一种燃料电池的制作方法

1.本技术涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池。


背景技术：

2.燃料电池一般由多个燃料电池单体堆叠而成，每个燃料电池单体中分别通入反应气体(如氢气或空气)以进行电化学反应并产生电流。电化学反应过程中将产生热量导致燃料电池的温度升高，影响燃料电池的性能和使用寿命。
3.燃料电池内一般设有换热流道，换热流道内通入换热介质，以便通过热交换的方式降低燃料电池的温度。实际使用中，存在换热流道堵塞的现象，换热流道堵塞容易引起燃料电池单体局部过热，影响燃料电池的性能和寿命。如何避免换热流道堵塞，防止局部过热，是本领域亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.经研究发现，换热介质中有时混合有气泡，气泡进入换热流道后容易堵塞换热流道。
5.本技术旨在提供一种燃料电池，旨在缓解换热流道被气泡堵塞的问题，以防止燃料电池局部过热。
6.本技术的实施例是这样实现的：
7.第一方面，本技术实施例提供一种燃料电池，燃料电池包括电池本体；换热流道，设置于所述电池本体；排气流道，设置于所述电池本体；气液离心分离泵，分别与所述换热流道和所述排气流道连通，所述气液离心分离泵用于分离换热介质中的气体，并将分离气体后的换热介质输入所述换热流道、将气体输入所述排气流道。
8.本技术提供的技术方案，通过气液离心分离泵将大部分气体从换热介质中分离出来，以降低换热流道中的气泡含量，缓解气泡堵塞换热流道的问题，同时排气流道不仅排走气体，还将气体中夹带的换热介质带走，使得该部分换热介质能够统一集中排放以免污染，或者经排气流道后回到换热介质源中以免浪费。
9.在本技术的一种实施例中，所述气液离心分离泵包括：壳体；进液管，连接所述壳体和换热介质源，以向所述壳体内部通入换热介质；旋转机构，设置在所述壳体的内部，用于驱动所述壳体内的换热介质旋转，以分离换热介质和气体；出液管，连接所述壳体和所述换热流道，以将分离气体后的换热介质输入所述换热流道；出气管，连接所述壳体和所述排气流道，以将气体输入所述排气流道。
10.在上述技术方案中，换热介质和气泡在离心力作用下沿径向分离，换热介质具有朝向壳体的内壁聚集的趋势，气泡则朝向壳体的内部空间的中心区域集中，并分别通过出气管输出气泡至排气流道、通过出液管输出分离气泡后的换热介质至换热流道。
11.在本技术的一种实施例中，所述壳体的内部空间为圆柱形，所述旋转机构同轴设置于所述壳体，所述出气管设置在所述壳体的一端，所述出液管设置在所述壳体的侧壁。
12.在上述技术方案中，气泡朝向壳体的内部空间的中心区域集中，以便于将中心区域的气泡从壳体的端部的出气管输出，分离后的换热介质便于从设置在壳体的侧壁的出液管输出。
13.在本技术的一种实施例中，所述壳体相对水平方向倾斜设置，所述出气管位于所述壳体的上端。
14.在上述技术方案中，聚集中壳体的中心区域的气泡在浮力作用下易于向上流动或溢散，以便于经过壳体的上端的出气管流出。
15.在本技术的一种实施例中，所述出液管靠近所述壳体的下端的位置。
16.在上述技术方案中，由于气泡主要向壳体的中心、壳体的上方聚集，通过将出液管连接在壳体的下端附近的侧壁上，能够尽可能减少进入出液管的气泡含量。
17.在本技术的一种实施例中，所述出液管位于所述壳体在竖直方向上的下侧。
18.气泡不易朝壳体在竖直方向的下侧聚集，在上述技术方案中，通过将出液管位于壳体在竖直方向上的下侧，能够尽可能减少进入出液管的气泡含量。
19.在本技术的一种实施例中，所述壳体的倾斜角度为30
°‑
90
°
。
20.在上述技术方案中，该倾斜角度范围内，气泡在向中心流动同时向上流动，使得气泡能够进一步聚集，便于排出。
21.在本技术的一种实施例中，所述进液管设置在所述壳体的侧壁，所述进液管的出液方向与所述壳体内换热介质的旋转方向相切。
22.在上述技术方案中，避免新进入换热介质扰乱原有换热介质的流动方向、消减流速，保证壳体内的换热介质能够受到足够的离心力，以便分离换热介质和气泡。
23.在本技术的一种实施例中，所述气液离心分离泵还包括：
24.第一过滤件，设置在所述壳体内，以分隔所述进液管的出口和所述出液管的入口所在的空间，所述第一过滤件的表面具有憎水性。
25.在上述技术方案中，气泡接触到憎水性的表面时不易破碎成小气泡，进而不易通过第一过滤件进入到出液管，未进入到出液管的气泡继续随旋转的流体旋转，并在离心力、浮力等的作用下逐渐聚集到中心区域。
