燃料电池及电堆系统的制作方法

1.本技术涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池及电堆系统。


背景技术：

2.燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。对于采用单电池堆叠结构的燃料电池而言，同一单电池的阳极板和阴极板围合形成反应气体流场，而相邻单电池的阳极板和阴极板围合形成冷却液流场。而在燃料电池电堆运行时，反应气体流场内会产生冷凝水或由反应生成的水，需要利用反应气体的流动经由汇流区和出口歧管而排出。在相关技术中，冷凝水或产物水容易在汇流区内滞留聚集、无法及时有效地排出到出口歧管，进而堵塞限制反应气体流路而影响废气的正常排放。


技术实现要素：

3.本技术实施例提供一种燃料电池及电堆系统，可以在不影响冷却液流场的密封结构和密封效果的前提下，提供冷凝水或产物水的有效排放路径，避免在汇流区内发生水滞留聚集现象、进而保证废气的正常排放。
4.一方面，本技术实施例提供一种燃料电池，包括相对设置的两个极板以及设置于所述两个极板之间的膜电极组件，所述极板具有相背设置的冷却侧和反应侧，所述极板的反应侧和所述膜电极组件围合形成反应腔室，所述反应腔室包括依次设置的入口汇流区、反应流场区和出口汇流区，所述极板具有和所述出口汇流区连接的出口歧管；所述极板具有钣金结构，所述钣金结构具有第一冲压构造，所述第一冲压构造于所述冷却侧凹陷而形成预留密封注塑部、于所述反应侧凸起而形成构造台阶部，所述构造台阶部凸起设置于所述出口汇流区和所述出口歧管之间；所述极板于所述反应侧形成排水槽，所述排水槽避让所述构造台阶部而进行设置，所述排水槽绕过所述构造台阶部而连通所述出口汇流区和所述出口歧管。
5.在一些实施例中，所述排水槽的深度小于所述反应流场区的深度，所述冷却侧上对应于所述排水槽的区域的凸起高度小于所述冷却侧上对应于所述反应流场区的区域的凸起高度。
6.在一些实施例中，所述排水槽分别和所述出口汇流区、所述构造台阶部相邻设置。
7.在一些实施例中，所述排水槽上远离所述构造台阶部的一侧侧壁和所述反应流场区的一侧侧壁平齐。
8.在一些实施例中，所述反应流场区具有沿其宽度方向相对设置的第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁和所述入口汇流区相邻设置，所述第二侧壁和所述出口汇流区相邻设置；所述排水槽上接近所述构造台阶部的一侧侧壁位于所述第二侧壁远离所述第一侧壁的一侧区域，或者所述排水槽上接近所述构造台阶部的一侧侧壁和所述第二侧壁平齐，以使所述排水槽设置于所述极板的反应侧上的边缘区域。
9.在一些实施例中，所述排水槽的通流横截面积自所述排水槽中连接所述出口汇流
区的一端递减至所述排水槽中连接所述出口歧管的一端。
10.在一些实施例中，所述极板的反应侧设有汇流结构部，所述汇流结构部形成于所述构造台阶部上，所述汇流结构部连通所述出口歧管，所述排水槽和所述汇流结构部相邻设置且相互隔离。
11.在一些实施例中，所述汇流结构部包括多个导流槽，所述多个导流槽依次间隔设置、且分别连通所述出口歧管，所述导流槽的槽底高于所述反应流场区的底面。
12.在一些实施例中，所述出口汇流区的通流横截面积自所述出口汇流区上连接所述反应流场区的一端递减至所述出口汇流区上连接所述出口歧管的一端。
13.另一方面，本技术实施例提供一种电堆系统，包括以上任一实施例提供的燃料电池，多个燃料电池依次层叠设置，所述多个燃料电池的入口歧管依次连通、且所述多个燃料电池的出口歧管依次连通。
14.本技术实施例通过在极板的反应侧形成排水槽，且使排水槽避让构造台阶部而进行设置、并使排水槽绕过构造台阶部而连通出口汇流区和出口歧管；在反应流场区的废气流动而强制冷凝水和产物水流动至出口汇流区时，冷凝水和产物水受阻于构造台阶部的凸起结构、无法翻越构造台阶部而进入出口歧管，此时可以利用排水槽而将受阻的冷凝水和产物水绕过构造台阶部而排放至出口歧管，在不影响冷却液流场的密封结构和密封效果的前提下、提供冷凝水或产物水的有效排放路径，避免在汇流区内发生水滞留聚集现象、进而保证废气的正常排放。
附图说明
