CN110265686A - 长寿命与可靠性的金属板燃料电池单池结构及电堆 - Google Patents

长寿命与可靠性的金属板燃料电池单池结构及电堆 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种长寿命与可靠性的金属板燃料电池单池结构及电堆，属于燃料电池技术领域，为解决现有单池结构冷却效果差等问题而设计。本发明金属板燃料电池单池结构包括金属阴极板、阴极密封件、膜电极、阳极密封件和金属阳极板，在金属阴极板和金属阳极板的侧边上至少设置一组冷却剂入口公用通道和冷却剂出口公用通道，相连通的冷却剂入口公用通道和冷却剂出口公用通道分别设置在金属阴极板或金属阳极板上的相对的两个侧边上。本发明长寿命与可靠性的金属板燃料电池单池结构及电堆的冷却剂通过金属阴阳极板传导，可以与不同位置处的燃料及氧化剂相接触、换热，冷却剂能与不同位置处的燃料以及氧化剂发生热交换，调温效果更好，调温效率更高。

Description

长寿命与可靠性的金属板燃料电池单池结构及电堆
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种长寿命与可靠性的金属板燃料电池单池结构以及包括该单池结构的电堆。
背景技术
燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的化学能通过电机上的电催化反应直接转化为电能的发电装置。每个燃料电池由多个发电单池组成，每个发电单池包括依次设置的金属阴极板、阴极密封件、膜电极(MEA)、阳极密封件和金属阳极板，金属阴极板和膜电极(MEA)重叠，通过阴极密封件形成的腔体为氧化剂腔；金属阳极板和膜电极(MEA)重叠，通过阳极密封件形成的腔体为燃料腔；金属阴极板的冷却剂侧与金属阳极板冷却剂侧相对重叠，通过焊接工艺形成一个完整的金属双极板，中间部分形成冷却剂腔。
现有金属阴极板和金属阳极板上都开设有氧化剂进口和出口、燃料进口和出口、以及冷却剂进口和出口，具体的，在金属阴极板或金属阳极板的一侧端头上，会依次设置氧化剂进口、冷却剂进口和燃料进口，或依次设置氧化剂出口、冷却剂出口和燃料出口，冷却效果较差，冷却效率不高。
发明内容
本发明的一个目的在于提出一种冷却效果更好的长寿命与可靠性的金属板燃料电池单池结构。
本发明的另一个目的在于提出一种发电能力更强的电堆。
为达此目的，一方面，本发明采用以下技术方案：
一种长寿命与可靠性的金属板燃料电池单池结构，包括依次设置的金属阴极板、阴极密封件、膜电极、阳极密封件和金属阳极板，所述金属阴极板和所述金属阳极板的一侧端头上分别设置有氧化剂入口公用通道和燃料出口公用通道，另一端上设置有氧化剂出口公用通道和燃料入口公用通道，所述金属阴极板和所述金属阳极板之间形成冷却剂腔，所述金属阴极板与所述膜电极之间形成氧化剂腔，所述金属阳极板与所述膜电极之间形成燃料腔，在所述金属阴极板和所述金属阳极板的侧边上至少设置一组冷却剂入口公用通道和冷却剂出口公用通道，相连通的所述冷却剂入口公用通道和所述冷却剂出口公用通道分别设置在所述金属阴极板或所述金属阳极板上的相对的两个侧边上。
特别是，在所述金属阴极板和所述金属阳极板的相对两侧边上分别设置两个所述冷却剂入口公用通道，每个所述冷却剂入口公用通道设置在侧边上靠近所述氧化剂入口公用通道或所述燃料出口公用通道的位置处；和/或，在所述金属阴极板和所述金属阳极板的相对两侧边上分别设置两个所述冷却剂出口公用通道，每个所述冷却剂出口公用通道设置在侧边上靠近所述氧化剂出口公用通道或所述燃料入口公用通道的位置处。
