CN101485020B - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池，包括至少一个电池单元，该电池单元具有正、负极导流板和膜电极，膜电极位于正、负极导流板之间，其特征在于：所述正、负极导流板的非周边区域对应开有螺栓孔，该螺栓孔内穿有紧固螺栓，所述电池单元的正极导流板与膜电极之间布置有正极导电片，负极导流板与膜电极之间布置有负极导电片，该正、负极导电片和膜电极上对应开有螺栓孔，该螺栓孔内穿有所述紧固螺栓，该正极导流板与正极导电片上分别开有导流孔与空气连通，该负极导流板与负极导电片上分别开有导流孔与燃料室连通。本发明的燃料电池结构简单，内阻小，输出功率大，拆装维护方便，易于小型化，可输出多种电压、电流，使用方便。

Description

燃料电池
技术领域
本发明属于燃料电池，特别涉及质子交换膜燃料电池。
背景技术
燃料电池是将氢气等燃料和空气中氧气等氧化剂的化学能通过电化学反应直接转化为电能的高效洁静发电装置，具有极其广阔的应用前景。燃料电池包括至少一个电池单元，电池单元具有正、负极导流板和膜电极，膜电极位于正、负极导流板之间，膜电极由质子交换膜及附着在其两面上的正、负极构成，其工作原理是：
氢气通过负极导流板到达膜电极的负极解离成质子和电子；质子通过质子交换膜到达膜电极的正极；电子通过负极导流板、负载、正极导流板到达膜电极的正极；氧气通过正极导流板到达膜电极的正极；上述质子、电子、氧气在膜电极的正极复合成水。电极反应和电池反应为：
负极反应：H2＝2H++2e
正极反应：2H++2e+0.5O2＝H2O
电池反应：H2+0.5O2＝H2O
现有燃料电池通常由电池单元层叠构成，采用外框架和端压板将各电池单元压紧。由于外框架位于电池单元的外围，端压板位于燃料电池的两端，不仅结构复杂，拆装不便，更换部件困难，不利于电池维护，而且外框架和端压板占据了燃料电池较大空间，在同样电池外形尺寸下，膜电极的催化活性区域面积相对较小，燃料电池的中部区域也不易压紧，燃料电池内阻大，输出功率小；由于端压板妨碍了空气中的氧气直接扩散到膜电极参与电池正极反应以及燃料电池的反应热直接散发到空气中，需要气泵、风机、风扇、水泵、冷却水板等多种辅助装置，导致燃料电池难于小型化；由于各电池单元层叠串联在一起，燃料电池输出电压、电流单一，使用不便。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种燃料电池，它结构简单，内阻小，输出功率大，可输出多种电压、电流，拆装维护方便，易于小型化，使用方便。
本发明的目的是这样实现的：
一种燃料电池，包括至少一个电池单元，该电池单元具有正、负极导流板和膜电极，膜电极位于正、负极导流板之间，其特征在于：所述正、负极导流板的非周边区域对应开有螺栓孔，该螺栓孔内穿有紧固螺栓。
所述正、负极导流板为绝缘板，所述正、负极导流板的非周边区域是中部区域。
所述正、负极导流板为绝缘板，所述正、负极导流板的非周边区域是中心区域。
所述电池单元的正极导流板与膜电极之间布置有正极导电片，负极导流板与膜电极之间布置有负极导电片，该正、负极导电片和膜电极上对应开有螺栓孔，该螺栓孔内穿有所述紧固螺栓，该正极导流板与正极导电片上分别开有导流孔与空气连通，该负极导流板与负极导电片上分别开有导流孔与燃料室连通。
所述电池单元有一个，所述燃料室由负极导流板背面的凹槽及底盖围成，底盖上开有螺栓孔，该螺栓孔内穿有所述紧固螺栓。
所述电池单元有多个，各电池单元并排布置，各电池单元的燃料室由负极导流板背面的凹槽及底盖围成，底盖上开有螺栓孔，该螺栓孔内穿有所述紧固螺栓，各电池单元的负极导流板连为一体，各电池单元的底盖连为一体，所述燃料室连通，相邻电池单元的正、负极导电片连为一体。
所述电池单元有一对，其负极导流板背对贴靠，所述燃料室由负极导流板背面的凹槽相对扣合构成。
所述电池单元有多对，各对电池单元并排布置，每对电池单元的负极导流板背对贴靠，所述燃料室由负极导流板背面的凹槽相对扣合构成，各对电池单元的燃料室连通，各对电池单元的负极导流板连为一体，相邻两个电池单元的正、负极导电片连为一体。
所述各电池单元的正极导流板连为一体。