26.在本技术的一种实施例中，所述气液离心分离泵还包括：
27.第二过滤件，设置在所述出气管的入口，所述第二过滤件的表面具有亲水性。
28.在上述技术方案中，气泡接触到表面具有亲水性的第二过滤件后易于破裂成较小的气泡，使得进入出气管的气泡体积较小，以免出气管、排气流道被气泡堵塞。
附图说明
29.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。
30.图1为本技术一实施例提供的燃料电池的俯视图；
31.图2为图1的a-a剖面图；
32.图3为图2的局部放大图；
33.图4为本技术一实施例提供的气液分离机构的纵向剖面示意图；
34.图5为本技术另一实施例提供的气液分离机构的纵向剖面示意图；
35.图6为本技术另一实施例提供的气液分离机构的横向剖面示意图；
36.图7为本技术又一实施例提供的气液分离机构的纵向剖面示意图。
37.图标：1000-电池本体，100-电池单体，110-第一极板，120-扩散反应层，103-第二极板，200-换热流道，201-主流道，202-分支流道，300-排气流道，400-气液离心分离泵，410-壳体，420-进液管，430-旋转机构，440-出液管，450-出气管，460-第一过滤件，470-第二过滤件。
具体实施方式
38.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
39.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。
40.如图1和图2所示，本技术实施例提供一种燃料电池，燃料电池包括电池本体1000和气液离心分离泵400。
41.电池本体1000包括堆叠设置的多个电池单体100。
42.每个电池单体100包括第一极板110、第二极板103和扩散反应层120。
43.扩散反应层120包括两个气体扩散层、两个催化剂层和质子交换膜，质子交换膜大致平行于第一极板110和第二极板103，两个催化剂层分别设置在质子交换膜的两侧，两个气体扩散层分别设置在两个催化剂层的表面。
44.第一极板110和第二极板103中的一者为正极板，另一者为负极板。第一极板110和第二极板103相对的表面上(也即位于电池单体100内部的表面)，分别设有几十上百条气体流道，通过气体流道输入反应气体(如氢气或空气)，气体向气体流道外扩散，通过气体扩散层均匀分布在催化剂层表面，以供应电化学反应。
45.电池本体1000还设有换热流道200，换热流道200用于供换热介质流通，换热介质与多个电池单体100进行热交换，以实现温度调节的目的，使电池单体100处于适宜的工作温度，从而提高性能和使用寿命。
46.其中，换热流道200包括主流道201和多个分支流道202。
47.主流道201沿多个电池单体100的堆叠方向延伸。
48.分支流道202形成在电池单体100的表面。每个分支流道202均与主流道201连通。
49.示例性地，气体流道在第一极板110和第二极板103相对的表面上凹陷，而在第一极板110和第二极板103相互背离的表面上凸起，从而在相邻两个气体流道之间形成分支流道202，每个极板位于电池单体100的外部的一面具有若干分支流道202。
50.相邻两个电池单体100的若干分支流道202可以一一对应，从而围合形成横截面积较大的流道；相邻两个电池单体100的若干分支流道202也可以错开，从而各自流通。
51.换热流道200需要保持畅通，一旦换热流道200堵塞将引起燃料电池过热，影响燃料电池的性能和寿命。
52.为避免换热流道200堵塞，现有技术中，对换热介质的黏度、冰点等性能进行了调整，以使换热介质具有较好的流动性且不易冻结固化。还对换热介质进行除杂，以免换热介质中混入杂质导致换热流道200堵塞。但采用上述手段后，发现仍无法完全解决换热流道200堵塞问题，而且容易出现分支流道202堵塞导致电池单体100局部过热的问题。进一步研究，发现换热介质中有时会混合有气泡，这些气泡进入换热流道200后容易堵塞换热流道200，尤其是横截面积相对较小的分支流道202。
53.在本技术实施例中，燃料电池还包括排气流道300。
54.排气流道300设置于电池本体1000。排气流道300可以是组合形成，例如，在每个极板设开口，多个开口重叠且相邻的极板之间密封形成沿多个电池单体100的堆叠方向延伸的排气流道300。排气流道300也可以是独立成型，例如，连接在电池本体1000上的一根管道。
