CN110444784A - 一种燃料电池电堆及具有其的燃料电池电堆 - Google Patents

一种燃料电池电堆及具有其的燃料电池电堆 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池电堆，设有一个或多个叠置在一起的电池单元，每一个电池单元由膜电极和具有正反两面的单极板组成；与现有技术相比，该结构进一步地提高了燃料电池的紧凑性，同时还通过冷却介质通道的实际，解决了现有技术存在的燃料电池高功率下电池冷却不够、不及时的问题，也一定程度上提高了换热的均匀性。

Description

一种燃料电池电堆及具有其的燃料电池电堆
技术领域
本发明涉及电池领域，具体涉及一种燃料电池及具有其的燃料电池电堆。
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。目前常规的金属双极板质子交换膜燃料电池(氢燃料电池)的基本结构，包含了膜电极、氧气通道、氢气通道和冷却水通道，其中两块单极板焊接在一起成为双极板，双极板两侧分别流动氢气和氧气，中间形成的通道流动冷却介质。显然，电池厚度取决于反应气体通道高度、冷却介质通道高度，可通过优化通道几何结构提高燃料电池的紧凑性。
在现有技术中，在常规结构的基础上进行了改进，将中间一块双极板替换为单极板，极板两侧分别流动氢气和氧气，中间电池的冷却依靠相邻电池的冷却介质通道进行，大大提高了燃料电池的紧凑型。但该结构可能存在中间电池冷却不够、不及时的风险。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种燃料电池电堆，设有一个或多个叠置在一起的电池单元，每一个电池单元由膜电极和具有正反两面的单极板组成；该结构进一步地提高了燃料电池的紧凑性，同时通过垂直于燃料电池平面的换热通道实现解决了存在的电池冷却不够、不及时的问题。
本发明提供了一种燃料电池电堆，设有一个或多个叠置在一起的电池单元，每一个电池单元由膜电极和具有正反两面的单极板组成；其中：
单极板正面形成有多个间隔设置的第一凹槽，多个第一凹槽之间均形成有第一凸起；第一凸起和第一凹槽间隔交错排列；单极板反面形成有多个间隔设置的第二凹槽，多个第二凹槽之间均形成有第二凸起；第二凸起和第二凹槽间隔交错排列；第一凹槽、第一凸起与第二凹槽、第二凸起分别从单极板的一端延伸到另一端；单极板正面的第一凹槽底面即单极板反面的第二凸起顶面，单极板反面的第二凹槽底面即单极板正面的第一凸起顶面；可以使用具有该结构的单极板替换常规燃料电池结构中的双极板，在保证燃料电池正常工作的同时，大大提高了燃料电池电堆的紧凑性；
多个电池单元叠置在一起时膜电极和单极板间隔交错；单极板正面的第一凹槽与其对应的膜电极形成阴极气体通道；单极板反面的第二凹槽与其对应的膜电极形成阳极气体通道；阳极气体通道和阴极气体通道沿所述单极板间隔交错排列；膜电极两侧的单极板对向设置，每一膜电极两侧的单极板所形成的阳极通道、阴极气体通道位置对应，且沿所述电池单元层叠方向交错间隔排列；使用该单极板作为反应气体的分隔板的电池结构，相比于现有常规燃料电池结构，燃料电池电堆的厚度能大约降低一半，使得燃料电池结构更加紧凑，提高了电池的功率密度；
电池单元形成有交错贯通单极板、阳极气体通道、膜电极、阴极气体通道的通孔；通孔在电池单元叠置方向形成一冷却介质通道；冷却介质通道会交叉性的穿过阳极气体通道、阴极通道和膜电极。
进一步地，冷却介质通道由各电池单元的通孔依次插接在一起形成密封的通道，冷却介质直接在该冷却介质通道中流通，需要保证冷却介质通道与单极板、膜电极接触的地方精准、可靠密封，从而保证反应气体不会泄漏、互串。