15.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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。
16.图1是本技术一些实施例提供的燃料电池的透视结构图；
17.图2是本技术一些实施例提供的燃料电池的局部剖视结构图；
18.图3是本技术一些实施例提供的燃料电池的一种主视结构图；
19.图4是图3中燃料电池的局部结构图；
20.图5是本技术一些实施例提供的燃料电池的另一种主视结构图。
21.主要元件符号说明：
22.1-极板，11-冷却侧，111-预留密封注塑部，12-反应侧，121-构造台阶部，122-排水槽，123-汇流结构部，1231-导流槽，13-入口歧管，14-出口歧管，101-阳极板，102-阴极板，103-膜电极组件，104-反应腔室，41-入口汇流区，42-反应流场区，421-第一侧壁，422-第二侧壁，43-出口汇流区。
具体实施方式
23.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域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，都属于本技术保护的范围。
24.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，仅是为了便于描述本技术和简化描述，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技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0025]“a和/或b”，包括以下三种组合：仅a，仅b，及a和b的组合。
[0026]
本技术中“适用于”或“被配置为”的使用意味着开放和包容性的语言，其不排除适用于或被配置为执行额外任务或步骤的设备。另外，“基于”的使用意味着开放和包容性，因为“基于”一个或多个所述条件或值的过程、步骤、计算或其他动作在实践中可以基于额外条件或超出所述的值。
[0027]
在本技术中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本技术中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本技术，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本技术。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本技术的描述变得晦涩。因此，本技术并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本技术所公开的原理和特征的最广范围相一致。
[0028]
对于采用单电池堆叠结构的燃料电池而言，同一单电池的阳极板和阴极板围合形成反应气体流场，而相邻单电池的阳极板和阴极板围合形成冷却液流场。在相关技术中，极板采用冲压成型方式制成，出于对冷却液流场的密封注塑结构需要，极板在汇流区内需要形成台阶结构，台阶结构会对冷凝水和产物水的流动产生较大障碍，使冷凝水和产物水无法跨越台阶结构而进入出口歧管，容易在汇流区内发生水滞留聚集现象，进而堵塞限制反应气体流路而影响废气的正常排放。而为了保证冷却液流场的密封结构完整性，无法采用观察台阶结构而连通汇流区和出口歧管的手段予以解决。
[0029]
如图1至图5所示，一方面，本技术实施例提供一种燃料电池，该燃料电池包括相对设置的两个极板1以及设置于两个极板1之间的膜电极组件103，可以在不影响冷却液流场的密封结构和密封效果的前提下，提供冷凝水或产物水的有效排放路径，避免在汇流区内发生水滞留聚集现象、进而保证废气的正常排放。
[0030]
这里，两个极板1可以包括一阳极板1011和一阴极板1021；每个极板1具有相背设置的冷却侧11和反应侧12，分属相邻两个单电池的阳极板1011的冷却侧11和阴极板1021的冷却侧11相对设置而围合形成冷却液流场。其中，极板1上设有入口歧管13和出口歧管14。
[0031]
