12和集流板11。其中多孔导电介质层12被利用其多孔、导电的物理特性，使其具有输送反应气体、传导电流、传导反应生成热、排出反应生成水的基本功能；集流板11支撑并配合在多孔导电介质层12的上面或下面，且在其与多孔导电介质层配合的面上分布有多个集流槽。集流槽一方面可以作为反应气体的输送通道，另一方面多孔导电介质层排出的反应生成水可通过该些集流槽排走，利于排水，避免形成积液影响气体传输和热传导。

多个集流槽还可以更加有利的优化的改进是：多个集流槽和多孔导电介质层接触的表面形成多个空腔。该空腔可以作为反应气体输送通道S1，增强多孔导电介质层对反应气体的输送，同时该空腔的存在也能够将以氢氧为反应气体产生的水进行汇集并排除，使整体极板的散热效果进一步加强。

在设置集流槽的集流板上，可以采用具有凸凹相间的板结构。凹凸相间的板结构，可直接利用其表面的沟槽作为集流槽，在与多孔导电介质层接触后，形成空腔，且能够防止多孔导电介质层在与集流板接触后将板面的沟槽堵死，造成通道不通。

若采用氢氧为反应气体，其产生的热量可能会较多，为进一步加强对极板的散热，集流板还在多个集流槽之间间隔的设有多个冷却介质通道。如图1所示，利用冷却介质通道形成冷却介质流动空间S2，充入冷却介质进行降温散热，优选地，采用水作为对极板降温的冷却介质。进一步优选的，多个冷却介质通道和多个集流槽间隔交错地设置。将冷却介质通道与多个集流槽间隔交错的设置，使散热均匀，并且反应气体透过多孔导电介质层后具有更加均匀的浓度和速度分布，进而使得电化学反应进行更加均匀。为进一步保证反应气体输送的均匀性，同时保证空腔的空间，多个冷却介质通道具有与多孔导电介质层平面接触的凸起部。

进一步优选地，集流板具有上下对称的结构。

进一步优选的，多孔导电介质层采用多孔金属导电介质材料制成，如图3所示，可以采用由不锈钢金属丝与PTFE溶液混合后热压形成多孔金属介质层。当然多孔导电介质层可以但不限于采用多孔金属介质层。

由此，本发明通过集流槽与多孔导电介质构成的极板的结合设置，使得向预设区域或方向传输反应气体，气体分配更加均匀化，并使得反应生成的水可以被有利的排走和进行集中排放，极大的增强了本发明多孔导电介质层12构成的极板的输送反应气体、传导电流、传导反应生成热、排出反应生成水的功能，具有1加1大于2的技术效果。

需要特别说明的是，在后续说明过程中，优选的实例均为基于上述最基本的极板结构所做出的优化改进。本实施例比较适合于双极板。

实施例2

该实施例为实施例1的修改实施例，其公开了另一种极板结构(第二极板结构)，该极板结构为上述实施例中的极板结构的变形。如图2，在该修改实施例中，燃料电池的极板结构也包括多孔导电介质层22和集流板21，其中多孔导电介质层也具有输送反应气体、传导电流、传导反应生成热、排出反应生成水的基本功能；不同的是，集流板支撑并配合在多孔导电介质层的内部，在其与多孔导电介质层配合的两面均分布有多个集流槽。该修改实施例中的极板结构同样具有上一种极板结构的导电、集流、导热、送气、排水的效果。其他结构，同于实施例1中的优化，如上述对多孔导电介质层和集流板等的优选方案。

此外还需要说明的是，当电堆结构含有较多的电池单元为减小体积需要减小冷却介质通道所占用空间时，集流板可以取消冷却介质通道，直接采用具有凸凹相间的板结构，与多孔导电介质层配合在一起。凹凸相间的板结构，也可直接利用其表面的沟槽作为集流槽，在与多孔导电介质层接触后，形成空腔，形成反应气体通道和实现积液的收集、排出，防止多孔导电介质层在与集流板接触后将板面的沟槽堵死，造成通道不通。此情形的极板比较适合具有阴、阳气体的做单极板。

实施例3

基于实施例1中的极板结构，本发明在本实施例中公开了一种电池单体及构成方式，该电池单体采用上述实施例1的第一极板结构，也可以采用实施例2的第二极板结构，甚至还可以将第一极板结构与第二极板结构配合使用组成极板。

