CN109728322A - 用于燃料电池的电池单元框架及燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种燃料电池堆，包括：多个电池单元框架，电池单元框架包括反应电池和从反应电池的外周表面延伸的框架，框架设置有垫片插入槽，垫片插入槽沿空气、氢气和冷却水的流动路径持续地延伸以形成闭合曲线；多个隔板单元，隔板单元插入于一对电池单元框架之间并且包括一体地堆叠在一起的阴极隔板和阳极隔板，从而使得空气、氢气和冷却水分别流动；以及垫片，插入到垫片插入槽中以提供电池单元框架与隔板单元之间的气密性。

Description

用于燃料电池的电池单元框架及燃料电池堆
技术领域
本发明涉及一种电池单元框架及使用该电池单元框架的燃料电池堆。
背景技术
通常，作为一种发电装置的燃料电池通过电池堆中的电化学反应将燃料的化学能转换成电能，产生用于诸如便携式装置的小型电子产品的电力，并且产生用于工业、家庭和车辆的驱动电力。近年来，作为高效的清洁能源，燃料电池的使用范围正在逐渐扩大。
特别地，具有诸如相对低的工作温度、快速的启动和响应特性的优点的聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)主要用于为车辆供应驱动力。
PEMFC堆通过堆叠多个单元电池来形成，单元电池包括由阳极、阴极和阳极与阴极之间的聚合物电解质膜构成的膜电极组件(MEA)、气体扩散层(GDL)、被称为双极板的金属隔板和垫片。
膜电极组件通过将电极附接到电解质膜来形成。电解质膜通常由离子导电聚合物制成，该离子导电聚合物需要具有高的离子电导率、在加湿条件下具有高的机械强度、具有低的气体透过率并具有高的热/化学稳定性。
此外，气体扩散层用于精细地扩散从隔板的流动通道引入的氢气和空气以将氢气和空气供应到膜电极组件，支撑催化剂层，并将催化剂层中生成的电子移动到隔板，气体扩散层被堆叠在膜电极组件的上表面和下表面上并用作允许生成的水从催化剂层排出的通道。
近来，为了提高燃料电池堆的制造便利性，已经研发了用于燃料电池的电池单元框架，在该电池单元框架中，膜电极组件和气体扩散层彼此一体成形。
这种电池单元框架能够便于构成燃料电池堆时的燃料电池的堆叠，因此能够提高燃料电池堆的堆叠质量。此外，电池单元框架能够提高燃料电池的性能和耐久性并减少不良的发生。然而，该电池单元框架具有以下问题：与传统燃料电池堆相比，该燃料电池堆的厚度增加，导致体积增加。
因此，需要研发能够保持使用一体式电池单元框架制造的燃料电池堆的气密性同时减小该燃料电池堆的厚度的技术。
上述内容仅旨在帮助理解本发明的背景，而并不旨在表示本发明落入本领域技术人员已知的现有技术的范围。
发明内容
本发明总体涉及一种电池单元框架及使用该电池单元框架的燃料电池堆，电池单元框架被构造成使得膜电极组件和气体扩散层彼此一体地设置。在特定实施例中，本发明涉及一种用于燃料电池的电池单元框架及使用该电池单元框架的燃料电池堆，其中可以减小燃料电池堆的厚度和压差，并且可以便于冷凝水的排放。
本发明是为了解决现有技术中存在的上述问题而提出的，本发明的实施例提供了一种用于燃料电池的电池单元框架及使用该电池单元框架的燃料电池堆，其中电池单元框架被构造成使得膜电极组件和气体扩散层彼此一体成形并且改进与隔板的联接结构，从而减小电池单元框架的厚度并减小燃料电池的体积。
本发明的进一步的实施例提供一种用于燃料电池的电池单元框架及使用该电池单元框架的燃料电池堆，其中电池单元框架被构造成改进反应气体和冷却水的流动结构，从而减小内部压差并有效地排放生成的冷凝水，因此提高燃料电池的耐久性和稳定性。
本发明中实现的技术优点不限于前面提及的技术目的，并且本领域技术人员将从下面的描述理解其他未提及的技术优点。
根据本发明的一方面，一种燃料电池堆包括：多个电池单元框架，电池单元框架包括反应电池和从反应电池的外周表面延伸的框架，框架设置有垫片插入槽，垫片插入槽沿空气、氢气和冷却水的流动路径持续地延伸以形成闭合曲线；多个隔板单元，隔板单元插入于一对电池单元框架之间并且包括一体地堆叠在一起的阴极隔板和阳极隔板，从而使得空气、氢气和冷却水分别流动；以及垫片，插入到垫片插入槽中以提供电池单元框架与隔板单元之间的气密性，该垫片被构造成压缩垫片后垫片的第一表面位于与框架的第一表面相同的线上。
