CN105355941B - 一种燃料电池电堆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池电堆，包括多个单电池层叠而成，所述单电池包括金属双极板、膜电极和密封件，所述金属双极板包括两块尺寸相同的流场板构成的阴极板和阳极板，所述流场板的四边分别设置绝缘套，所述绝缘套设有用于与所述流场板的边缘卡接的卡槽。所述膜电极夹在阴极板和阳极板之间，且被阴极板和阳极板压制，所述阴极板和阳极板上在环绕所述膜电极的四周设置有密封槽，所述密封槽内填充用于密封膜电极四边的密封件。本发明提供的燃料电池电堆能够降低短路风险，提高燃料电池电堆的安全性和可靠性。

Description

一种燃料电池电堆
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，特别是指一种燃料电池电堆。
背景技术
燃料电池是一种将储存在氢燃料和氧化剂(氧气)中的化学能直接转化为电能的装置。基本原理是氢气和氧气(空气)分别发生氧化和还原反应，生成水，产生热能和电能。具有能量转换效率高、低温启动、环境友好、低噪音、安全可靠、比功率和比能量密度高等突出优点。在移动电源、固定电站及交通运输领域都具有良好的应用前景，被认为最具有潜力的解决环境污染、能源危机的有效手段之一，受到国内外政府、车企以及科技工作者的重点关注。
燃料电池电堆通常由多个单电池按照压滤机方式串联而成，单电池包括膜电极、金属双极板及密封件。膜电极位于金属双极板之间，是氢燃料和氧化剂反应的场合，膜电极包括质子交换膜和电极，电极有阴极和阳极，每个电极都包含有催化剂层和气体扩散层，质子交换膜位于阴极和阳极之间。在膜电极的四周设置用于密封膜电极的密封件，防止气体内漏和外泄。金属双极板的作用为支撑膜电极、均匀分配反应气体、收集电流并导出电能以及阻隔反应气等，重量约占据单电池重量的80％。
目前，为了提高电池的重量比功率及体积比功率，金属双极板厚度朝着极薄方向发展，通常只有零点几个毫米。另外，位于两片双极板之间的膜电极厚度也很小，自然状态下即未被压缩时也不会超过1毫米，在组装燃料电池电堆压紧时又会被压缩30％左右。对于大功率电池尤其是车用电池，为了获得合适的功率和电压，电池一般由几百片单电池组成，即有几百片双极板，而且单池活性面积较大，通常有上百平方厘米。因此，组装电池时稍有偏差或者错位，两片双极板或多片双极板会因接触而起短路烧坏双极板，甚至高温熔化密封件和膜电极，引起起火、爆炸等更严重现象。另外，电池使用过程中也会发生密封件变薄、膜电极副圈损坏现象，从而导致电池短路，极其危险。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种燃料电池电堆，能够降低短路风险，提高燃料电池电堆的安全性和可靠性。
基于上述目的本发明提供的燃料电池电堆，包括多个单电池层叠而成，所述单电池包括金属双极板、膜电极和密封件，所述金属双极板包括两块尺寸相同的流场板构成的阴极板和阳极板，所述流场板的四边分别设置绝缘套，所述绝缘套设有用于与所述流场板的边缘卡接的卡槽。
所述膜电极夹在阴极板和阳极板之间，且被阴极板和阳极板压制，所述阴极板和阳极板上在环绕所述膜电极的四周设置有密封槽，所述密封槽内填充用于密封膜电极四边的密封件。
在本发明的一个实施例中，所述绝缘套包括两个侧壁和横板，其中一个侧壁的一端与另一个侧壁的一端通过横板连接形成所述卡槽，所述燃料电池电堆紧缩压紧后，两个侧壁的厚度之和小于或等于所述阴极板边缘至阳极板边缘的距离。
在本发明的另一个实施例中，所述卡槽的形状与流场板边缘形状相吻合，所述卡槽的深度等于流场板的边线至密封件的垂直距离，所述卡槽的开度与流场板的厚度相匹配。
在本发明的另一个实施例中，所述卡槽的横截面为矩形。
在本发明的另一个实施例中，所述绝缘套采用耐受80～100℃的绝缘材料。
可选地，所述绝缘材料为聚四氟乙烯或环氧树脂。
从上面所述可以看出，本发明提供的燃料电池电堆，通过在金属双极板的边缘设置绝缘套，有效地防止金属双极板的接触，降低燃料电池电堆短路风险，提高燃料电池电堆的安全性和可靠性。此外，绝缘套的卡槽尺寸以及侧壁厚度分别与金属双极板的边缘和金属双极板之间的垂直距离匹配良好，既能保证燃料电池电堆的良好密封性，又能保证膜电极的电极与金属双极板的良好接触，避免因接触不良而增加燃料电池内阻，降低电池发电能力。
附图说明
图1为本发明实施例燃料电池的单电池主视图；
图2为本发明实施例单块设有绝缘套的流场板俯视图；