采用实施例中所介绍的第一极板结构时，电池单体可以具有一个第一极板结构，如图1所示，该电池单体中的第一极板结构可以与其他极板或隔板等配合使用。电池单体也可具有由两个第一极板结构组成电池的双极板，如图4所示，即两个集流板41布置在外侧，两层多孔导电介质层42设置在内侧，并配合设置有膜电极43，该双极板的两层多孔导电介质层厚度可以相同或不同(多孔导电介质层厚度可根据实际需要进行调整，此外，集流板的板面可以设置一面平整，一面凹凸相间)。

当采用第二极板结构时，电池单体仅具有一个第二极板结构。或，进一步的，可在第二级板结构的两侧分别设置有第一极板结构和/或其他普通极板等，并配合设置有相应的膜电极，此时电池单体包括一种普通极板和一个第二极板结构及膜电极，或电池单体包括一个第一极板结构、一个普通极板和一个第二极板结构及膜电极，或电池单体包括两个第一极板结构和一个第二极板结构及膜电极。

需要说明的是该电池单体的组成可以是上述中的任意一种，但不限于仅构成上述组合结构。

实施例4

本发明还公开了一种燃料电池电堆实施例，该燃料电池电堆实施例包括多个电池单体。当上述实施例所述的电池单体串联叠置在一起组成电堆时，相邻的两个电池单体之间只保留一个集流板。如，相当于形成一种由两个分别设置在最外侧的第一极板结构和多个设置在内侧的第二极板结构组成的燃料电池电堆，如图5所示的集流板51、多孔导电介质层52和膜电极53布置方式；或者由实施例中电池单体进行变形所得到的其他电池电堆结构，即可以由多个第一极板结构堆叠，相邻的第一极板结构之间共用一个集流板，也可形成图5中的电池电堆。

在该实施例中，电池单体的数量可以根据实际需要进行组合，得到多级串联的电池电堆结构。

在电池电堆需要小型化或者其需要散热量不大时，可以对电池电堆进行优化。优选地：当多个叠置的电池单体串联在一起组成电堆时，相邻的两个电池单体之间不设置集流板，而只设置分隔板，其中该隔板可以是普通的仅能实现集流的集流板。

实施例5

如图6所示，本发明还公开了一种燃料电池单元，其可以一个或多个电池单体串联构成也可以是其他任何允许的电池工作单元结构，本电池单元可以独立工作，也可以进一步的串联在一起，形成多个电池单元组成大型多级燃料电池。

本实施例优选的电池单元沿着其厚度方向顺次的包括第一集流板1、第一阴极多孔导电介质层2、第一膜电极3、第一阳极多孔导电介质层4、第二集流板5、第二阴极多孔导电介质层6、第二膜电极7、第二阳极多孔导电介质层8、第三集流板9；其中至少第一集流板1，第三集流板9与相应的多孔导电介质层配合的一面分布有多个集流槽。

在本实施例中，对第一、第三集流板还可分别在其多个集流槽之间间隔的设有多个冷却介质通道。在一个更优选地方案中，采用将第一、第三集流板的多个冷却介质通道和多个集流槽间隔交错地设置。

基于上述优选的方案：可将第二集流板5与相应的多孔导电介质层配合的两面均分布设有多个集流槽。其中集流槽可以作为反应气体输送通道；多孔导电介质层排出的反应生成水可通过该些集流槽排走，利于排水，避免形成积液影响气体传输和热传导；同时集流槽的设置使集流板与多孔导电介质层之间形成空腔有利于多孔导电介质层对气体的输送；对电池极板具有支撑作用。更进一步的，第二集流板还分别在其多个集流槽之间间隔的设有多个冷却介质通道，能够与第一、第三集流板的多个冷却介质通道和多个集流槽间隔交错地设置的方式相配合。

此外，若对散热要求不高时，还可仅使第二集流板用做分隔板或支撑隔板。综合上述对电池单元的的设置，其实现冷却和输送的具体要求可能有所不同，因而多孔导电介质层、集流板及集流板上的集流槽和冷却介质通道可选择性的进行设置。

基于本实施例中的电池单元，串联后可以形成大型多级燃料电池。

进一步的，当需要对上述的电池单元或大型多级燃料电池进行小型化或者其需要散热量不大时，可以对其进行优化。优选地：第二集流板为一不设置冷却介质通道的分隔板，但优选的，这一分隔板也采用凸凹相间的方式，并最好与多孔导电介质层的接触位置形成平面接触以增强电池单体强度。

