CN100369313C - 质子交换膜燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池堆，燃料电池堆的电流集电器包括一块金属平板和电流引出端子，气体集流板设有一个凹腔，凹腔底部设有一个通孔，在气体集流板的边缘还设有与单极板上的反应气体通孔对应的气体通道，电流集电器的金属平板设在凹腔中并紧贴单极板的集电区，电流引出端子穿过通孔伸出气体集流板外，气体集流板与单极板相接触的部分将电流集电器和反应气体相互隔绝，避免了反应气体中的水份锈蚀电流集电器并污染反应气体的现象；在金属平板与气体集流板凹腔的底壁之间设置弹性垫片，通过设置弹性垫片，使来自端板的压力能由弹性垫片均匀的分配给电流集电器和单极板，从而使得两者的接触电阻最小。

Description

质子交换膜燃料电池堆
一、技术领域
本发明涉及一种燃料电池堆，具体的说是一种质子交换膜燃料电池堆。
二、背景技术
质子交换膜燃料电池堆是一种通过燃料和氧化剂的电化学反应产生电能的装置。该装置的核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，由两张多孔性的气体扩散层和夹在中间的一片质子交换膜组成。在质子交换膜与气体扩散层(如碳纸)的界面上附着有电化学催化剂。
质子交换膜燃料电池堆的另一重要部件是导流极板。两面均与膜电极相连的导流极板，阳极和阴极反应分别在两侧同时发生，称为双极板。一面紧靠电流集电器的导流极板，只有另一面与膜电极相连，反应只在一侧发生，称为单极板。双极板或单极板上含有可供气体(如氢气或空气)流通的通道和冷却剂(如空气或水)流通的通道。
由两块导流极板中间夹持一片膜电极构成一个基本单元一单电池，在燃料电池堆中，都是采用多个单电池以串联的方式组装成一个单电池组，其中单电池组两端最外侧的导流极板为单极板，其它位于中间的导流极板都是双极板。单电池在反应中可提供的电压低于1.0V，燃料电池堆的输出电压是燃料电池堆中所有膜电极电压的总和。现有燃料电池堆的结构如图1所示，在单电池组两端分别依次设有电流集电器、气体集流板和端板，连接杆穿过两端的端板，并通过螺帽将两端板夹紧，在端板上设有使反应气体(燃料和氧化剂)流入及流出单电池组的入口和出口。
当燃料(如氢气)由燃料电池堆的燃料入口进入双极板或单极板的导流槽后，透过气体扩散层(如碳纸)到达催化剂的表面。在催化剂的作用下，氢气发生电化学反应，氢原子失去电子成为正离子(质子)。电子通过多孔性的气体扩散层(如碳纸)和导电双极板/单极板到达用电器，再通过导电双极板/单极板和气体扩散层(如碳纸)到达膜电极另一侧的催化剂表面。在催化剂的作用下，电子与透过气体扩散层(如碳纸)到达催化剂表面的氧化剂(如氧气)和通过质子交换膜到达催化剂表面的质子发生电化学反应，生成反应产物。在氢燃料电池中发生的电化学反应可用以下的反应方程式来表示：
阳极反应：2H2→4H++4e
阴极反应：O2+4H++4e→2H2O
在现有的燃料电池堆中，电流集电器都位于气体集流板的内侧。燃料电池堆在运行过程中，首先对反应气体包括燃料(如氢气)和氧化剂(如空气)进行湿化处理，之后依次经过气体集流板、电流集电器，再进入单极板和双极板的导流孔，到达膜电极参加反应；而部分未参加反应的燃料和氧化剂离开双极板和单极板的导流孔后，经过电流集电器，再经过气体集流板后离开燃料电池堆。由于电流集电器由金属材料制成，被湿化的燃料和氧化剂与电流集电器长时间的接触，会造成电流集电器锈蚀，而锈蚀产生的金属离子会污染反应气体，随反应气体到达膜电极，直接影响到膜电极的反应性能。此外，由于不同材料之间存在电势差，单极板和与之相接触的电流集电器之间即产生接触电阻，该接触电阻比其材料本身的电阻更高，该接触电阻对接触压力非常敏感，接触面越平整，接触压力越均匀，其接触电阻越低，较低的接触电阻有利于燃料电池堆中电流的输出。这就要求单极板和电流集电器之间保持良好的接触，但是现有燃料电池堆是通过收紧连接杆上的螺母，来达到压紧端板固定整个燃料电池堆的目的，由于每根连接杆上螺母松紧程度不同，以及燃料电池堆工作中各部分温度不同，导致在燃料电池堆截面上各部分的松紧程度不一致，从而使单极板和电流集电器之间接触不均匀，致使两者间的接触电阻升高而影响了电流的输出。
三、发明内容
1、发明目的：本发明的目的是提供一种使反应气体不与电流集电器接触，避免反应气体被污染的质子交换膜燃料电池堆，本发明的另一目的是使燃料电池堆中导流极板和电流集电器之间接触更均匀，降低两者间的接触电阻。
2、技术方案：为了实现本发明的第一个目的，本发明所述的一种质子交换膜燃料电池堆，它包括单电池组、电流集电器、气体集流板、端板、连接杆及螺母，所述单电池组包括位于其两端的单极板，在单极板的外侧依次层叠设置电流集电器、气体集流板和端板，连接杆穿过两侧端板上的通孔，并通过旋紧连接杆上的螺母紧固各部件，所述单极板包括位于外表面中间位置的集电区，以及位于集电区周围的反应气体通孔，其特征是：所述电流集电器包括一块金属平板和一个位于金属平板上的电流引出端子，气体集流板相对电流集电器的一面设有一个凹腔，凹腔底部设有一个通孔，在气体集流板的边缘还设有与单极板上的反应气体通孔对应的气体通道，电流集电器的金属平板设在凹腔中并紧贴单极板的集电区，电流引出端子穿过通孔伸出气体集流板外，气体集流板与单极板相接触的部分将电流集电器和反应气体相互隔绝。
在气体集流板位于相对电流集电器的一面设有一个凹腔，该凹腔的容积使其可以容纳电流集电器上的金属平板，金属平板的一侧表面与单极板集电区紧密接触，凹腔底部的通孔则使电流引出端子伸出气体集流板，并通过端板上的开口伸出燃料电池堆外，用以将从单电池组收集的电流引出。在气体集流板上与单极板上的反应气体通孔对应的位置设置气体通道，这种结构的目的一是使不同的反应气体通过气体集流板上各自的气体通道，有序的流进或流出燃料电池堆，另一个目的是将电流集电器置于气体集流板的凹腔中，使电流集电器仅仅与单极板的集电区接触，而气体集流板的凹腔及气体通道周围的平面直接与单极板紧密贴合，不仅密封反应气体的流通通道，同时将电流集电器和反应气体相互隔绝，使两者不产生接触。
为了实现本发明的第二个目的，在电流集电器的金属平板与气体集流板凹腔的底壁之间设置弹性垫片，弹性垫片上设有使电流引出端子穿过的端子通孔。这样使得来自端板的压力能由弹性垫片均匀的分配给电流集电器和单极板，从而使得两者的接触电阻最小。
3、有益效果：本发明具有以下优点：(1)将电流集电器置于气体集流板的凹腔中，使电流集电器仅仅与单极板的集电区接触，而气体集流板的凹腔及气体通道周围的平面直接与单极板紧密贴合，将电流集电器和反应气体相互隔绝，使两者不产生接触，避免了反应气体中的水份锈蚀电流集电器，同时锈蚀产生的金属离子会污染反应气体的现象；(2)通过设置弹性垫片，使来自端板的压力能由弹性垫片均匀的分配给电流集电器和单极板，从而使得两者的接触电阻最小。
四、附图说明
图1是质子交换膜燃料电池堆的结构示意图；
图2是本发明中单极板、电流集电器、气体集流板及端板的分解示意图；
图3是单极板与电流集电器的连接的示意图；
图4是电流集电器、气体集流板及端板结构状态的侧面剖视图。
五、具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1-图4所示所示，本发明所述的一种质子交换膜燃料电池堆，它包括单电池组1、电流集电器2、气体集流板3、端板4、连接杆5及螺母6，所述单电池组1包括位于其两端的单极板7，在单极板7的外侧依次层叠设置电流集电器2、气体集流板3和端板4，连接杆5穿过两侧端板4上的通孔，并通过旋紧连接杆上的螺母6紧固各部件，单极板7与电流集电器接触的一侧包括位于中间位置的集电区71，以及位于集电区71周围的反应气体通孔72，电流集电器2包括一块金属平板21和一个位于金属平板21上的电流引出端子22，气体集流板3相对电流集电器2的一面设有一个凹腔31，凹腔31底部设有一个通孔32，在气体集流板3的边缘还设有与单极板7上的反应气体通孔72对应的气体通道33，其中包括燃料供应管33a，氧化剂供应管33b。组装燃料电池堆时，气体集流板3的气体通道33要和单极板7上的反应气体通孔72重叠一致，以便反应气体能进入及排放。气体集流板3由不透气的、化学稳定性好且不导电的材料制成，如塑料、尼龙或玻璃纤维。电流集电器2的金属平板21设在凹腔31中并紧贴单极板的集电区71，电流引出端子22穿过通孔32伸出气体集流板外，气体集流板3与单极板7相接触的部分将电流集电器2和反应气体相互隔绝。在电流集电器2的金属平板21与气体集流板凹腔31的底壁之间设有弹性垫片8，所述弹性垫片8上设有使电流引出端子22穿过的端子通孔81。弹性垫片8的厚度要比电流集电器2与凹腔底壁之间的距离大一些，以确保压紧后的单极板7和电流集电器2之间有较好的接触。通过设置弹性垫片8，使来自端板4的压力能由弹性垫片8均匀的分配给电流集电器2和单极板7，从而使得两者的接触电阻最小。

