【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料电池，尤其涉及一种极板、单元电池、电堆及燃料电池系统。
技术介绍
1、质子交换膜燃料电池包括多组堆叠设置的单元电池串联构成，每组单元电池的核心组件为膜电极和双极板。膜电极包括质子交换膜、分别布置在质子交换膜相对两侧的催化剂层，以及分别布置在每个催化剂层背对质子交换膜一侧的气体扩散层。双极板是质子交换膜燃料电池中起到分隔燃料气体(氢气)、空气(氧化剂)以及为他们提供到达膜电极表面通路的作用，并且还具有收集、传导电流，进行电化学反应热交换，为膜电极提供结构支撑等功能。
2、在燃料电池工作过程中，氢气通过氢气进气总管进入氢气流场，经由氢气流场分配区分配进入氢气主流场，扩散进入气体扩散层，从而到达阳极催化层，而后氢离子透过质子交换膜到达阴极催化层，电子穿过双极板到达相邻单元电池阴极；同理空气通过空气进气总管进入空气流场，经由空气流场分配进入空气主流场，扩散进入气体扩散层，从而到达阴极催化层进行电化学反应；反应产物及未参加反应的工作介质通过流场收集排出双极板进一步通过排气总管排出燃料电池；冷却液通过冷却液进入总管进入到双极板之间的冷却液腔室，经由冷却液流场分配区分配进入冷却液主流场，通过双极板与电化学反应发生位置进行换热，而后将热量带离燃料电池。
3、在燃料电池工作过程中，燃料电池的活性区应发生均匀的电化学反应，并且实现温度的均匀分布，不均匀的水、热、电状态会造成燃料电池水淹、反极等极端工作状态，甚至会使燃料电池失效，寿命急剧降低。
4、双极板流道的结构设计是影响活性区内电化学反应均匀
5、现有的双极板流道结构，受气体扩散行程的影响，燃料电池的极限电流密度不高，在较大的电流密度条件下极易发生严重的传质极化现象，从而影响燃料电池的性能。为此，现有技术提出使气体在相邻两气体流道间脊下气体扩散层对流传输的原理，即通过设计变径结构实现垂直于双极板长度方向的横截面内，相邻两个气体流道内的压强不同，以使相邻两个气体流道内的气体能够通过气体扩散层进行流动，而且限定了不同气体流道内的气体通过气体扩散层进行气体扩散时的流动方向。但目前采用这一对流传输原理的双极板，不同气体流道内的气体通量不同，从而导致活性区内不同区域之间的反应一致性较差。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提出一种极板、单元电池、电堆及燃料电池系统，能够使活性区内的气体分布更加均匀，提高活性区内不同区域之间的反应一致性。
2、为达此目的，第一方面，本专利技术采用以下技术方案：
3、一种极板，所述极板厚度方向的相对两侧面分别为第一侧面和第二侧面，所述第一侧面凸设有沿第一方向间隔布置的多个主脊，相邻两个所述主脊之间形成一个用于输送反应气体的气体流道；
4、每个所述气体流道内均设有沿第二方向间隔布置的多个变径节流结构，使所述气体流道被分为沿所述第二方向交替分布的等径流道和变径流道，所述等径流道的横截面面积大于所述变径流道的横截面面积；相邻两个所述气体流道内的所述变径节流结构沿所述第二方向交错布置；所述等径流道的横截面、所述变径流道的横截面均垂直于所述第二方向，所述第一方向、所述第二方向和所述极板的厚度方向两两垂直；
5、所述变径节流结构具有至少两种，不同种类的所述变径节流结构所形成的压降不同；预设流量的气体在通过任一所述气体流道时，不同所述气体流道内所流通气体的总流量相等。
6、作为上述极板的一种可选技术方案，不同种类的所述变径节流结构的所述变径流道沿所述第二方向的长度不同，和/或，不同种类的所述变径节流结构的所述变径流道的横截面面积不同。
7、作为上述极板的一种可选技术方案，相邻的两个所述气体流道分别为第一气体流道和第二气体流道，位于所述第一气体流道内的所述变径节流结构为第一变径节流结构，位于所述第二气体流道内的所述变径节流结构为第二变径节流结构；
8、相邻两个所述第一变径节流结构之间有一个所述第二变径节流结构，相邻两个所述第二变径节流结构之间有一个所述第一变径节流结构。
9、作为上述极板的一种可选技术方案，沿所述第二方向，相邻两个所述第一变径节流结构之间的间距为l1，且相邻两个所述第二变径节流结构之间的间距为l2，且相邻的所述第一变径节流结构和所述第二变径节流结构之间的间距为l3，l1＝l2＝2l3。
10、作为上述极板的一种可选技术方案，所述第一气体流道和所述第二气体流道沿第一方向呈阵列布置形成所述极板的二次流场。
11、作为上述极板的一种可选技术方案，所述变径节流结构具有两种且分别为变径节流部一和变径节流部二，相邻两个所述气体流道的其中一个内设置有n个所述变径节流结构且均为所述变径节流部一；
12、相邻两个所述气体流道的另一个内设置有n+1个所述变径节流结构，且n+1个所述变径节流结构包括两个所述变径节流部二，及位于两个所述变径节流部二之间的n-1个所述变径节流部一，同一种气体通过所述变径节流部二所引起的压降小于通过所述变径节流部一的压降。
13、作为上述极板的一种可选技术方案，同一种所述气体通过所述变径节流部一的压降为2a，且通过所述变径节流部二的压降为a。
14、作为上述极板的一种可选技术方案，所述极板包括活性区和分别位于所述活性区两端的两个分配区，所述气体流道位于所述活性区，所述分配区内设置有多个分配脊，相邻两个所述分配脊之间形成一个用于分配反应气体的分配流道，所述气体流道的两端分别与两个所述分配区的所述分配流道连通，所述分配流道用于使进入每个所述气体流道内的所述气体流量相等。