特别是，所述膜电极中部的厚度大于边沿处的厚度。
特别是，所述阴极密封件和/或所述阳极密封件由硅橡胶或三元乙丙橡胶一体成型。
特别是，所述阴极密封件上对应所述金属阴极板上凹槽的位置处形成凸起结构，和/或，所述阳极密封件上对应所述金属阳极板上凹槽的位置处形成凸起结构，所述凸起结构能嵌入所述凹槽。
特别是，所述金属阴极板和/或所述金属阳极板由316L不锈钢或钛合金冲压形成。
特别是，所述金属阴极板上设置有用于平衡氧化剂流量和流阻的氧化剂分配结构以及用于流通氧化剂的氧化剂流场结构。
特别是，所述金属阳极板上设置有用于平衡燃料流量和流阻的燃料分配结构以及用于流通燃料的燃料流场结构。
另一方面，本发明采用以下技术方案：
一种电堆，包括多个依次设置的上述长寿命与可靠性的金属板燃料电池单池结构，相邻两个所述单池结构的金属阴极板和金属阳极板焊接形成金属双极板。
本发明长寿命与可靠性的金属板燃料电池单池结构的冷却剂入口公用通道和冷却剂出口公用通道分别设置在金属阴极板或金属阳极板的相对侧边上，冷却剂的流通路径分别与燃料的流通路径、氧化剂的流通路径之间存在一定的夹角，冷却剂可以与不同位置处的燃料及氧化剂相接触、换热。相较于现有的将冷却剂进出口设置在燃料进出口与氧化剂进出口之间的结构，本实施方式中的冷却剂能与不同位置处的燃料以及氧化剂发生热交换，调温效果更好；相较于现有的仅有一对冷却剂进出口的结构，本实施方式中的冷却剂流量更大，调温效率更高。
本发明电堆包括多个依次设置的上述单池结构，能与不同位置处的燃料以及氧化剂发生热交换，调温效果更好；燃料和氧化剂流体分布更均匀，反应更充分，有效地提高了燃料电池电堆的功率密度；密封效果良好，有效地提高燃料电池电堆的寿命及可靠性。
附图说明
图1是本发明具体实施方式提供的单池结构的爆炸图；
图2是本发明具体实施方式提供的单池结构的剖视图；
图3是本发明具体实施方式提供的金属阴极板的主视图；
图4是本发明具体实施方式提供的金属阳极板的主视图；
图5是本发明具体实施方式提供的增大冷却剂流通区域面积金属阴极板的主视图；
图6是本发明具体实施方式提供的增大冷却剂流通区域面积金属阳极板的主视图；
图7是本发明具体实施方式提供的阴极密封件的主视图；
图8是本发明具体实施方式提供的阳极密封件的主视图；
图9是本发明具体实施方式提供的膜电极的主视图。
图中：
1、金属阴极板；2、阴极密封件；3、膜电极；4、阳极密封件；5、金属阳极板；6、氧化剂腔；7、燃料腔；8、冷却剂腔；10、氧化剂分配结构；11、氧化剂流场结构；12、氧化剂入口公用通道；14、氧化剂出口公用通道；16、燃料入口公用通道；18、燃料出口公用通道；20、冷却剂入口公用通道；22、冷却剂出口公用通道；27、燃料分配结构；28、燃料流场结构；31、中部；32、边沿。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本实施方式公开一种长寿命与可靠性的金属板燃料电池单池结构以及电堆，电堆包括多个依次设置的单池结构，相邻两个单池结构的金属阴极板和金属阳极板焊接形成金属双极板。在燃料电池中通入氧化剂和燃料，使其充分反应产生电能；并通入冷却剂，使燃料电池电堆的温度分布均匀。
如图1至图7所示，该单池结构包括依次设置的金属阴极板1、阴极密封件2、膜电极3、阳极密封件4和金属阳极板5，上述结构在一定的压力作用下组成单池结构。