所述各对电池单元的正极导流板连为一体。
本发明有以下积极有益效果：
本发明的燃料电池采用中心螺栓紧固方式将正、负极导流板、膜电极和正、负极导电片压紧，正、负极导流板起到了端压板的作用，紧固螺栓位于正、负极导流板和膜电极的中心，燃料电池结构简单，拆装方便，更换部件容易，易于维护；
紧固螺栓只占据了燃料电池较小空间，膜电极催化活性面积相对较大，燃料电池的中部区域也容易压紧，在同样电池外形尺寸下，燃料电池内阻小，输出功率大；
由于没有端压板，正极导流板完全暴露在空气中，其导流孔直接与空气连通，空气中的氧气直接扩散到膜电极参与电池正极反应，燃料电池的反应热直接散发到空气中，无需气泵、风机、风扇、水泵、冷却水板等辅助装置，因而燃料电池易于小型化；
各电池单元的负极导流板连为一体，不仅使燃料电池结构简化，拆装方便，而且使整体强度加大，各电池单元的正极导流板连为一体，不仅使燃料电池结构更加简化，拆装更加方便，而且使整体强度进一步加大；
相邻电池单元的正、负极导电片可以连为一体，无需焊接及其它导电连接件，结构简化，拆装方便。相邻电池单元可以串联或并联(串联时，将相邻电池单元的正、负极导电片连为一体；并联时，将相邻电池单元的正、正极导电片连为一体，负、负极导电片连为一体)，燃料电池的各电池单元可以根据需要方便地进行串联、并联、混联，从而实现多种电压、电流输出，使用方便。
附图概述
图1是本发明实施例一的俯视图。
图2是图1的A-A放大剖视图。
图3是本发明实施例二的俯视图。
图4是图3的B-B放大剖视图。
图5是本发明实施例三的俯视图。
图6是图5的C-C放大剖视图。
图7是本发明实施例四的剖视图。
图8是本发明实施例五的剖视图。
图9是本发明实施例六的剖视图。
本发明的实施例
实施例一
请参照图1、图2，本发明是一种燃料电池，包括一个电池单元10，该电池单元10具有正极导流板11、负极导流板12和膜电极13，膜电极13位于正极导流板11、负极导流板12之间，正极导流板11、负极导流板12的中心对应开有螺栓孔，该螺栓孔内穿有紧固螺栓1。
电池单元10的正极导流板11与膜电极13之间布置有正极导电片14，负极导流板12与膜电极13之间布置有负极导电片15，正极导电片14、负极导电片15和膜电极13的中心对应开有螺栓孔，该螺栓孔内穿有紧固螺栓1，正极导流板11上开有导流孔111，正极导电片14上开有导流孔141，导流孔111、141与空气连通。
负极导流板12上开有导流孔121，负极导电片15上开有导流孔151，导流孔121、151与燃料室3连通。
电池单元10的燃料室3由负极导流板12背面的凹槽122及底盖6围成，底盖6的中心开有螺栓孔。
紧固螺栓1由底盖6中心的螺栓孔向上依次穿过负极导流板12、负极导电片15、膜电极13、正极导电片14、正极导流板11中心的螺栓孔后，由螺母2锁紧。
燃料室3的一侧有燃料进口4，另一侧有燃料出口5。燃料出口5可起排空作用以及连接其它电池单元燃料进口的作用。
正极导流板11、负极导流板12可由塑料板构成，正极导电片14、负极导电片15可由镍片、不锈钢片、镀金铜片等构成，底盖6可由塑料板构成。
本实施例的工作原理是：
氢气燃料由燃料进口4进入燃料室3中，氢气依次通过负极导流板12上的导流孔121、负极导电片15上的导流孔151到达膜电极13的负极解离成质子和电子；质子通过质子交换膜到达膜电极13的正极；电子通过负极导电片15、负载、正极导电片14到达膜电极13的正极；氧气通过正极导流板11上的导流孔111、正极导电片14上的导流孔141到达膜电极的正极；上述质子、电子、氧气在膜电极13的正极复合成水。
本实施例中，正极导流板11、负极导流板12不仅起到了压紧膜电极13、正极导电片14、负极导电片15的作用，而且起到了导热、散热的作用，其导流孔111、121还起到了导气、导水的作用。
正极导电片14、负极导电片15起到了导电作用，其导流孔141、151还起到导气、导水的作用。
