CN110299542A - 一种燃料电池单元、燃料电池电堆、燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种燃料电池单元，包括有两个并联的子电池，两个并联的子电池共用一个阳极板，在该阳极板两侧为两个并联的子电池的膜电极，阳极板在朝向第一膜电极的第一侧面形成多个第一阳极气体槽道，朝向第二膜电极的第二侧面形成多个第二阳极气体槽道，阳极板第一、第二侧面之间形成双侧供气结构以允许位于阳极板两侧的第一阳极气体槽道、第二阳极气体槽道的阳极气体可以互通。本发明还提供一种燃料电池电堆、燃料电池与新能源汽车。采用本发明提供的燃料电池单元，燃料电池结构紧凑，且热交换效果好。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池领域，具体涉及一种燃料电池单元、燃料电池电堆、燃料电池与新能源汽车。
背景技术
燃料电池是将“燃料气体”的化学能直接转化为直流电能的能量转换器。在乘用车等应用场景中，燃料电池的比功率(体功率密度) 是关键参数之一。随着燃料电池技术的发展，极板的材质从石墨逐渐变为金属，单电池的厚度逐渐变薄。引入超薄金属双极板以后，燃料电池厚度仍能减小，大大提高了燃料电池的比功率。但在保持目前燃料电池结构的前提下，进一步从提高燃料电池的紧凑性的途径提高其比功率存在困难。
如图1所述的现有技术中的燃料电池电堆，包括多个子电池单元串联层叠设置，每个子电池均包括对应设置的阳极板10和阴极板20，阳极板10和阴极板20之间夹置有膜电极30。但现有技术存在结构不紧凑，功率密度低等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种紧凑化的燃料电池单元，提高燃料电池的比功率。
本发明提供一种燃料电池单元，包括有两个并联的子电池，两个并联的子电池共用一个阳极板，在该阳极板两侧为所述两个并联的子电池的膜电极，即第一膜电极和第二膜电极，所述共用阳极板在朝向所述第一膜电极的第一侧面形成多个第一阳极气体槽道，朝向所述第二膜电极的第二侧面形成多个第二阳极气体槽道，所述第一阳极气体槽道和所述第二阳极气体槽道依次交错间隔形成，且所述阳极板第一、第二侧面之间形成双侧供气结构以允许位于阳极板两侧的第一阳极气体槽道、第二阳极气体槽道的阳极气体可以互通。
进一步地，所述阳极板为多孔板，所述双侧供气结构为形成在所述阳极板第一、第二侧面之间的多个通孔。
进一步地，所述多个通孔开设在所述第一阳极气体槽道和所述第二阳极气体槽道之间的隔壁上。
进一步地，所述第一阳极气体槽道或第二阳极气体槽道均包括顶壁，相对设置的第一隔壁和第二隔壁，所述第一隔壁形成第一通孔，第二隔壁形成有第二通孔，所述顶壁上形成有第三通孔。
进一步地，所述第一隔壁、第二隔壁和顶壁形成一突脊结构。
进一步地，所述第一阳极气体槽道或第二阳极槽道具有矩形或正梯形或倒梯形或正等腰三角形或倒等腰三角形横截面。
进一步地，所述阳极板为多孔方波波形板。
进一步地，所述燃料电池单元还包括阴极板，在所述第一膜电极背向所述阳极板的另一侧的为第一阴极板，在所述第二膜电极背向所述阳极板另一侧的为第二阴极板，所述第一阴极板间隔交错的形成第一阴极气体槽道和第一冷却水槽道，所述第二阴极板间隔交错的形成第二阴极气体槽道和第二冷却水槽道。
进一步地，所述第一、第二阴极气体槽道，第一、第二冷却水槽道和所述第一、第二阳极气体槽道方向相同。
进一步地，所述阴极气体槽道和所述阳极气体槽道的深度相同。
进一步地，所述第一阳极气体槽道与所述第一阴极气体槽道相对应，所述第二阳极气体槽道与所述第二阴极气体槽道相对应。