55.其中，气液离心分离泵400设置在换热介质源和电池本体1000之间，换热介质经过气液离心分离泵400之后再进入电池本体1000。气液离心分离泵400用于分离换热介质中的气体，气液离心分离泵400分别与换热流道200和排气流道300连通，分离气体后的换热介质输入换热流道200，而分离出的气体输入排气流道300，从而，避免换热流道200被气泡堵塞。
56.需要说明的是，经过气液离心分离泵400输入排气流道300的物质包括但不限于气体，也可以包括换热介质；经过气液离心分离泵400输入换热流道200的物质包括但不限于换热介质，也可以包括少量气体。本技术实施例的目的是，通过气液离心分离泵400将大部分气体从换热介质中分离出来，以降低换热流道200中的气泡含量，缓解气泡堵塞换热流道200的问题，同时排气流道300不仅排走气体，还将气体中夹带的换热介质带走，使得该部分换热介质能够统一集中排放以免污染，或者经排气流道300后回到换热介质源中以免浪费。例如，将排气流道300通过管路与换热介质源连接；又如，在电池本体1000中设置回收流道，回收流道沿多个电池单体100的堆叠方向延伸，换热流道200和排气流道300均与回收流道连通，回收流道与换热介质源连接，以将换热流道200和排气流道300中的换热介质引导至换热介质源回收。
57.如图3所示，气液离心分离泵400包括壳体410、旋转机构430、进液管420、出液管440和出气管450。
58.壳体410内形成容纳换热介质的空间。进液管420一端连接壳体410，另一端连接换热介质源，以将来自换热介质源的换热介质通入壳体410内部的空间。
59.换热介质源为储存换热介质的容器，还可以包括用于驱动换热介质流动的动力机构。
60.旋转机构430设置在壳体410的内部，用于驱动壳体410内的换热介质旋转，使得换热介质和气泡在离心力作用下沿径向分离，换热介质具有朝向壳体410的内壁聚集的趋势，气泡则朝向壳体410的内部空间的中心区域集中，以便于能够分别输出气泡和换热介质。
61.出液管440的一端连接壳体410、另一端连接换热流道200，朝向壳体410的内壁聚集的换热介质经出液管440流向换热流道200。
62.出气管450的一端连接壳体410、另一端连接排气流道300，在壳体410的中心区域聚集的气泡经出气管450流向排气流道300。其中，气泡可能是破裂后溢散至出气管450流出，也可以是气泡与中心区域的部分换热介质混合从出气管450流出。
63.在一些实施例中，壳体410的内部空间为圆柱形，旋转机构430同轴设置于壳体410。
64.旋转机构430的结构有多种，只要能够让换热介质在壳体410内部旋转流道即可。
65.例如，如图4所示，旋转机构430为叶轮，叶轮的旋转轴与圆柱形的壳体410同轴设置。
66.又如，旋转机构430为滚筒(图中未示出)，滚筒的旋转轴与圆柱形的壳体410同轴设置，滚筒上设置允许换热介质和气泡穿过的通孔，以便于换热介质朝向壳体410的侧壁聚集、气泡朝向中心区域聚集。
67.出液管440设置在壳体410的侧壁，以便将分离后的换热介质输出。出气管450设置在壳体410的一端，以便于将中心区域的气泡输出。具体地，出气管450设置在壳体410的端面的中部位置。
68.壳体410的设置方式可以有多种，换言之，旋转机构430的旋转轴具有多种设置角度。
69.在一些实施例中，如图4所示，壳体410可以被设置为相对水平方向倾斜，出气管450位于壳体410的上端。通过如此设置，聚集中壳体410的中心区域的气泡在浮力作用下易于向上流动或溢散，以便于经过壳体410的上端的出气管450流出。
70.在一些实施例中，出液管440设置在靠近壳体410的下端的位置。由于气泡主要向壳体410的中心、壳体410的上方聚集，通过将出液管440连接在壳体410的下端附近的侧壁上，能够尽可能减少进入出液管440的气泡含量。
71.在一些实施例中，出液管440连接于壳体410在竖直方向的下侧，由于气泡的密度较小，气泡不易朝壳体410在竖直方向的下侧聚集，能够尽可能减少进入出液管440的气泡含量。
72.在一些实施例中，如图4所示，壳体410的倾斜角度α为30
°‑
90
°
，在该倾斜角度范围内，气泡在向中心流动同时向上流动，使得气泡能够进一步聚集，有利于气泡排出。
73.在一些实施例中，如图5和图6所示，进液管420设置在壳体410的侧壁，进液管420的出液方向与壳体410内换热介质的旋转方向相切，避免新的换热介质进入壳体410扰乱原有流体的流动方向、消减流速，保证壳体410内的换热介质能够受到足够的离心力，以便分离换热介质和气泡。
