【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电池，具体涉及一种模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板及电池。
技术介绍
1、近年来，伴随着现代工业文明的快速发展，传统化石燃料的大规模使用不但造成了诸多的环境问题，同时也导致了自身资源的匮乏，人类社会急需寻找新的清洁能源替代传统的矿物燃料。燃料电池是利用氢气与氧气在燃料电池内阴阳极催化剂表面发生氧化还原反应，将氢气的化学能转变成电能的一种装置。利用该装置能突破传统能源转化的卡诺循环限制，且产物仅为纯净水。因此，以氢气为能源的燃料电池技术起了人们的高度重视。
2、用于传输物料的流场板是燃料电池中的核心部件之一，它的主要功能是让反应物料能均匀的到达燃料电池膜电极内，并且能辅助阴阳极催化剂表面化学反应后产物的排出。流场板上流道的结构和分布决定了反应物在膜电极表面的流动规律和形态，是影响燃料电池物料利用效率以及电池性能的关键因素之一。当前关于流场板上流道结构和分布的研究和开发主要集中于二维平面流道结构，使得反应气体流动方向仍然是与膜电极的催化层表面平行，而反应气体由流场流道到催化层主要还是依靠浓差扩散，这种物料传输方式下，物料在流场中传递过快反而会降低反应气体的使用效率，造成反应气体的大量浪费；另外，这种方式也会带来反应物料分布不均匀，膜电极出现氢饥饿导致性能下降、产物水不能及时排除导致局部水淹等严重问题。急需开发新型立体层级孔结构的流场板，改变传统物料进气供给方式，实现高效物料的传输，是获得高效性能的亟需解决的问题，但面临重大挑战。
3、综上所述，现有平面二维结构的物料流场板，由于其物料
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板及电池，实现了将反应物料均匀高效精准地投递到膜电极催化剂表面，增强反应物料与催化剂层的接触效率和反应产物的及时排除，同时，确保反应物料的利用效率，使得气体在多级孔道体系中阻力低、传输效率高。
2、本专利技术所采用的技术方案是：
3、一种模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板，包括沿气体传输方向依次叠层布置的主进气模块、气体传输多孔模块和终端出气模块，气体传输多孔模块的上端面与主进气模块贴合，气体传输多孔模块的下端面与终端出气模块贴合，主进气模块上设有反应单元主进气口，主进气模块的下端面设有模块进出气孔，反应单元主进气口与模块进出气孔之间连通有气体流道槽，终端出气模块设有反应气体产物汇集导流槽，终端出气模块上设有排气通道口，反应气体产物汇集导流槽与排气通道口之间连通有反应气体产物排出主流道槽；
4、其中，气体传输多孔模块内设有多层级三维分叉进气孔道，多层级三维分叉进气孔道沿气体传输方向分叉布置，主进气模块的模块进出气孔与多层级三维分叉进气孔道的进气端连通，多层级三维分叉进气孔道的出气端与反应气体产物汇集导流槽连通，气体传输多孔模块上还设有排气通道，排气通道的一端与主进气模块的反应单元主排气口连通，另一端与排气通道口连通。
5、优选地，气体传输多孔模块包括n个沿气体传输方向依次叠层布置的气体传输多孔模块层，n≥1，每层气体传输多孔模块层的上端面设有模块进气口，每个模块进气口沿周向均分布有多个模块出气口，模块出气口布置于气体传输多孔模块层的下端面，各模块出气口与相应模块进气口之间连接有气体流道槽，本层气体传输多孔模块层的模块出气口与相邻下一层级的模块进气口连通，本层气体传输多孔模块层的模块进气口与相邻上一层级的气体传输多孔模块层的模块出气口连通；最上一层的气体传输多孔模块层的模块进气口与主进气模块的模块进出气孔连通，最下一层的气体传输多孔模块层的模块出气口与终端出气模块的反应气体产物汇集导流槽连通。
6、优选地，气体传输多孔模块层上均设有排气通孔，各气体传输多孔模块层上的排气通孔依次连通，形成排气通道。
7、优选地，终端出气模块的上端面和下端面均设有反应气体产物汇集导流槽，上端面的反应气体产物汇集导流槽和下端面的反应气体产物汇集导流槽之间连通有反应气体产物汇集导流孔，上端面的反应气体产物汇集导流槽通过反应气体产物排出主流道槽与排气通道口连通；