采用本发明提供的燃料电池单元，采用两个并联的子电池共用一个阳极板，利用氢气扩散传质能力强这一特点，在阳极板第一、第二侧面之间形成双侧供气结构以允许位于阳极板两侧的第一阳极气体槽道、第二阳极气体槽道的阳极气体可以互通，从而构造了一个紧凑型的燃料电池结构。其中，阳极板采用多孔板，不仅可以支撑膜电极，增强结构的强度，同时能够使反应气体流动过程中产生垂直于膜电极的速度场，强化传质。
本发明提供一种燃料电池电堆，可以降低电堆的体积。
本发明提供一种燃料电池电堆，其包括多个本发明所述的燃料电池单元，多个燃料电池单元串联层叠设置，相邻的燃料电池单元之间设置绝缘垫片。
对于采用超薄金属双极板的燃料电池，影响其厚度的主要因素在于流道的高度。若忽略膜电极厚度，并假设阴阳极气体流道深度相同，则传统两片单电池的厚度大约为流道深度的4倍，而采用本发明的燃料电池电堆的结构，实现相同功率输出，仅需一个电池单元即可，其厚度大约为流道深度的3倍。因此，相比于传统结构组成的电堆，采用本发明燃料电池电堆的结构，实现相同功率的输出，电堆体积可降低约25％。
本发明还提供一种燃料电池，其设有发明所述的燃料电池电堆。
本发明还提供一种新能源汽车，其设有发明所述的的燃料电池。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示意性示意出本发明背景技术中现有技术中的燃料电池电堆的结构示意图；
图2示意性示意出本发明实施例给出的燃料电池单元的爆炸示意图。
图3示意性示意出图2的A部位放大图；
图4示意性示意出本发明实施例给出的燃料电池单元的结构示意图；
图5示意性示意出本发明实施例给出的燃料电池电堆的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种燃料电池单元，包括有两个并联的子电池，两个并联的子电池共用一个阳极板，在该阳极板两侧为两个并联的子电池的膜电极，阳极板在朝向第一膜电极的第一侧面形成多个第一阳极气体槽道，朝向第二膜电极的第二侧面形成多个第二阳极气体槽道，阳极板第一、第二侧面之间形成双侧供气结构以允许位于阳极板两侧的第一阳极气体槽道、第二阳极气体槽道的阳极气体可以互通。本发明还提供一种燃料电池电堆、燃料电池与新能源汽车。采用本发明提供的燃料电池单元，燃料电池结构紧凑，且热交换效果好。
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
实施例1
参照图2至图4，本实施例提供一种燃料电池单元，包括有两个并联的子电池，两个并联的子电池共用一个阳极板1，在该阳极板1 两侧为两个并联的子电池的膜电极，即第一膜电极11和第二膜电极 12，共用阳极板1在朝向第一膜电极11的第一侧面形成多个第一阳极气体槽道13，朝向第二膜电极12的第二侧面形成多个第二阳极气体槽道14，第一阳极气体槽道13和第二阳极气体槽道14依次交错间隔形成，且阳极板1第一、第二侧面之间形成双侧供气结构以允许位于阳极板1两侧的第一阳极气体槽道13、第二阳极气体槽道14的阳极气体可以互通。
采用本发明实施例1提供的燃料电池单元，采用两个并联的子电池共用一个阳极板1，在氢氧(空)燃料电池中，利用氢气扩散传质能力强这一特点，在阳极板1第一、第二侧面之间形成双侧供气结构以允许位于阳极板1两侧的第一阳极气体槽道13、第二阳极气体槽道14的阳极气体可以互通，从而构造了一个紧凑型的燃料电池结构。
为了实现阳极气体更好的传质效果，该阳极板1为多孔板，双侧供气结构为形成在阳极板1第一、第二侧面之间的多个通孔。具体的，所述多个通孔开设在第一阳极气体槽道13和第二阳极气体槽道14 之间的隔壁上。具体的，所述多个通孔还开设在第一阳极气体槽道 13的顶部和开设在第二阳极气体槽道14的顶部。此处，第一阳极气体槽道13的顶部是指阳极板1朝向第一膜电极11一侧的板面，第二阳极气体槽道14的顶部是指阳极板1朝向第二膜电极12一侧的板面。