15、为了实现上述目的，第二方面，本专利技术还提供了一种单元电池，包括两个上述任一方案所述的极板，及设于两个极板之间的膜电极。
16、为了实现上述目的，第三方面，本专利技术还提供了一种电堆，包括多个上述的单元电池，多个所述单元电池堆叠设置。
17、为了实现上述目的，第四方面，本专利技术还提供了一种燃料电池系统，包括上述的电堆。
18、本专利技术有益效果：本专利技术提供的极板、单元电池、电堆及燃料电池系统，通过设置变径节流结构使气体流经变径节流结构时产生压降，使变径节流结构的出口端附近区域形成负压区，使在垂直于第二方向的极板横截面内，相邻两个气体流道内在节流结构的出口端附近区域的压强不同，从而使相邻气体流道内的高压气体通过气体扩散层流向负压区，通过强制对流的方式缩短了燃料电池内气体自由扩散行程，提高了燃料电池的极限电流密度。通过设置至少两种变径节流结构且不同种类的变径节流结构所形成的压降不同，实现预设流量的气体在通过任一气体流道时，不同气体流道内所流通气体的总流量相等，使活性区内的气体分布更加均匀，提高活性区内不同区域之间的反应一致性。
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1.一种极板，所述极板(1000)厚度方向的相对两侧面分别为第一侧面和第二侧面，所述第一侧面凸设有沿第一方向间隔布置的多个主脊，相邻两个所述主脊之间形成一个用于输送反应气体的气体流道；其特征在于，
2.根据权利要求1所述的极板，其特征在于，不同种类的所述变径节流结构的所述变径流道(4)沿所述第二方向的长度不同，和/或，不同种类的所述变径节流结构的所述变径流道(4)的横截面面积不同。
3.根据权利要求1所述的极板，其特征在于，相邻的两个所述气体流道分别为第一气体流道(10)和第二气体流道(20)，位于所述第一气体流道(10)内的所述变径节流结构为第一变径节流结构，位于所述第二气体流道(20)内的所述变径节流结构为第二变径节流结构；
4.根据权利要求3所述的极板，其特征在于，沿所述第二方向，相邻两个所述第一变径节流结构之间的间距为L1，且相邻两个所述第二变径节流结构之间的间距为L2，且相邻的所述第一变径节流结构和所述第二变径节流结构之间的间距为L3，L1＝L2＝2L3。
5.根据权利要求3所述的极板，其特征在于，所述第一气体流道(10)
6.根据权利要求3所述的极板，其特征在于，所述变径节流结构具有两种且分别为变径节流部一(5)和变径节流部二(6)，相邻两个所述气体流道的其中一个内设置有N个所述变径节流结构且均为所述变径节流部一(5)；
7.根据权利要求6所述的极板，其特征在于，同一种所述气体通过所述变径节流部一(5)的压降为2a，且通过所述变径节流部二(6)的压降为a。
8.根据权利要求1至7任一项所述的极板，其特征在于，所述极板(1000)包括活性区(100)和分别位于所述活性区(100)两端的两个分配区(200)，所述气体流道位于所述活性区(100)，所述分配区(200)内设置有多个分配脊，相邻两个所述分配脊之间形成一个用于分配反应气体的分配流道，所述气体流道的两端分别与两个所述分配区(200)的所述分配流道连通，所述分配流道用于使进入每个所述气体流道内的所述气体流量相等。
9.一种单元电池，其特征在于，包括两个如权利要求1-8任一项所述的极板(1000)，及设于两个所述极板(1000)之间的膜电极。
10.一种电堆，其特征在于，包括多个如权利要求9所述的单元电池，多个所述单元电池堆叠设置。
11.一种燃料电池系统，其特征在于，包括权利要求10所述的电堆。
...【技术特征摘要】
1.一种极板，所述极板(1000)厚度方向的相对两侧面分别为第一侧面和第二侧面，所述第一侧面凸设有沿第一方向间隔布置的多个主脊，相邻两个所述主脊之间形成一个用于输送反应气体的气体流道；其特征在于，
2.根据权利要求1所述的极板，其特征在于，不同种类的所述变径节流结构的所述变径流道(4)沿所述第二方向的长度不同，和/或，不同种类的所述变径节流结构的所述变径流道(4)的横截面面积不同。
3.根据权利要求1所述的极板，其特征在于，相邻的两个所述气体流道分别为第一气体流道(10)和第二气体流道(20)，位于所述第一气体流道(10)内的所述变径节流结构为第一变径节流结构，位于所述第二气体流道(20)内的所述变径节流结构为第二变径节流结构；
4.根据权利要求3所述的极板，其特征在于，沿所述第二方向，相邻两个所述第一变径节流结构之间的间距为l1，且相邻两个所述第二变径节流结构之间的间距为l2，且相邻的所述第一变径节流结构和所述第二变径节流结构之间的间距为l3，l1＝l2＝2l3。
5.根据权利要求3所述的极板，其特征在于，所述第一气体流道(10)和所述第二气体流道(20)沿第一方向呈阵列布置形成所述极板(1000)的二次流场。
6.根据...
【专利技术属性】
技术研发人员：丛延勋，刘汝波，任致行，
申请(专利权)人：中汽创智科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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