Claims (1)

1.一种质子交换膜燃料电池堆，它包括单电池组(1)、电流集电器(2)、气体集流板(3)、端板(4)、连接杆(5)及螺母(6)，所述单电池组(1)包括位于其两端的单极板(7)，在单极板(7)的外侧依次层叠设置电流集电器(2)、气体集流板(3)和端板(4)，连接杆(5)穿过两侧端板(4)上的通孔，并通过旋紧连接杆上的螺母(6)紧固各部件，所述单极板(7)与电流集电器接触的一侧包括位于中间位置的集电区(71)，以及位于集电区(71)周围的反应气体通孔(72)，其特征是：所述电流集电器(2)包括一块金属平板(21)和一个位于金属平板(21)上的电流引出端子(22)，气体集流板(3)相对电流集电器(2)的一面设有一个凹腔(31)，凹腔(31)底部设有一个通孔(32)，在气体集流板(3)的边缘还设有与单极板(7)上的反应气体通孔(72)对应的气体通道(33)，电流集电器(2)的金属平板(21)设在凹腔(31)中并紧贴单极板的集电区(71)，电流引出端子(22)穿过通孔(32)伸出气体集流板外，气体集流板(3)与单极板(7)相接触的部分将电流集电器(2)和反应气体相互隔绝，在电流集电器(2)的金属平板(21)与气体集流板凹腔(31)的底壁之间设有弹性垫片(8)，所述弹性垫片(8)上设有使电流引出端子(22)穿过的端子通孔(81)。
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