74.在一些实施例中，气液离心分离泵400还包括第一过滤件460，第一过滤件460设置在壳体410内，第一过滤件460的表面具有憎水性，第一过滤件460用于将进液管420的出口所在的空间和出液管440的入口所在的空间分隔开，以免换热介质中的气泡进入出液管440。
75.如图5和图6所示，第一过滤件460设置在出液管440的入口，第一过滤件460的表面具有憎水性。当部分气泡靠近壳体410的侧壁时，由于气泡接触到憎水性的表面时不易破碎成小气泡，进而气泡不易通过第一过滤件460进入到出液管440，未进入到出液管440的气泡继续随旋转的流体旋转，并在离心力、浮力等的作用下逐渐聚集到中心区域。
76.第一过滤件460还可以设置为其他结构，在另一些实施例中，如图7所示，第一过滤件460被构造为筒型结构，第一过滤件460位于壳体410内，将壳体410的内部空间分隔为两部分，其中：进液管420和出气管450分别连接于壳体410，且与第一过滤件460围成的空间连
通；出液管440连接于壳体410的侧壁，且出液管440与第一过滤件460以外的空间连通。示例性地，结合图7所示，第一过滤件460环绕壳体410内部的中心区域，第一过滤件460与壳体410的侧壁间隔设置，旋转机构430设置在第一过滤件460环绕的中心区域内，进液管420设置在壳体410的底部并位于第一过滤件460环绕的中心区域内，出气管450设置在壳体410的顶部并位于第一过滤件460环绕的中心区域内，出液管440设置在壳体410的侧壁并连通第一过滤件460和壳体410之间的间隔空间。换热介质先进入第一过滤件460环绕的空间内，并被驱动旋转，在离心力作用下，换热介质朝向第一过滤件460流动并最终从壳体410的出液管440流出，换热介质中的气泡向旋转中心汇聚，并在内压和浮力作用下从出气管450排出。通过上述设置，气泡主要汇聚在旋转中心附近，通过第一过滤件460的气泡极少，壳体410和第一过滤件460之间的空间内的气泡大大降低，气泡难以进入出液管440，解决气泡堵塞换热流道的问题。
77.在一些实施例中，壳体410的内壁也具有憎水性，以使气泡不粘附于壳体410的内壁、也不触碰壳体410后破裂，使得气泡尽可能在离心力、浮力等的作用下逐渐聚集到中心区域。
78.本技术实施例中所说的憎水性是指，材料表面不能被水润湿的性质，材料的水接触角大于90
°
，水中的气泡在接触憎水性表面时不易破裂。
79.可选地，第一过滤件460和壳体410的内壁的水接触角趋近于180
°
。例如，在第一过滤件460的表面设置超疏水涂层，以使第一过滤件460的表面具有憎水性；在壳体410的内壁设置超疏水涂层，以使壳体410的内壁具有憎水性。
80.在一些实施例中，气液离心分离泵400还包括第二过滤件470，第二过滤件470设置在出气管450的入口，第二过滤件470的表面具有亲水性。亲水性是指材料表面易于被水润湿的性质，材料的水接触角小于90
°
。气泡接触到第二过滤件470后易于破裂成较小的气泡，使得进入出气管450的气泡体积较小，以免出气管450、排气流道300被气泡堵塞。
81.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见上文针对其他实施例的详细描述，此处不再赘述。
82.同时，本技术使用了特定词语来描述本技术的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本技术至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一个替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本技术的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
83.同理，应当注意的是，为了简化本技术披露的表述，从而帮助对一个或多个实施例的理解，前文对本技术实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本技术对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
84.应注意到：相似的标号和字母在本技术的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