阳极板1采用多孔板，不仅可以支撑膜电极，增强结构的强度，同时能够使反应气体流动过程中产生垂直于膜电极的速度场，强化传质。
作为本实施例的具体实施方式，所述第一阳极气体槽道13或第二阳极气体槽道14均包括顶壁17(即第一阳极气体槽道13的顶部和第二阳极气体槽道14的顶部)，相对设置的第一隔壁18和第二隔壁19，第一隔壁18形成第一通孔21，第二隔壁19形成有第二通孔 22，顶壁17上形成有第三通孔23。具体的，所述第一隔壁18、第二隔壁19和顶壁17形成一突脊结构，如此不但强化传热效果，还可以增强强度。具体的，所述第一阳极气体槽道13或第二阳极槽道具有矩形或正梯形或倒梯形或正等腰三角形或倒等腰三角形横截面。可见，第一阳极气体槽道13和第二阳极气体槽道14可以的不同形状的横截面，其均能实现阳极板1两侧面的反应气体互通，本实施例阳极板1为多孔方波波形板。
进一步的，所述燃料电池单元还包括阴极板，在第一膜电极11 背向阳极板1的另一侧的为第一阴极板31，在第二膜电极12背向所述阳极板1另一侧的为第二阴极板32，第一阴极板31间隔交错的形成第一阴极气体槽道33和第一冷却水槽道35，第二阴极板32间隔交错的形成第二阴极气体槽道34和第二冷却水槽道36。这样有利于强化换热。当然还可以进一步优化的，所述第一阴极气体槽道33、第二阴极气体槽道34，第一冷却水槽道35、第二冷却水槽道36和第一阳极气体槽道13、第二阳极气体槽道14方向相同；第一阴极气体槽道33、第二阴极气体槽道34和第一阳极气体槽道13、第二阳极气体槽道14的深度相同；所述第一阳极气体槽道13与所述第一阴极气体槽道33相对应，所述第二阳极气体槽道14与第二阴极气体槽道 34相对应。这些措施均能进一步提升换热效果。
由此，本发明实现了在一片单电池中配置两块膜电极的方案，构造了一种紧凑型燃料电池结构。利用阳极板双侧的供气同时满足两个膜电极的气体消耗。而进一步优化阳极板为多孔结构，不仅可以支撑膜电极，同时能够使反应气体流动过程中产生垂直于膜电极的速度场，强化传质。使得燃料电池结构更加紧凑，提高了电池的功率密度。
实施例2
参照图5，本实施例提供一种燃料电池电堆，包括多个实施例1 所述的燃料电池单元串联层叠设置，相邻的燃料电池单元之间设置绝缘垫片4。
实施例3
本实施例提供一种燃料电池，其设有实施例2所述的燃料电池电堆。
采用本发明燃料电池结构的燃料电池，本发明所述的紧凑电池结构与传统结构的对比(传统结构中两个子电池串联，电压为单个子电池的两倍，电流与单个子电池相同，而在紧凑结构中，两个子电池并联，电流为单个子电池的两倍，电压与单个子电池相同)。两种结构的输出功率相同。
实施例4
本实施例一种新能源汽车，其设有实施例3所述的燃料电池。
燃料电池是将“燃料气体”的化学能直接转化为直流电能的能量转换器。在乘用车等应用场景中，燃料电池的比功率(体功率密度) 是关键参数之一，比功率越高意味着较高的续航里程和效率。随着燃料电池技术的发展，极板的材质从石墨逐渐变为金属，单电池的厚度逐渐变薄。引入超薄金属双极板以后，燃料电池厚度仍能减小。但在保持目前燃料电池结构的前提下，进一步提高比功率存在困难。在氢氧(空)燃料电池中，阳极氢气的扩散能力较强，一般不存在较大的传质阻力。本发明的燃料电池的改进，利用氢气扩散传质能力强这一特点，使阳极板第一、第二侧面之间形成双侧供气结构以允许位于阳极板两侧的第一阳极气体槽道、第二阳极气体槽道的阳极气体可以互通，过实现了燃料电池进行紧凑化设计及新能源汽车的使用。
综上：
由于本发明燃料电池单元包含两个并联的子电池，它们共用一个阳极板。尤其当优化阳极板上有强度孔，还能够增强结构强度，同时允许极板两面的反应气体互通得到一举两得的效果。而阳极板脊背部分开孔，更有利于增加有效活性区域面积。