框架可以设置有围绕反应电池的边缘的加强部。
加强部可以形成在空气和氢气不流动的部分。
空气流动通道可以设置在阴极隔板的第一表面上，氢气流动通道可以设置在阳极隔板的第二表面上，并且冷却水流动通道可以设置在阴极隔板与阳极隔板之间。框架可以设置有：多个空气入口，形成在与阴极隔板接触的框架的表面上，空气入口连通空气歧管和空气流动通道；以及多个氢气入口，形成在与阳极隔板接触的框架的表面上，氢气入口连通氢气歧管和氢气流动通道。空气入口和氢气入口分别布置在与空气流动通道和氢气流动通道相同的线上。
框架可以设置有多个冷却水入口，多个冷却水入口形成在与阳极隔板接触的框架的表面上，冷却水入口连通冷却水歧管和冷却水流动通道，并且阳极隔板设置有多个弯曲部，多个弯曲部对应于各个冷却水入口弯曲，从而使得冷却水流向阳极隔板的第一表面。
隔板单元可以设置有多个引导部，多个引导部引导通过各个冷却水入口流入的冷却水流向冷却水流动通道。
根据本发明的另一方面，一种用于燃料电池的电池单元框架包括：反应电池，包括膜电极组件(MEA)和设置在膜电极组件的相对表面中的每个表面上的气体扩散层(GDL)；以及框架，从反应电池的外周表面延伸，该框架的表面上设置有沿空气、氢气和冷却水的流动路径持续地延伸以形成闭合曲线的垫片插入槽，从而垫片被插入到垫片插入槽中。
框架可以设置有围绕反应电池的边缘的加强部。
加强部可以形成在空气和氢气不流动的部分。
框架可以设置有多个空气入口、多个冷却水入口和多个氢气入口，多个空气入口、多个冷却水入口和多个氢气入口在框架的宽度方向上顺序地布置以一起成组设置在框架的相对侧上，其中空气入口和氢气入口分别与反应电池的第一表面和第二表面连通。
根据本发明的实施例，改进了电池单元框架的结构，从而使得氢气和空气直线地流向反应电池的第一表面和第二表面而不偏离，从而减小内部压差并因此提高制造的燃料电池的耐久性和稳定性。
此外，垫片插入槽形成在电池单元框架的表面上，从而组装燃料电池堆时燃料电池堆的厚度可以减小垫片的厚度，从而减小燃料电池的体积并提高燃料电池的性能。
附图说明
本发明的以上和其他目的、特征及其他优点将从以下结合附图描述的具体实施方式中被更清楚地理解，其中：
图1是示出根据本发明的实施例的电池单元框架的立体图；
图2是示出根据本发明的实施例的加强部的沿图1的线A-A'截取的局部剖视图；
图3是示出根据本发明的实施例的燃料电池堆的分解立体图；
图4是示出根据本发明的实施例的隔板单元的局部立体图；
图5是示出根据本发明的实施例的空气入口和空气流动通道的沿图3的线B-B'截取的截面图；
图6是示出根据本发明的实施例的氢气入口和氢气流动通道的沿图3的线D-D'截取的截面图；以及
图7是示出根据本发明的实施例的冷却水入口和冷却水流动通道的沿图3的线C-C'截取的截面图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细地描述本发明的示例性实施例。可以对下面的实施例进行各种改变，并且本发明的范围不限于下面的实施例。在所有附图中，相同的附图标记将表示相同或相似的部件，并且可以通过参考在其他附图中描述的内容在下面的描述中来描述，并且可以省略被确定为对本领域技术人员显而易见或重复的内容。
图1是示出根据本发明的实施例的电池单元框架的立体图。
如图1所示，根据本发明的实施例的电池单元框架100包括：反应电池110，通过氧化还原反应产生电能；以及框架120，从反应电池110的外周表面延伸。
反应电池110包括：膜电极组件(MEA)，由彼此一体设置的电解质膜、阴极电极和阳极电极构成；以及气体扩散层(GDL)，设置在膜电极组件的相对表面中的每个表面上并且允许氢气和空气通过气体扩散层扩散，其中反应电池110允许通过气体扩散层流入膜电极组件中的氢气和空气经历氧化(失去电子)反应和还原(获得电子)反应，从而产生电能。
此处，框架120通过喷射从反应电池110的外周表面延伸而一体地形成。在框架120的第一表面和第二表面中的每个表面设置有垫片插入槽121，垫片插入槽121沿冷却水的流动路径以及由空气和氢气构成的反应气体的流动路径持续地延伸以形成闭合曲线。此处，应注意的是，框架120的第一表面和第二表面是指图1所示的框架的上表面和下表面。
因此，当通过堆叠根据本发明的实施例的多个电池单元框架100、多个垫片和多个隔板来制造燃料电池堆时，每个垫片被插入到垫片插入槽121中，从而燃料电池堆的厚度可以减小插入的垫片的厚度。进一步地，对于相同体积，可以提高燃料电池的功率等性能。