极板1的反应侧12和膜电极组件103围合形成反应腔室104，反应腔室104包括依次设置的入口汇流区41、反应流场区42和出口汇流区43，入口汇流区41、反应流场区42和出口汇流区43依次连通。入口汇流区41被配置为和入口歧管13连通，用于将由入口歧管13提供的例如燃料气体、氧化剂气体等反应气体进一步引入到反应流场区42内；反应流场区42作
为反应气体流场而和膜电极组件103的活性区对应设置，用于进行电化学反应而产生电能和产物水；出口汇流区43被配置为和出口歧管14连通，用于将反应流场区42内的气液混合物导出至出口歧管14、并经由出口歧管14而进一步排放至燃料电池外。
[0032]
极板1具有钣金结构，由冲压成型方式制成。钣金结构具有第一冲压构造，第一冲压构造于冷却侧11凹陷而形成预留密封注塑部111、于反应侧12凸起而形成构造台阶部121，使得预留密封注塑部111为形成于冷却侧11的凹陷部、而构造台阶部121为形成于反应侧12的凸起部。这里，预留密封注塑部111可以提供一预留空间、用于在该预留空间注塑形成冷却液流场密封所需的密封件；构造台阶部121凸起设置于出口汇流区43和出口歧管14之间，属于对应于预留密封注塑部111而形成的工艺台阶部。
[0033]
极板1于反应侧12形成排水槽122，排水槽122避让构造台阶部121而进行设置；换言之，排水槽122和构造台阶部121间隔设置，且排水槽122在极板1所在平面上的正投影和预留密封注塑部111在极板1所在平面上的正投影互不重叠，可以避免因排水槽122的设置而对预留密封注塑部111的构造造成干扰或破坏，进而避免对冷却液流场的密封结构和密封效果产生不利影响。这里，排水槽122绕过构造台阶部121而连通出口汇流区43和出口歧管14，使水可以通过排水槽122而从出口汇流区43流向出口歧管14。
[0034]
这样，在反应流场区42的废气流动而强制冷凝水和产物水流动至出口汇流区43时，冷凝水和产物水受阻于构造台阶部121的凸起结构、无法翻越构造台阶部121而进入出口歧管14，此时可以利用排水槽122而将受阻的冷凝水和产物水绕过构造台阶部121而排放至出口歧管14，在不影响冷却液流场的密封结构和密封效果的前提下、提供冷凝水或产物水的有效排放路径，避免在汇流区内发生水滞留聚集现象、进而保证废气的正常排放。
[0035]
排水槽122的深度可以根据极板1的实际结构需要而进行设置，本技术实施例对此不作限定。在一些实施例中，排水槽122的深度可以小于反应流场区42的深度，使得冷却侧11上对应于排水槽122的区域的凸起高度可以小于冷却侧11上对应于反应流场区42的区域的凸起高度，避免因排水槽122的设置而导致冷却侧11出现过高隆起、进而避免因过高隆起而影响相邻单电池之间的连接紧密性和冷却液流场的密封性能。这里，排水槽122的深度可以是排水槽122中沿极板1的厚度方向的最大深度尺寸，而反应流场区42的深度可以是反应流场区42中沿极板1的厚度方向的最大深度尺寸。
[0036]
排水槽122在极板1的反应侧12上的设置位置可以根据实际需要确定，本技术实施例对此不作限定。在一些实施例中，排水槽122可以分别和出口汇流区43、构造台阶部121相邻设置，使得排水槽122、出口汇流区43和构造台阶部121形成较为紧密而紧凑的布置结构，同时有效地缩短排水槽122的长度和水经由排水槽122排出时的沿程长度，降低沿程阻力和动力损失、相应提高排水速度和顺畅度。
[0037]
如图3至图4所示，在一些示例中，排水槽122上远离构造台阶部121的一侧侧壁可以和反应流场区42的一侧侧壁平齐。这样，可以使得排水槽122的设置位置被限制于反应流场区42的四边及其延长线所限范围之内，利用反应流场区42外且紧邻反应流场区42的区域对排水槽122进行布置，增加布局结构的紧凑性，同时有效地缩短排水槽122的长度和水经由排水槽122排出时的沿程长度，降低沿程阻力和动力损失、相应提高排水速度和顺畅度。此外，将排水槽122的设置位置被限制于反应流场区42的四边及其延长线所限范围之内，可以使得极板1具有较为规整的边缘区域，便于在边缘区域内布置连接定位结构、进而便于相
邻极板1之间利用各自的边缘区域进行准确的定位连接。
[0038]