进一步地，在冷却介质通道中穿插一冷却介质管，冷却介质在冷却介质管中流通，带走燃料电池电堆反应过程中产生的部分热量。冷却介质管道如采用金属管道，换热效果较好，但须保证管道与极板相接触的地方良好绝缘，以免在电池内部形成短路。
进一步地，在膜电极两侧对向设置的单极板，一侧的单极板是正面贴靠膜电极，另一侧的单极板是反面贴靠膜电极，正面贴靠膜电极的单极板其第一凸起顶部与膜电极贴靠在一起，反面贴靠膜电极的单极板其第二凹槽底部与膜电极贴靠在一起，所述通孔从所述第一凸起顶部、第二凹槽底部与膜电极接触对应的位置穿过。
进一步地，冷却介质通道垂直单极板及膜电极设置，保证了换热效果。
进一步地，冷却介质通道间隔的设有多列，每一列设有多个冷却通道，每一列的多个冷却介质通道沿第一凸起、第二凹槽延伸方向间隔分布，解决了燃料电池高功率下的换热问题，提高了换热的均匀性。
本发明还提供了一种燃料电池，其设上述任一项燃料电池电堆。
本发明还提供了一种新能源汽车，其设有上述任一项燃料电池。
本发明提供的一种燃料电池电堆，设有一个或多个叠置在一起的电池单元，每一个电池单元由膜电极和具有正反两面的单极板组成；具有该结构的燃料电池具有更加紧凑的电池结构，这提高了电池的功率密度，解决了高功率密度下的换热问题，也一定程度上提高了换热均匀性，保证了具有该燃料电池的新能源汽车高效安全的工作。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中带有冷却介质通道的燃料电池单元堆叠结构示意图
图2是本发明实施例1的单极板结构；
图3是本发明实施例1的单电池堆叠结构；
图4是本发明实施例1的冷却介质通道形成方式1示意图；
图5是本发明实施例1的形成方式2示意图；
图中：
P-单极板正面；N-单极板反面
La-阳极气体通道；Lb-阴极气体通道；Lc-冷却介质通道；
1-膜电极；2-单极板；
21-第一凸起，22-第一凹槽；23-第二凸起；24-第二凹槽；25-通孔；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种，但是不排除包含至少一种的情况。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
本发明提供了一种燃料电池电堆，设有一个或多个叠置在一起的电池单元，每一个电池单元由膜电极和具有正反两面的单极板组成；该结构进一步地提高了燃料电池的紧凑性，同时通过垂直于燃料电池平面的换热通道实现解决了存在的电池冷却不够、不及时的问题。
需要说明的是，本申请所描述的“正面”、“反面”、“第一”、“第二”并没有赋予其特定的结构及含义，仅是为了描述方便。
如图1-5，本实施例提供了一种氢燃料电池，其具有燃料电池电堆，该燃料电池电堆设有一个或多个叠置在一起的电池单元，每一个电池单元由膜电极1和具有正反两面的单极板2组成。本发明使用具有该结构的单极板2替换常规燃料电池结构中的双极板，在保证燃料电池正常工作的同时，大大提高了燃料电池电堆的紧凑性。
其中：
如图2，单极板2正面P方向形成有多个间隔设置的第一凹槽22，多个第一凹槽22之间均形成有第一凸起21；第一凸起21和第一凹槽22间隔交错排列；单极板2反面N方向形成有多个间隔设置的第二凹槽24，多个第二凹槽24之间均形成有第二凸起23；第二凸起23和第二凹槽24间隔交错排列；第一凹槽22、第一凸起21与第二凹槽24、第二凸起23分别从单极板2的一端延伸到另一端；单极板2正面的第一凹槽22底面即单极板2反面的第二凸起23顶面，单极板2反面的第二凹槽24底面即单极板2正面的第一凸起21顶面。
如图1、3、4、5，多个电池单元叠置在一起时膜电极1和单极板2间隔交错；且每一膜电极1两侧的单极板2对向设置，具体的：