85.在本技术的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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，本技术的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
86.在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
87.针对本技术引用的每个专利、专利申请、专利申请公开物和其他材料，如文章、书籍、说明书、出版物、文档等，特此将其全部内容并入本技术作为参考，但与本技术内容不一致或产生冲突的申请历史文件除外，对本技术权利要求最广范围有限制的文件(当前或之后附加于本技术中的)也除外。需要说明的是，如果本技术附属材料中的描述、定义、和/或术语的使用与本技术所述内容有不一致或冲突的地方，以本技术的描述、定义和/或术语的使用为准。

技术特征：
1.一种燃料电池，其特征在于，包括：电池本体；换热流道，设置于所述电池本体；排气流道，设置于所述电池本体；气液离心分离泵，分别与所述换热流道和所述排气流道连通，所述气液离心分离泵用于分离换热介质中的气体，并将分离气体后的换热介质输入所述换热流道、将气体输入所述排气流道。2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述气液离心分离泵包括：壳体；进液管，连接所述壳体和换热介质源，以向所述壳体内部通入换热介质；旋转机构，设置在所述壳体的内部，用于驱动所述壳体内的换热介质旋转，以分离换热介质和气体；出液管，连接所述壳体和所述换热流道，以将分离气体后的换热介质输入所述换热流道；出气管，连接所述壳体和所述排气流道，以将气体输入所述排气流道。3.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述壳体的内部空间为圆柱形，所述旋转机构同轴设置于所述壳体，所述出气管设置在所述壳体的一端，所述出液管设置在所述壳体的侧壁。4.根据权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，所述壳体相对水平方向倾斜设置，所述出气管位于所述壳体的上端。5.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，所述出液管靠近所述壳体的下端。6.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，所述出液管连接于所述壳体在竖直方向上的下侧。7.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，所述壳体的倾斜角度为30
°‑
90
°
。8.根据权利要求2所述燃料电池，其特征在于，所述进液管设置在所述壳体的侧壁，所述进液管的出液方向与所述壳体内换热介质的旋转方向相切。9.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述气液离心分离泵还包括：第一过滤件，设置在所述壳体内，以分隔所述进液管的出口和所述出液管的入口所在的空间，所述第一过滤件的表面具有憎水性。10.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述气液离心分离泵还包括：第二过滤件，设置在所述出气管的入口，所述第二过滤件的表面具有亲水性。

技术总结
本申请涉及一种燃料电池，燃料电池包括电池本体；换热流道，设置于电池本体；排气流道，设置于电池本体；气液离心分离泵，分别与换热流道和排气流道连通，气液离心分离泵用于分离换热介质中的气体，并将分离气体后的换热介质输入换热流道、将气体输入排气流道。本申请提供的技术方案，通过气液离心分离泵将大部分气体从换热介质中分离出来，以降低换热流道中的气泡含量，缓解气泡堵塞换热流道的问题，同时排气流道不仅排走气体，还将气体中夹带的换热介质带走，使得该部分换热介质能够统一集中排放以免污染，或者经排气流道后回到换热介质源中以免浪费。中以免浪费。中以免浪费。


技术研发人员：唐厚闻 邵恒 麦建明 徐一凡 伍兴俊
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：2023.06.07
技术公布日：2023/8/16