如图5所示，在另一些示例中，反应流场区42可以具有沿其宽度方向相对设置的第一侧壁421和第二侧壁422；第一侧壁421和入口汇流区41相邻设置，第二侧壁422和出口汇流区43相邻设置，使得入口汇流区41、反应流场区42和出口汇流区43沿反应腔室104的对角线依次设置且保持连通。这里，排水槽122上接近构造台阶部121的一侧侧壁可以位于第二侧壁422远离第一侧壁421的一侧区域，使排水槽122的设置位置位于反应流场区42的四边及其延长线所限范围之外，使得排水槽122设置于极板1的反应侧12上的边缘区域，可以充分利用极板1的边缘区域而为排水槽122提供较为充足宽裕的布局空间，避免因排水槽122的设置而对预留密封注塑部111的构造造成干扰或破坏。
[0039]
在另一些示例中，反应流场区42可以具有沿其宽度方向相对设置的第一侧壁421和第二侧壁422；第一侧壁421和入口汇流区41相邻设置，第二侧壁422和出口汇流区43相邻设置，使得入口汇流区41、反应流场区42和出口汇流区43沿反应腔室104的对角线依次设置且保持连通。这里，排水槽122上接近构造台阶部121的一侧侧壁和第二侧壁422平齐，使排水槽122的设置位置位于反应流场区42的四边及其延长线所限范围之外，使得排水槽122设置于极板1的反应侧12上的边缘区域，可以充分利用极板1的边缘区域而为排水槽122提供较为充足宽裕的布局空间，避免因排水槽122的设置而对预留密封注塑部111的构造造成干扰或破坏。
[0040]
排水槽122的通流横截面积的变化规律可以根据实际需要确定，可以具有恒定不变或渐变等不同变化特性，本技术实施例对此不作限定。在一些实施例中，排水槽122的通流横截面积可以自排水槽122中连接出口汇流区43的一端递减至排水槽122中连接出口歧管14的一端，使得排水槽122中靠近出口汇流区43的一端具有较大的通流横截面积、而靠近出口歧管14的一端具有较小的通流横截面积，进而使得排水槽122沿排水流动方向而逐渐收缩。在冷凝水或产物水流经排水槽122时，随着排水槽122的逐渐收缩而产生射流效应，使冷凝水或产物水加速地喷射至出口歧管14，进而加快排水速度而避免发生水滞留聚集。
[0041]
如图3至图4所示，在一些实施例中，极板1的反应侧12可以设有汇流结构部123，汇流结构部123形成于构造台阶部121上、具体地可以设置于构造台阶部121的顶部区域。汇流结构部123连通出口歧管14，且排水槽122和汇流结构部123相邻设置且相互隔离。通过设置汇流结构部123，可以起到对废气的导流和汇流作用，使废气有序而定向地流动至出口歧管14，避免废气在出口汇流区43内发生无序流动和流体扰动干涉。此外，通过设置汇流结构部123，可以避免发生水倒流现象，保证较佳的排水排气性能。
[0042]
汇流结构部123的构造可以根据实际需要确定，本技术实施例对此不作限定。在一些示例中，汇流结构部123可以包括多个导流槽1231，多个导流槽1231依次间隔设置、且分别连通出口歧管14；这里，导流槽1231设置于构造台阶部121的顶部区域，而导流槽1231的槽底高于反应流场区42的底面、以匹配构造台阶部121所需的台阶凸起结构。通过设置多个导流槽1231，可以对进入出口汇流区43内的气液混合物进行分流和导流，使废气有序地通过各个导流槽1231而汇流至出口歧管14。
[0043]
出口汇流区43的通流横截面积的变化规律可以根据实际需要确定，可以具有恒定不变或渐变等不同变化特性，本技术实施例对此不作限定。在一些实施例中，出口汇流区43的通流横截面积可以自出口汇流区43上连接反应流场区42的一端递减至出口汇流区43上
连接出口歧管14的一端，使得出口汇流区43内靠近反应流场区42的一端具有较大的通流横截面积、而靠近出口歧管14的一端具有较小的通流横截面积。这样，在废气通过出口汇流区43而流向出口歧管14时，废气的通流截面积被逐渐压缩而流速逐渐增加，废气保持加速地流向出口歧管14而加快其中所携带的产物水的排出速度，从而避免产物水在出口汇流区43内发生滞留聚集。
[0044]
如图1至图5所示，另一方面，本技术实施例提供一种电堆系统，包括多个以上任一实施例提供的燃料电池，多个燃料电池依次层叠设置，上述多个燃料电池的入口歧管13依次连通、且上述多个燃料电池的出口歧管14依次连通。燃料电池的数量可以根据实际需要确定，以满足所需的电能要求，本技术实施例对此不作限定。
[0045]
以上对本技术实施例所提供的燃料电池及电堆系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。