8、终端出气模块的上端面设置有多个模块物料进气口，终端出气模块的模块物料进气口的个数与最下一层的气体传输多孔模块层的模块出气口一一对应布置，并与最下一层的气体传输多孔模块层的相应模块出气口连通，模块物料进气口设置于上端面的反应气体产物汇集导流槽内，终端出气模块的下端面沿每个模块物料进气口周向均设有多个模块物料出气口，模块物料出气口与相应的模块物料进气口之间连接有反应气体产物导流槽；反应气体经多层级三维分叉进气孔道经终端出气模块的模块物料进气口、模块物料出气口进入至终端出气模块的下端面，与膜电极的反应面接触并充分反应后，再汇集于下端面的反应气体产物汇集导流槽，再经反应气体产物汇集导流孔从上端面的反应气体产物汇集导流槽和排气通道口流出。
9、优选地，在终端出气模块的下端面设置有多个反应气体产物扩散槽，多个反应气体产物扩散槽分布于物料出气口的四周，呈十字或一字排列，并与下端面的反应气体产物汇集导流槽连通，反应气体产物汇集导流槽为口字形结构，反应气体产物汇集导流孔布置于口字形反应气体产物汇集导流槽的四角，模块物料进气口和模块物料出气口布置于相应反应气体产物汇集导流槽的口字形范围内。
10、优选地，各层级的气体传输多孔模块层的模块进气口的大小逐层递减，即上一层级的气体传输多孔模块层的模块进气口大于相邻下一层级的气体传输多孔模块层的模块进气口。
11、优选地，n为2~6，主进气模块、气体传输多孔模块和终端出气模块的厚度为0.1mm~5mm。
12、优选地，多个气体传输多孔模块开展层级串联密封组装时，在同一气体传输多孔模块层上按每1个模块进气口对n个模块出气口的相连贯通；n为(d1/d2)2至 (d1/d2)3个；模块进气口与模块出气口之间连接的孔道尺寸为d2，最佳地，d2=1/2d1~1/4d1，d1为模块进气口的直径，d2为模块出气口的直径。
13、优选地，各模块的材质为金属或石墨等导电材料，亦或环氧树脂等有机聚合物板材不导电材料。
14、优选地，气体传输多孔模块与主进气模块和终端出气模块之间，以及气体传输多孔模块的各层级之间的气体传输多孔模块层通过硅胶粘弹性密封圈和/或粘结剂密封。
15、一种燃料电池，包括两个以上的模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板和膜电极，两个模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板分别布置于膜电极的两侧，分别作为阴极和阳极。
16、本专利技术的有益效果是：
17、本专利技术通过沿气体传输方向依次叠层布置的主进气模块、气体传输多孔模块和终端出气模块，及气体传输多孔模块内设有多层级三维分叉进气孔道，多层级三维分叉进气孔道沿气体传输方向分叉布置，形成三维立体式的反应物料供给方本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板，其特征在于：包括沿气体传输方向依次叠层布置的主进气模块、气体传输多孔模块和终端出气模块，主进气模块上设有反应单元主进气口，主进气模块的下端面设有模块进出气孔，反应单元主进气口与模块进出气孔之间连通，终端出气模块上设有反应气体产物汇集导流槽和排气通道口，反应气体产物汇集导流槽与排气通道口之间连通；
2.如权利要求1所述的模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板，其特征在于： 气体传输多孔模块包括n个沿气体传输方向依次叠层布置的气体传输多孔模块层，n≥1，每层气体传输多孔模块层的上端面设有模块进气口，每个模块进气口沿周向均分布有多个模块出气口，模块出气口布置于气体传输多孔模块层的下端面，各模块出气口与相应模块进气口之间连接有气体流道槽，本层气体传输多孔模块层的模块出气口与相邻下一层级的模块进气口连通，本层气体传输多孔模块层的模块进气口与相邻上一层级的气体传输多孔模块层的模块出气口连通，形成多层级三维分叉进气孔道；
3.如权利要求2所述的模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板，其特征在于：终端出气模
4.如权利要求3所述的模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板，其特征在于：在终端出气模块的下端面设置有多个反应气体产物扩散槽，多个反应气体产物扩散槽分布于物料出气口的四周，呈十字或一字排列，并与下端面的反应气体产物汇集导流槽连通，反应气体产物汇集导流槽为口字形结构，反应气体产物汇集导流孔布置于口字形反应气体产物汇集导流槽的四角。