图2是示出根据本发明的实施例的加强部的沿图1的线A-A'截取的局部剖视图。
如图2所示，优选地，根据本发明的实施例的框架120可以设置有围绕反应电池110的边缘的加强部125。
因此，与通过从反应电池110的外周表面延伸而一体形成的传统电池单元框架相比，可以提高反应电池110与电池单元框架100之间的联接力，从而提高制造的电池单元框架100的耐久性。此外，可以使燃料电池堆的堆叠时发生的损坏和破损最小化，从而减少制造的燃料电池的不良并提高制造的燃料电池的使用寿命。
更优选地，根据本发明的实施例的加强部125可以形成在反应气体不流动的部分。
此时，框架120设置有多个空气入口122、多个冷却水入口124和多个氢气入口123，多个空气入口122、多个冷却水入口124和多个氢气入口123在框架120的宽度方向上顺序地布置以一起成组设置在框架120的相对侧上。空气入口122和氢气入口123可以分别与反应电池110的第一表面和第二表面连通。
由于以上结构，反应气体可以在利用根据本发明的实施例的电池单元框架100的燃料电池堆中直线地流动，从而减小燃料电池堆内部的压差。此外，反应气体和反应电池110可以更快地彼此接触，从而提高燃料电池的性能和效率。
图3是示出根据本发明的实施例的燃料电池堆的分解立体图。
如图3所示，根据本发明的实施例的燃料电池堆通过堆叠多个电池单元框架100、多个隔板单元200和多个垫片300来形成，电池单元框架100包括反应电池110和围绕反应电池110的框架120。
根据本发明的实施例的电池单元框架100以与上述相同的方式设置。
图4是示出根据本发明的实施例的隔板单元的局部立体图。
如图4所示，根据本发明的实施例的隔板单元200包括一体地堆叠在一起的阴极隔板210和阳极隔板220，并且隔板单元200位于一对电池单元框架100之间。
根据本发明的实施例，空气流经的空气流动通道201设置在阴极隔板210的第一表面上，氢气流经的氢气流动通道202设置在阳极隔板220的第二表面上，并且冷却水流经的冷却水流动通道203设置在阴极隔板210与阳极隔板220之间。
此处，根据本发明的实施例的框架120可以被构造成在与阴极隔板210接触的框架120的表面上沿长度方向形成连通空气歧管10和空气流动通道201的多个空气入口122，并且在与阳极隔板220接触的框架120的表面上沿长度方向形成连通氢气歧管20和氢气流动通道202的多个氢气入口123，其中各个空气入口122布置在与空气流动通道201相同的线上，并且各个氢气入口123布置在与氢气流动通道202相同的线上。
因此，燃料电池堆被构造成使得从空气歧管10供应的空气通过空气入口122直线地流动到空气流动通道201，并且从氢气歧管20供应的氢气通过氢气入口123直线地流动到氢气流动通道202，从而具有可以减小制造的燃料电池堆内部的压差的效果。
进一步地，根据本发明的实施例的框架120可以设置有多个冷却水入口124，多个冷却水入口124形成在与阳极隔板220接触的框架120的表面上以连通冷却水歧管30和冷却水流动通道203。
此时，阳极隔板220可以设置有多个弯曲部221，多个弯曲部221对应于各个冷却水入口124弯曲，从而冷却水可以流向阳极隔板220的第一表面。
因此，从冷却水歧管30供应的冷却水通过冷却水入口124并通过阳极隔板220的弯曲部221流向设置在阳极隔板220与阴极隔板210之间的冷却水流动通道203。
根据本发明的实施例的隔板单元200可以设置有多个引导部230，多个引导部230弯曲以使通过冷却水入口124流入的冷却水穿过垫片300流向设置在阴极隔板210与阳极隔板220之间的冷却水流动通道203。
因此，反应气体可以直线地流向反应电池110，并且同时，通过冷却水入口124流入的冷却水可以被引导成穿过垫片300而流向冷却水流动通道203。
图5是示出根据本发明的实施例的空气入口和空气流动通道的沿图3的线B-B'截取的截面图，图6是示出根据本发明的实施例的氢气入口和氢气流动通道的沿图3的线D-D'截取的截面图。
如图5所示，当由堆叠在一起的阴极隔板210和阳极隔板220构成的隔板单元200和电池单元框架100被堆叠成使得电池单元框架100位于隔板单元200之间时，通过氢气歧管20和空气歧管10流入的氢气和空气分别通过形成在框架120的侧表面的多个氢气入口123和多个空气入口122直线地流向氢气流动通道202和空气流动通道201。