技术特征：
1.一种燃料电池，其特征在于，包括相对设置的两个极板以及设置于所述两个极板之间的膜电极组件，所述极板具有相背设置的冷却侧和反应侧，所述极板的反应侧和所述膜电极组件围合形成反应腔室，所述反应腔室包括依次设置的入口汇流区、反应流场区和出口汇流区，所述极板具有和所述出口汇流区连接的出口歧管；所述极板具有钣金结构，所述钣金结构具有第一冲压构造，所述第一冲压构造于所述冷却侧凹陷而形成预留密封注塑部、于所述反应侧凸起而形成构造台阶部，所述构造台阶部凸起设置于所述出口汇流区和所述出口歧管之间；所述极板于所述反应侧形成排水槽，所述排水槽避让所述构造台阶部而进行设置，所述排水槽绕过所述构造台阶部而连通所述出口汇流区和所述出口歧管。2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述排水槽的深度小于所述反应流场区的深度，所述冷却侧上对应于所述排水槽的区域的凸起高度小于所述冷却侧上对应于所述反应流场区的区域的凸起高度。3.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述排水槽分别和所述出口汇流区、所述构造台阶部相邻设置。4.根据权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，所述排水槽上远离所述构造台阶部的一侧侧壁和所述反应流场区的一侧侧壁平齐。5.根据权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，所述反应流场区具有沿其宽度方向相对设置的第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁和所述入口汇流区相邻设置，所述第二侧壁和所述出口汇流区相邻设置；所述排水槽上接近所述构造台阶部的一侧侧壁位于所述第二侧壁远离所述第一侧壁的一侧区域，或者所述排水槽上接近所述构造台阶部的一侧侧壁和所述第二侧壁平齐，以使所述排水槽设置于所述极板的反应侧上的边缘区域。6.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述排水槽的通流横截面积自所述排水槽中连接所述出口汇流区的一端递减至所述排水槽中连接所述出口歧管的一端。7.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述极板的反应侧设有汇流结构部，所述汇流结构部形成于所述构造台阶部上，所述汇流结构部连通所述出口歧管，所述排水槽和所述汇流结构部相邻设置且相互隔离。8.根据权利要求7所述的燃料电池，其特征在于，所述汇流结构部包括多个导流槽，所述多个导流槽依次间隔设置、且分别连通所述出口歧管，所述导流槽的槽底高于所述反应流场区的底面。9.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述出口汇流区的通流横截面积自所述出口汇流区上连接所述反应流场区的一端递减至所述出口汇流区上连接所述出口歧管的一端。10.一种电堆系统，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的燃料电池，多个燃料电池依次层叠设置，所述多个燃料电池的入口歧管依次连通、且所述多个燃料电池的出口歧管依次连通。

技术总结
本申请实施例提供一种燃料电池及电堆系统，该燃料电池包括相对设置的两个极板以及设置于两个极板之间的膜电极组件，极板具有相背设置的冷却侧和反应侧，极板的反应侧和膜电极组件围合形成反应腔室，反应腔室包括依次设置的入口汇流区、反应流场区和出口汇流区，极板具有和出口汇流区连接的出口歧管；极板具有钣金结构，钣金结构具有第一冲压构造，第一冲压构造于冷却侧凹陷而形成预留密封注塑部、于反应侧凸起而形成构造台阶部，构造台阶部凸起设置于出口汇流区和出口歧管之间；极板于反应侧形成排水槽，排水槽避让构造台阶部而进行设置，排水槽绕过构造台阶部而连通出口汇流区和出口歧管。出口歧管。出口歧管。


技术研发人员：白云飞 刘晴晴 唐厚闻 邵恒 梁鹏
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：2023.05.30
技术公布日：2023/7/20