其中，金属阴极板1和金属阳极板5为结构相似、功能相同的两块金属极板。金属阴极板1的两侧分别为氧化剂流场侧和冷却剂流场侧，金属阳极板5的两侧分别为燃料流场侧和冷却剂流场侧。具体的，在金属阴极板1和金属阳极板5的一侧端头上分别设置有氧化剂入口公用通道12和燃料出口公用通道18，另一端上设置有氧化剂出口公用通道14和燃料入口公用通道16，氧化剂入口公用通道12和氧化剂出口公用通道14相连通且两者位于斜对角线上，燃料入口公用通道16和燃料出口公用通道18相连通且两者位于斜对角线上。图3至图6中，虚线内为冷却液流通区域，相比于现有技术，该冷却液流通区域面积更大，冷却效果更好。
金属阴极板1的冷却剂侧与金属阳极板5的冷却剂侧相对重叠，焊接形成金属双极板，在金属阴极板1和金属阳极板5之间形成冷却剂腔8。金属阴极板1与膜电极3相重叠，金属阴极板1、阴极密封件2和膜电极3之间形成氧化剂腔6。金属阳极板5与膜电极3相重叠，金属阳极板5、膜电极3和阳极密封件4之间形成燃料腔7。各个腔室互相之间独立，氧化剂和燃料通过膜电极3发生反应，从而产生电能，反应过程安全、高效。优选的，在金属阴极板1上形成阴极密封结构，在金属阳极板5上形成阳极密封结构，通过密封结构安装密封件，从而分隔燃料、氧化剂和冷却剂，并且密封燃料腔、氧化剂腔和冷却剂腔。
在金属阴极板1和金属阳极板5的相对两侧边上分别设置两个冷却剂入口公用通道20，每个冷却剂入口公用通道20设置在侧边上靠近氧化剂入口公用通道12或燃料出口公用通道18的位置处。在金属阴极板1和金属阳极板5的相对两侧边上分别设置两个冷却剂出口公用通道22，每个冷却剂出口公用通道22设置在侧边上靠近氧化剂出口公用通道14或燃料入口公用通道16的位置处。相连通的冷却剂入口公用通道20和冷却剂出口公用通道22分别设置有金属阴极板1或金属阳极板5上的相对的两个侧边上，冷却剂的流通路径分别与燃料的流通路径、氧化剂的流通路径之间存在一定的夹角，冷却剂通过金属阴阳极板传导可以与不同位置处的燃料及氧化剂相接触、换热，调温效果好。相较于现有的将冷却剂进出口设置在燃料进出口与氧化剂进出口之间的结构，本实施方式中的冷却剂能与不同位置处的燃料以及氧化剂发生热交换，调温效果更好；相较于现有的仅有一对冷却剂进出口的结构，本实施方式中的冷却剂流量更大，调温效率更高。
阴极密封件2和阳极密封件4由硅橡胶或三元乙丙橡胶等材质一体成型。阴极密封件2上对应金属阴极板1上非活性区的凹槽位置处形成凸起结构以填充凹槽，阳极密封件4上对应金属阳极板5上非活性区的凹槽位置处形成凸起结构以填充凹槽，使单池结构更紧凑，密封效果更好。
金属阴极板1和金属阳极板5由316L不锈钢或钛合金冲压形成。
金属阴极板1上设置有氧化剂分配结构10和氧化剂流场结构11，其中，氧化剂分配结构10用于平衡氧化剂流量和流阻，令氧化剂分配更均匀；氧化剂流场结构11用于流通氧化剂，且氧化剂在此区域与燃料通过膜电极3反应，产生电能。
金属阳极板5上设置有燃料分配结构27和燃料流场结构28，其中，燃料分配结构27用于平衡燃料流量和流阻，令燃料分配更均匀；燃料流场结构28用于流通燃料，且燃料在此区域与氧化剂通过膜电极3反应，产生电能。