5.如权利要求2所述的模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板，其特征在于：各层级的气体传输多孔模块层的模块进气口的大小逐层递减，即上一层级的气体传输多孔模块层的模块进气口大于相邻下一层级的气体传输多孔模块层的模块进气口。
6.如权利要求2所述的模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板，其特征在于：多个气体传输多孔模块开展层级串联密封组装时，在同一气体传输多孔模块层上按每1个模块进气口对N个模块出气口的相连贯通；N为(d1/d2)2至 (d1/d2)3个；d2=1/2d1~1/4d1，d1为模块进气口的直径，d2为模块出气口的直径，模块进气口与模块出气口之间的连接孔道尺寸也为d2。
7.如权利要求1所述的模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板，其特征在于： 主进气模块上设有反应单元主排气口，气体传输多孔模块上还设有排气通道，排气通道的一端与主进气模块的反应单元主排气口连通，排气通道的另一端与排气通道口连通；
8.如权利要求1所述的模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板，其特征在于：主进气模块、气体传输多孔模块和终端出气模块的各模块的材质为金属或石墨导电材料，亦或环氧树脂等有机聚合物板材不导电材料。
9.如权利要求2所述的模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板，其特征在于：气体传输多孔模块与主进气模块和终端出气模块之间，以及气体传输多孔模块的各层级之间的气体传输多孔模块层通过硅胶粘弹性密封圈和/或粘结剂密封。
10.一种燃料电池，其特征在于：包括两个权利要求1~9任意一项的模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板和膜电极，两个模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板分别布置于膜电极的两侧，分别作为阴极和阳极。
...【技术特征摘要】
1.一种模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板，其特征在于：包括沿气体传输方向依次叠层布置的主进气模块、气体传输多孔模块和终端出气模块，主进气模块上设有反应单元主进气口，主进气模块的下端面设有模块进出气孔，反应单元主进气口与模块进出气孔之间连通，终端出气模块上设有反应气体产物汇集导流槽和排气通道口，反应气体产物汇集导流槽与排气通道口之间连通；
2.如权利要求1所述的模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板，其特征在于： 气体传输多孔模块包括n个沿气体传输方向依次叠层布置的气体传输多孔模块层，n≥1，每层气体传输多孔模块层的上端面设有模块进气口，每个模块进气口沿周向均分布有多个模块出气口，模块出气口布置于气体传输多孔模块层的下端面，各模块出气口与相应模块进气口之间连接有气体流道槽，本层气体传输多孔模块层的模块出气口与相邻下一层级的模块进气口连通，本层气体传输多孔模块层的模块进气口与相邻上一层级的气体传输多孔模块层的模块出气口连通，形成多层级三维分叉进气孔道；
3.如权利要求2所述的模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板，其特征在于：终端出气模块的上端面和下端面均设有反应气体产物汇集导流槽，上端面的反应气体产物汇集导流槽和下端面的反应气体产物汇集导流槽之间连通有反应气体产物汇集导流孔，上端面的反应气体产物汇集导流槽与排气通道口连通；
4.如权利要求3所述的模块化三维层级孔结构可调的燃料电池物料流场板，其特征在于：在终端出气模块的下端面设置有多个反应气体产物扩散槽，多个反应气体产物扩散槽分布于物料出气口的四周，呈十字或一字排列，并与下端面的反应气体产物汇集导流槽连通，反应气体产物汇集导流槽为口字形结构，反应气体产物汇集导流孔布置于口字形反应气体产物汇集导流槽的四角。<...
【专利技术属性】
技术研发人员：王朝，刘书林，管泽龙，洪盈，陈雅，魏昭，江波，陶健，苏宝连，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：
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