本实施例只使用了一根紧固螺栓1贯穿燃料电池的中心，结构简单，拆装方便，更换部件容易，易于维护；紧固螺栓1只占据了燃料电池较小空间，膜电极13的催化活性面积相对较大，燃料电池的中部区域也容易压紧，因而在同样电池外形尺寸下，燃料电池内阻小，输出功率大；由于没有端压板，正极导流板11完全暴露在空气中，其导流孔111直接与空气连通，空气中的氧气直接扩散到膜电极13参与电池正极反应，燃料电池的反应热直接散发到空气中，无需气泵、风机、风扇、水泵、冷却水板等辅助装置，因而燃料电池易于小型化，使用方便。
实施例二
请参照图3、图4，本发明是一种燃料电池，包括两个电池单元10，这两个电池单元10并排布置，每个电池单元10的结构与实施例一相同，每个电池单元10的燃料室3由负极导流板12背面的凹槽122及底盖6围成，这两个电池单元10的负极导流板12连为一体，这两个电池单元10的底盖6连为一体，这两个电池单元10的燃料室3连通，该连通的燃料室一侧有燃料进口4，另一侧有燃料出口5。
负极导流板12连为一体，底盖6连为一体，不仅使燃料电池结构简化，拆装方便，而且使整体强度加大。
本实施例中，第一个电池单元10的正极导电片14与第二个电池单元10的负极导电片15连为一体，从而将这两个电池单元10串联在一起，无需焊接及其它导电连接件，结构简化，拆装方便。
本实施例的工作原理与实施例一相同，不冗述。
实施时，也可以将第一个电池单元10的正极导电片14与第二个电池单元10的正极导电片14连为一体，将第一个电池单元10的负极导电片15与第二个电池单元10的负极导电片15连为一体，从而将这两个电池单元10并联在一起。
实施时，还可以按上述方式将多个电池单元并排布置排列在一起，燃料电池的各电池单元可以根据需要方便地进行串联、并联、混联，从而实现多种电压、电流输出，使用方便。
实施例三
请参照图5、图6，本发明是一种燃料电池，包括两个电池单元10，其结构与实施例二基本相同，所不同的是这两个电池单元10的正极导流板11连为一体，不仅使燃料电池结构更加简化，拆装更加方便，而且使燃料电池整体强度进一步加大。
本实施例的工作原理与实施例一相同，不重述。
实施例四
请参照图7，本发明是一种燃料电池，包括一对电池单元50，它由两个电池单元20、30组成，电池单元30层叠在电池单元20上。
电池单元20具有正极导流板21、负极导流板22和膜电极23，膜电极23位于正极导流板21、负极导流板22之间，正极导流板21、负极导流板22的中心对应开有螺栓孔，该螺栓孔内穿有紧固螺栓1。
正极导流板21与膜电极23之间布置有正极导电片24，负极导流板22与膜电极23之间布置有负极导电片25。
正极导电片24、负极导电片25和膜电极23的中心对应开有螺栓孔，该螺栓孔内穿有所述紧固螺栓1。
正极导流板21上开有导流孔211，正极导电片24上开有导流孔241，导流孔211、241与空气连通。
负极导流板22上开有导流孔221，负极导电片25上开有导流孔251，导流孔221、251与燃料室3连通。
电池单元30具有正极导流板31、负极导流板32和膜电极33，膜电极33位于正极导流板31、负极导流板32之间，正极导流板31、负极导流板32的中心对应开有螺栓孔，该螺栓孔内穿有紧固螺栓1。
正极导流板31与膜电极33之间布置有正极导电片34，负极导流板32与膜电极33之间布置有负极导电片35。
正极导电片34、负极导电片35和膜电极33的中心对应开有螺栓孔，该螺栓孔内穿有所述紧固螺栓1。
正极导流板31上开有导流孔311，正极导电片34上开有导流孔341，导流孔311、341与空气连通。
负极导流板32上开有导流孔321，负极导电片35上开有导流孔351，导流孔321、351与燃料室3连通。
紧固螺栓1向上依次穿过电池单元20的正极导流板21、正极导电片24、膜电极23、负极导电片25、负极导流板22、电池单元30的负极导流板32、负极导电片35、膜电极33、正极导电片34、正极导流板35的中心通孔后，由螺母2锁紧。
负极导流板22的背面有凹槽222，负极导流板32的背面有凹槽322，负极导流板22、32背对贴靠，凹槽222、322相对扣合构成燃料室3，燃料室3的一侧有燃料进口4，另一侧有燃料出口5。
正极导流板21、31以及负极导流板22、32可由塑料板构成，正极导电片24、34以及负极导电片25、35可由镍片、不锈钢片、镀金铜片等构成。
本实施例的工作原理与实施例一相同，不复述。