当采用本发明的新型紧凑结构电池单元串联组成电堆，每个单元之间由绝缘垫片组成，其中还会流通冷却水。在实际操作过程中，由于相邻两个单电池之间电位差不超过一个电池单元的开路电压，因此对绝缘垫片的厚度要求并不高(初步估计，大约0.1mm的厚度即可满足要求，因此，基本可以忽略因增加绝缘垫片而导致的电堆厚度的增加)。而对于采用超薄金属双极板的燃料电池，影响其厚度的主要因素在于流道的高度。若忽略膜电极厚度，并优选阴阳极气体流道深度相同，则传统两片单电池的厚度大约为流道深度的4倍，而采用本发明所述结构，实现相同功率输出，仅需一个电池单元即可，其厚度大约为流道深度的3倍。相比于传统结构组成的电堆，采用本发明所述结构，实现相同功率的输出，电堆体积可降低约25％。具有非常好的技术效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.燃料电池单元，包括有两个并联的子电池，其特征在于：两个并联的子电池共用一个阳极板，在该阳极板两侧为所述两个并联的子电池的膜电极，即第一膜电极和第二膜电极，所述共用阳极板在朝向所述第一膜电极的第一侧面形成多个第一阳极气体槽道，朝向所述第二膜电极的第二侧面形成多个第二阳极气体槽道，所述第一阳极气体槽道和所述第二阳极气体槽道依次交错间隔形成，且所述阳极板第一、第二侧面之间形成双侧供气结构以允许位于阳极板两侧的第一阳极气体槽道、第二阳极气体槽道的阳极气体可以互通。
2.如权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，所述阳极板为多孔板，所述双侧供气结构为形成在所述阳极板第一、第二侧面之间的多个通孔。
3.如权利要求2所述的燃料电池单元，其特征在于，所述多个通孔开设在所述第一阳极气体槽道和所述第二阳极气体槽道之间的隔壁上。
4.如权利要求1-3任一项所述的燃料电池单元，其特征在于，所述第一阳极气体槽道或第二阳极气体槽道包括相对设置的第一隔壁和第二隔壁，所述第一隔壁形成第一通孔，第二隔壁形成有第二通孔。
5.如权利要求4所述的燃料电池单元，其特征在于，所述第一阳极气体槽道或第二阳极气体槽道还包括顶壁或底壁，所述顶壁或底壁上形成有第三通孔。
6.如权利要求5所述的燃料电池单元，其特征在于，所述第一隔壁、第二隔壁和顶壁/底壁形成一突脊结构。
7.如权利要求6燃料电池单元，其特征在于，所述第一阳极气体槽道或第二阳极槽道具有矩形或正梯形或倒梯形或正等腰三角形或倒等腰三角形横截面。
8.如权利要求7所述的燃料电池单元，其特征在于，所述阳极板为多孔方波波形板。
9.如权利要求1-8任一项所述的燃料电池单元，其特征在于，所述燃料电池单元还包括阴极板，在所述第一膜电极背向所述阳极板的另一侧的为第一阴极板，在所述第二膜电极背向所述阳极板另一侧的为第二阴极板，所述第一阴极板间隔交错的形成第一阴极气体槽道和第一冷却水槽道，所述第二阴极板间隔交错的形成第二阴极气体槽道和第二冷却水槽道。
10.如权利要求9所述的燃料电池单元，其特征在于，所述第一、第二阴极气体槽道，第一、第二冷却水槽道和所述第一、第二阳极气体槽道方向相同。
11.如权利要求9或10所述的燃料电池单元，其特征在于，所述阴极气体槽道和所述阳极气体槽道的深度相同。
12.如权利要求9或10所述的燃料电池单元，其特征在于，所述第一阳极气体槽道与所述第一阴极气体槽道位置相对应，所述第二阳极气体槽道与所述第二阴极气体槽道位置相对应。
13.燃料电池电堆，其特征在于，包括多个权利要求1至12任一项所述的燃料电池单元串联层叠设置，相邻的燃料电池单元之间设置绝缘垫片。
14.燃料电池，其特征在于，其设有权利要求13所述的燃料电池电堆。
15.新能源汽车，其特征在于，其设有权利要求14所述的燃料电池。
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