单极板2正面P方向的第一凹槽22与其对应的膜电极1形成阴极气体通道Lb即氧气通道；单极板2反面N方向的第二凹槽24与其对应的膜电极1形成阳极气体通道La即氢气通道；阳极气体通道氢气通道、阴极气体通道氧气通道沿着单极板2间隔交错排列，如：阳极气体通道氢气通道、阴极气体通道氧气通道、阳极气体通道氢气通道、阴极气体通道氧气通道...依次交错间隔排列。
每一膜电极1两侧的单极板2所形成的阳极气体通道氢气通道、阴极气体通道氧气通道位置对应，且沿所述电池单元层叠方向交错间隔排列，如阳极气体通道氢气通道、阴极气体通道氧气通道、阳极气体通道...依次交错间隔排列。
由于氢气和氧气分布于单极板2两侧，且横向和纵向均为交错排列，相比于现有常规燃料电池结构，该氢气燃料电池电堆的厚度能大约降低一半，使得氢气燃料电池结构更加紧凑，提高了电池的功率密度；
优选的，电池单元形成有交错贯通单极板2、阳极气体通道、膜电极1、阴极气体通道的通孔25；通孔25在电池单元叠置方向形成一冷却介质通道Lc；冷却介质通道Lc会交叉性的穿过阳极气体通道、膜电极1、阴极气体通道，以两个电池单元为例，即：阳极气体通道、膜电极1、阴极气体通道、膜电极、阳极气体通道...。
优选的，在膜电极1两侧对向设置的单极板2，一侧的单极板2是正面贴靠膜电极1，另一侧的单极板2是反面贴靠膜电极1，正面贴靠膜电极1的单极板2其第一凸起21顶部与膜电极1贴靠在一起，反面贴靠膜电极1的单极板2其第二凹槽24底部与膜电极1贴靠在一起，所述通孔25从所述第一凸起21顶部、第二凹槽24底部与膜电极1接触对应的位置穿过。
优选的，冷却介质通道Lc垂直单极板2及膜电极1设置，保证了换热效果。
优选的，冷却介质通道Lc间隔的设有多列，每一列设有多个冷却通道，每一列的多个冷却介质通道Lc沿第一凸起(21)、第二凹槽24延伸方向间隔分布，解决了氢气燃料电池高功率下的换热问题，提高了换热的均匀性。若再根据电池表面热负荷的分布而布置，能够更好的匹配产热和散热量。
优选的，组装成电堆以后，沿垂直于电池平面方向形成冷却介质通道，具体的冷却介质通道Lc可如图5所示由各电池单元的通孔25依次插接在一起形成密封的通道，冷却介质直接在该冷却介质通道Lc中流通，需要保证冷却介质通道Lc与单极板2、膜电极1接触的地方精准、可靠密封，从而保证反应气体不会泄漏、互串。也可以如图1、4所示在冷却介质通道Lc中穿插一冷却介质管，冷却介质在冷却介质管中流通，带走燃料电池电堆反应过程中产生的部分热量，具体的根据实际工况和设计功率进行详细设计。无论怎么样，有了上述设计的冷却介质通道的燃料电池，阳极气体和阴极气体在反应通道中每隔一段将绕流冷却水的冷却管道，一定程度上也起到增加反应气体流动湍流度的效果。
优选的，冷却介质管为细铜管，其材料本身有很好的导热散热效果，冷却介质管道如采用金属管道，换热效果较好，提高冷却介质通道Lc的散热效率但须保证管道与极板相接触的地方良好绝缘，以免在电池内部形成短路。
优选的，根据实际需求设计，冷却水主通道的入口和出口分别位置电堆的上下面。
本实施例提供的采用了本发明的燃料电池电堆氢气燃料电池，具有更加紧凑的电池结构，这提高了电池的功率密度，同时还解决了高功率密度下的换热问题，也一定程度上提高了换热均匀性。
综上，本发明提供了一种燃料电池电堆，设有一个或多个叠置在一起的电池单元，每一个电池单元由膜电极和具有正反两面的单极板组成；具有其的燃料电池能够大大的提高其结构的紧凑型，从而提高了电池的功率密度，同时本发明中冷却介质通道的设计解决了燃料电池高功率密度下的换热问题，也一定程度上提高了换热均匀性。具有该燃料电池的新能源汽车，在保证散热和安全的问题前提下，能够高性能的运转。