本实施例只使用了一根紧固螺栓1贯穿燃料电池的中心，结构简单，拆装方便，更换部件容易，易于维护；紧固螺栓1只占据了燃料电池较小空间，膜电极23、33的催化活性面积相对较大，燃料电池的中部区域也容易压紧，因而在同样电池外形尺寸下，燃料电池内阻小，输出功率大；由于没有端压板，正极导流板21、31完全暴露在空气中，其导流孔211、311直接与空气连通，空气中的氧气直接扩散到膜电极23、33参与电池正极反应，燃料电池的反应热直接散发到空气中，无需气泵、风机、风扇、水泵、冷却水板等辅助装置，因而燃料电池易于小型化，使用方便。
实施例五
请参照图8，本发明是一种燃料电池，包括两对电池单元50，每对电池单元50由两个电池单元20、30组成，电池单元30层叠在电池单元20上。每对电池单元50的结构与实施例四相同。
这两对电池单元50的下层两个电池单元20的负极导流板22连为一体，这两对电池单元50的上层两个电池单元30的负极导流板32连为一体，不仅使燃料电池结构简化，拆装方便，而且使燃料电池整体强度加大。
第一对电池单元50的负极导电片25与第二对电池单元50的正极导电片24连为一体，从而将这两对电池单元50的下层两个电池单元20串联在一起，无需焊接及其它导电连接件，结构简化，拆装方便。
第一对电池单元50的正极导电片34与第二对电池单元50的负极导电片35连为一体，从而将这两对电池单元50的上层两个电池单元30串联在一起，无需焊接及其它导电连接件，结构简化，拆装方便。
本实施例的工作原理与实施例一相同，不赘述。
实施时，可以将这两对电池单元50的下层两个电池单元20的正极导电片24连为一体，将这两对电池单元50的下层两个电池单元20的负极导电片25连为一体，从而将这两对电池单元50的下层两个电池单元20并联在一起。将这两对电池单元50的上层两个电池单元30的正极导电片34连为一体，将这两对电池单元50的上层两个电池单元30的负极导电片35连为一体，从而将这两对电池单元50的上层两个电池单元30并联在一起。
实施时，还可以按上述方式将多对电池单元并排布置排列在一起，燃料电池各对电池单元可以根据需要方便地进行串联、并联、混联，从而实现多种电压、电流输出，使用方便。
实施例六
请参照图9，本发明是一种燃料电池，包括两对电池单元50，其结构与实施例五基本相同，所不同的是这两对电池单元50的下层两个电池单元20的正极导流板21连为一体，这两对电池单元50的两个上层电池单元30的正极导流板31连为一体，不仅使燃料电池结构更加简化，拆装更加方便，而且使燃料电池整体强度进一步加大。
本实施例的工作原理与实施例一相同，不再述。

Claims (5)

1.一种燃料电池，包括至少一个电池单元，该电池单元具有正、负极导流板和膜电极，膜电极位于正、负极导流板之间，其特征在于：所述正、负极导流板的非周边区域对应开有螺栓孔，该螺栓孔内穿有紧固螺栓，电池单元的正极导流板与膜电极之间布置有正极导电片，负极导流板与膜电极之间布置有负极导电片，该正、负极导电片和膜电极上对应开有螺栓孔，该螺栓孔内穿有所述紧固螺栓，该正极导流板与正极导电片上分别开有导流孔与空气连通，该负极导流板与负极导电片上分别开有导流孔与燃料室连通，燃料室由负极导流板背面的凹槽及底盖围成，底盖上开有螺栓孔，该螺栓孔内穿有所述紧固螺栓。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：所述正、负极导流板为绝缘板，所述正、负极导流板的非周边区域是中部区域。
3.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：所述正、负极导流板为绝缘板，所述正、负极导流板的非周边区域是中心区域。
4.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：所述电池单元有多个，各电池单元并排布置，各电池单元的负极导流板连为一体，各电池单元的底盖连为一体，所述燃料室连通，相邻电池单元的正、负极导电片连为一体。
5.如权利要求4所述的燃料电池，其特征在于：所述各电池单元的正极导流板连为一体。
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