图3为本发明实施例绝缘套主视图；
图4为本发明实施例绝缘套侧视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明实施例提供的燃料电池电堆包括多个单电池层叠而成。参照图1，其为本发明实施例燃料电池的单电池主视图，该单电池5包括：膜电极4、阴极板301、阳极板302以及绝缘套1。所述膜电极4设置在阴极板301和阳极板302之间，阴极板301和阳极板302是由两块尺寸相同的流场板3构成，在每块所述流场板3的四边分别设置绝缘套1。其中，所述阴极板301和阳极板302共同构成金属双极板。
参见图2所示，其为本发明实施例单块设有绝缘套的流场板俯视图，在所述流场板3表面环绕所述膜电极4的四周设置密封件2，所述密封件2被填充于设置在所述流场板3表面的密封槽内，密封件2可以为密封胶或密封圈等，用于密封所述膜电极4四边，防止气体泄漏。本实施例提供的燃料电堆电堆，在金属双极板的边缘设置绝缘套能够防止因金属双极板接触而引起燃料电池电堆的短路，提高燃料电池电堆的安全性和可靠性。由于绝缘套的保护，即使在金属双极板错位或者膜电极边缘损坏情况下，金属双极板也无法因接触而短路。
参照图3所示，其为本发明实施例绝缘套主视图，所述绝缘套1设有用于与流场板3的边缘卡接的卡槽101。作为一个实施例，结合图2所示，所述卡槽101的形状与流场板3的边缘形状相吻合，所述卡槽101的深度等于流场板3的边线至密封件2的垂直距离，使所述绝缘套1能够与密封件2的边缘恰好接触，起到更好的密封效果，所述卡槽101的开度与流场板3的厚度相匹配。
参照图4所示，其为本发明实施例绝缘套侧视图，所述绝缘套1包括两个侧壁102和横板103，其中一个侧壁102的一端与另一个侧壁102的一端通过横板103连接形成所述卡槽101。作为另一个实施例，所述卡槽101的横截面为矩形。
参照图3并结合图1所示，所述燃料电池电堆紧缩压紧后，两个侧壁102的厚度之和小于或等于所述阴极板301边缘至阳极板302边缘的距离。即在燃料电池电堆压紧后，绝缘套1既不能影响膜电极4的电极与金属双极板接触，也不能影响燃料电池电堆的密封。
作为本发明的另一个实施例，所述绝缘套采用能够耐受80～100℃高温的绝缘材料，所述绝缘材料可以为聚四氟乙烯或环氧树脂等，不易老化，使用寿命长。
由此可见，本发明提供的燃料电池电堆，通过在金属双极板的边缘设置绝缘套，有效地防止金属双极板的接触，降低燃料电池电堆短路风险，提高燃料电池电堆的安全性和可靠性。此外，绝缘套的卡槽尺寸以及侧壁厚度分别与金属双极板的边缘和金属双极板之间的垂直距离匹配良好，既能保证燃料电池电堆的良好密封性，又能保证膜电极的电极与金属双极板的良好接触，避免因接触不良而增加燃料电池内阻，降低电池发电能力。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种燃料电池电堆，其特征在于，包括多个单电池层叠而成，所述单电池包括金属双极板、膜电极和密封件，所述金属双极板包括两块尺寸相同的流场板构成的阴极板和阳极板，所述流场板的四边分别设置绝缘套，所述绝缘套设有用于与所述流场板的边缘卡接的卡槽；所述绝缘套包括两个侧壁和横板，其中一个侧壁的一端与另一个侧壁的一端通过横板连接形成所述卡槽，所述燃料电池电堆紧缩压紧后，两个侧壁的厚度之和小于或等于所述阴极板边缘至阳极板边缘的距离；
所述膜电极夹在阴极板和阳极板之间，且被阴极板和阳极板压制，所述阴极板和阳极板上在环绕所述膜电极的四周设置有密封槽，所述密封槽内填充用于密封膜电极四边的密封件。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述卡槽的形状与流场板边缘形状相吻合，所述卡槽的深度等于流场板的边线至密封件的垂直距离，所述卡槽的开度与流场板的厚度相匹配。
3.根据权利要求2所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述卡槽的横截面为矩形。
4.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述绝缘套采用耐受80～100℃的绝缘材料。
5.根据权利要求4所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述绝缘材料为聚四氟乙烯或环氧树脂。
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