因此，由于氢气和空气的流动路径上没有形成弯曲部，因此当氢气和空气流动时可以减小压差。因此，可以提高制造的燃料电池堆的耐久性和使用寿命，并且可以进一步提高燃料电池的稳定性和性能。
图7是示出根据本发明的实施例的冷却水入口和冷却水流动通道的沿图3的线C-C'截取的截面图。
如图7所示，根据本发明的实施例，从冷却水歧管30供应且通过冷却水入口124流入的冷却水由引导部230引导以穿过插入到框架120的第一表面和第二表面中的垫片300，然后流向冷却水流动通道203。
尽管为了说明的目的已经描述了本发明的优选实施例，但本领域技术人员将认识到的是，在不脱离所附权利要求书中公开的本发明的范围和实质的情况下，可以进行各种变型、添加和替换。

Claims (14)

1.一种燃料电池堆，包括：
多个电池单元框架，所述电池单元框架包括反应电池和从所述反应电池的外周表面延伸的框架，所述框架设置有垫片插入槽，所述垫片插入槽沿空气、氢气和冷却水的流动路径持续地延伸以形成闭合曲线；
多个隔板单元，所述隔板单元插入于一对所述电池单元框架之间并且包括一体地堆叠在一起的阴极隔板和阳极隔板，从而使得所述空气、所述氢气和所述冷却水分别流动；以及
垫片，插入到所述垫片插入槽中以提供所述电池单元框架与隔板单元之间的气密性，所述垫片被构造成压缩所述垫片后所述垫片的第一表面位于与所述框架的第一表面相同的线上。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述框架设置有围绕所述反应电池的边缘的加强部。
3.根据权利要求2所述的燃料电池堆，其中所述加强部形成在所述空气和所述氢气不流动的部分。
4.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中空气流动通道设置在所述阴极隔板的第一表面上，氢气流动通道设置在所述阳极隔板的第二表面上，并且冷却水流动通道设置在所述阴极隔板与所述阳极隔板之间。
5.根据权利要求4所述的燃料电池堆，其中所述框架设置有：
多个空气入口，形成在与所述阴极隔板接触的所述框架的表面上，所述空气入口连通空气歧管和所述空气流动通道；以及
多个氢气入口，形成在与所述阳极隔板接触的所述框架的表面上，所述氢气入口连通氢气歧管和所述氢气流动通道。
6.根据权利要求5所述的燃料电池堆，其中所述空气入口和所述氢气入口分别布置在与所述空气流动通道和所述氢气流动通道相同的线上。
7.根据权利要求6所述的燃料电池堆，其中所述框架设置有多个冷却水入口，所述多个冷却水入口形成在与所述阳极隔板接触的所述框架的表面上，所述冷却水入口连通冷却水歧管和所述冷却水流动通道。
8.根据权利要求7所述的燃料电池堆，其中所述阳极隔板设置有多个弯曲部，所述多个弯曲部对应于各个冷却水入口弯曲，从而使得所述冷却水流向所述阳极隔板的第一表面。
9.根据权利要求8所述的燃料电池堆，其中所述隔板单元设置有多个引导部，所述多个引导部引导通过各个冷却水入口流入的冷却水流向所述冷却水流动通道。
10.一种用于燃料电池的电池单元框架，包括：
反应电池，包括膜电极组件即MEA和设置在所述膜电极组件的相对表面中的每个表面上的气体扩散层即GDL；以及
框架，从所述反应电池的外周表面延伸，所述框架的表面上设置有沿空气、氢气和冷却水的流动路径持续地延伸以形成闭合曲线的垫片插入槽，从而垫片能够被插入到所述垫片插入槽中。
11.根据权利要求10所述的电池单元框架，其中所述框架设置有围绕所述反应电池的边缘的加强部。
12.根据权利要求11所述的电池单元框架，其中所述加强部形成在所述空气和所述氢气不流动的部分。
13.根据权利要求10所述的电池单元框架，进一步包括垫片，所述垫片被插入到所述垫片插入槽中。
14.根据权利要求10所述的电池单元框架，其中所述框架设置有多个空气入口、多个冷却水入口和多个氢气入口，所述多个空气入口、所述多个冷却水入口和所述多个氢气入口在所述框架的宽度方向上顺序地布置以一起成组设置在所述框架的相对侧上，并且所述空气入口和所述氢气入口分别与所述反应电池的第一表面和第二表面连通。
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