如图7所示，膜电极3的中部31的厚度大于边沿32处的厚度。中部31对应阴极密封件2和阳极密封件4中部通孔的位置，加厚的结构可以避免燃料和氧化剂长时间在此处发生反应导致膜电极3破损的问题；边沿32处较薄，减少加工耗材量，降低加工成本，降低单池结构整体的重量和体积。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种长寿命与可靠性的金属板燃料电池单池结构，包括依次设置的金属阴极板(1)、阴极密封件(2)、膜电极(3)、阳极密封件(4)和金属阳极板(5)，所述金属阴极板(1)和所述金属阳极板(5)的一侧端头上分别设置有氧化剂入口公用通道(12)和燃料出口公用通道(18)，另一端上设置有氧化剂出口公用通道(14)和燃料入口公用通道(16)，所述金属阴极板(1)和所述金属阳极板(5)之间形成冷却剂腔(8)，所述金属阴极板(1)与所述膜电极(3)之间形成氧化剂腔(6)，所述金属阳极板(5)与所述膜电极(3)之间形成燃料腔(7)；其特征在于，在所述金属阴极板(1)和所述金属阳极板(5)的侧边上至少设置一组冷却剂入口公用通道(20)和冷却剂出口公用通道(22)，相连通的所述冷却剂入口公用通道(20)和所述冷却剂出口公用通道(22)分别设置在所述金属阴极板(1)或所述金属阳极板(5)上的相对的两个侧边上。
2.根据权利要求1所述的长寿命与可靠性的金属板燃料电池单池结构，其特征在于，在所述金属阴极板(1)和所述金属阳极板(5)的相对两侧边上分别设置两个所述冷却剂入口公用通道(20)，每个所述冷却剂入口公用通道(20)设置在侧边上靠近所述氧化剂入口公用通道(12)或所述燃料出口公用通道(18)的位置处；和/或，
在所述金属阴极板(1)和所述金属阳极板(5)的相对两侧边上分别设置两个所述冷却剂出口公用通道(22)，每个所述冷却剂出口公用通道(22)设置在侧边上靠近所述氧化剂出口公用通道(14)或所述燃料入口公用通道(16)的位置处。
3.根据权利要求1所述的长寿命与可靠性的金属板燃料电池单池结构，其特征在于，所述膜电极(3)中部(31)的厚度大于边沿(32)处的厚度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的长寿命与可靠性的金属板燃料电池单池结构，其特征在于，所述阴极密封件(2)和/或所述阳极密封件(4)由硅橡胶或三元乙丙橡胶一体成型。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的长寿命与可靠性的金属板燃料电池单池结构，其特征在于，所述阴极密封件(2)上对应所述金属阴极板(1)上凹槽的位置处形成凸起结构，和/或，所述阳极密封件(4)上对应所述金属阳极板(5)上凹槽的位置处形成凸起结构，所述凸起结构能嵌入所述凹槽。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的长寿命与可靠性的金属板燃料电池单池结构，其特征在于，所述金属阴极板(1)和/或所述金属阳极板(5)由316L不锈钢或钛合金冲压形成。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的长寿命与可靠性的金属板燃料电池单池结构，其特征在于，所述金属阴极板(1)上设置有用于平衡氧化剂流量和流阻的氧化剂分配结构(10)以及用于流通氧化剂的氧化剂流场结构(11)。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的长寿命与可靠性的金属板燃料电池单池结构，其特征在于，所述金属阳极板(5)上设置有用于平衡燃料流量和流阻的燃料分配结构(27)以及用于流通燃料的燃料流场结构(28)。
9.一种电堆，其特征在于，包括多个依次设置的如权利要求1至8中任一项所述的金属板燃料电池单池结构，相邻两个所述单池结构的金属阴极板(1)和金属阳极板(5)焊接形成金属双极板。
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