以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施例。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (8)

1.一种燃料电池电堆，其特征在于：设有一个或多个叠置在一起的电池单元，所述每一个电池单元由膜电极(1)和具有正反两面的单极板(2)组成；其中
所述单极板(2)正面形成有多个间隔设置的第一凹槽(22)，所述多个第一凹槽(22)之间均形成有第一凸起(21)；第一凸起(21)和第一凹槽(22)间隔交错排列；
所述单极板(2)反面形成有多个间隔设置的第二凹槽(24)，所述多个第二凹槽(24)之间均形成有第二凸起(23)；第二凸起(23)和第二凹槽(24)间隔交错排列；
所述第一凹槽(22)、第一凸起(21)与第二凹槽(24)、第二凸起(23)分别从单极板(2)的一端延伸到另一端；所述单极板(2)正面的第一凹槽(22)底面即单极板反面的第二凸起(23)顶面，单极板(2)反面的第二凹槽底(24)面即单极板正面的第一凸起(21)顶面；
所述多个电池单元叠置在一起时膜电极(1)和单极板(2)间隔交错；
所述每一膜电极(1)两侧的单极板(2)对向设置；所述单极板(2)正面的第一凹槽(22)与其对应的膜电极(1)形成阴极气体通道(La)；所述单极板(2)反面的第二凹槽(24)与其对应的膜电极(1)形成阳极气体通道(La)；所述阳极气体通道(La)和阴极气体通道(Lb)沿所述单极板(2)方向间隔交错排列；
所述每一膜电极(1)两侧的单极板(2)所形成的阳极气体通道(La)、阴极气体通道(Lb)上下位置对应，且沿所述电池单元层叠方向交错间隔排列；
所述电池单元形成有交错贯通单极板(2)、阳极气体通道(La)、膜电极(1)、阴极气体通道的通孔(25)；所述通孔(25)在电池单元叠置方向形成一冷却介质通道(Lc)。
2.如权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于：所述冷却介质通道(Lc)由各电池单元的通孔(25)依次插接在一起形成密封的通道，冷却介质直接在该冷却介质通道(Lc)中流通。
3.如权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于：在所述冷却介质通道(Lc)中穿插一冷却介质管，冷却介质在冷却介质管中流通。
4.如权利要求1-3任一项所述的燃料电池电堆，其特征在于：所述在膜电极(1)两侧对向设置的单极板(2)，一侧的单极板(2)是正面贴靠膜电极(1)，另一侧的单极板(2)是反面贴靠膜电极(1)，正面贴靠膜电极(1)的单极板(2)其第一凸起(21)顶部与膜电极(1)贴靠在一起，反面贴靠膜电极(1)的单极板(2)其第二凹槽底(24)部与膜电极(1)贴靠在一起，所述通孔(25)从所述第一凸起(21)顶部、第二凹槽(24)底部与膜电极(1)接触对应的位置穿过。
5.如权利要求4所述的燃料电池电堆，其特征在于：所述冷却介质通道(Lc)垂直单极板(2)及膜电极(1)设置。
6.如权利要求5所述的燃料电池电堆，其特征在于：所述冷却介质通道(Lc)间隔的设有多列，所述每一列设有多个冷却介质通道(Lc)，所述每一列的多个冷却介质通道(Lc)沿第一凸起(21)、第二凹槽(23)延伸方向间隔分布。
7.一种燃料电池，其特征在于，其设有权利要求1-6任一项所述的燃料电池电堆。
8.一种新能源汽车，其特征在于，其设有权利要求7所述的燃料电池。
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