优选的，本实施例中的燃料电池单元中第一膜电极3和第二膜电极7的两侧分别为多孔金属介质层，提供了阴阳极反应气体的流动空间，同时反应生成水也能够通过多孔金属导电介质层传输。紧接着多孔金属介质层为隔板(或集流板)，同时具有集流板的作用，隔板上下的集流槽与多孔金属介质层接触后形成空腔，用于反应气体的传输，其中集流槽的设置可以根据实际需要设置成矩形沟槽、弧形沟槽等。而中间还设置有冷却介质通道用于冷却介质的传输，该通道可以设计成矩形通道、圆形通道等。该隔板与常规燃料电池中的双极板类似，均能够起到支撑、传输气体、集流的作用。

在本发明所公开的多孔金属介质层与膜电极气体扩散层并不等同，膜电极的气体扩散层除了能够导电、传输反应气体和反应生成水外，还能够对质子交换膜进行有效的保护和支撑；而本发明的多孔金属扩散层具有更大的孔隙率，用于反应气体的均匀传输。反应气体透过多孔金属介质层后具有更加均匀的浓度和速度分布，进而使得电化学反应进行更加均匀。

带有集流槽的隔板与多孔金属介质层配合使用，有利于气体从进口传输至流场深处。常规燃料电池结构中不存在多孔导电介质层，气体进入流道以后快速参加反应，往往造成流道前半段浓度高，随后浓度快速下降，从而导致流道后半段反应气体浓度较低。添加了多空层以后，也就增加了气体流动阻力，相比而言，大部分的气体选择通过隔板上的槽道流动，此时尽管存在电化学反应的消耗，反应气体仍然能较多的流进流场深处。此外，该发明中的燃料电池单元基于高温熔融盐为电解质，与现有技术中的质子交换膜燃料电池存在本质区别，对于本发明而言，亦不具有参考价值。也有一些文献上报道了采用多孔材料作为气体传输的媒介，但大多未考虑实际情形，尤其是实际应用中燃料电池有效面积较大，极容易因在膜电极平面方向引起反应气体的不均匀分布，因此也不具备实质性的参考价值。

本发明实施例中针对氢燃料电池的具体应用，并充分考虑阳极氢气和阴极空气(或氧气)的传递特性。由于氢气具有远高于空气的扩散能力，且燃料电池在运行过程中的反应生成水主要在阴极发生，因此阴极的气体传输和水传输任务更加繁重，因此阴阳极的多孔层可采用不同的厚度和孔隙率或仅在阴极侧添加多孔导电介质层。

此外，如图6所示，相邻两块燃料电池的阴阳极气体被集流板隔开，集流板上可内嵌冷却介质通道，冷却水流动空间中包含了一些隔板，起到支撑和分流反应气体的作用。进一步，本发明对集流板的尺寸和介质层的尺寸做出了限定，其中各个结构的尺寸一般根据所设计的燃料电池功率及工作状态参数具体确定，但存在经验范围，例如集流板中的冷却水流道高度h1可设置为0.1-2mm，大部分不高于1mm；宽度w可设计在0.1-3mm范围内，具体根据集流板的承压能力、冷却水流阻进行确定；阴阳极气体流动空间高度(h2和h3,也即多孔金属介质层厚度)可设计在0.1-5mm之间，实际设计中，流动空间高度应结合多孔金属介质孔隙率进行确定，此外，阴阳极的层厚及空隙特性还可以不同。

最后，本发明还进一步公开了多孔金属材料的制备问题。本发明中的多孔金属材料应具有导热、导电和耐腐蚀的特性。常见的多孔金属材料有泡沫金属及金属丝复合结构。由于泡沫金属的内部防腐蚀问题较难解决，优选地，在本实施例还公开了采用的多孔金属介质由不锈钢金属丝与PTFE溶液混合后热压形成，其过程示意如图3所示，最终得到的多孔金属介质层孔隙率在0.2-1之间(事实上，越靠近膜电极侧，孔隙率应当较小，最好能够与膜电极气体扩散层相匹配，此时他们之间的接触电极较小，且更容易结合起来)。在多孔介质内部，金属丝表面被PTFE覆盖，具有较好防腐蚀效果；热压成型后的多孔导电介质层，上下两个侧面分别与集流板和膜电极接触，须具有良好的导电性，可通过打磨等手段使得两个端面金属丝暴露，得以良好的电接触，同时也确保了平整性。

以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施例。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。