CN111477926A - 一种燃料电池电堆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池电堆，其属于氢燃料电池技术领域，包括第一端板；第二端板，与所述第一端板相对设置；阴极板，设置有多个，多个所述阴极板位于所述第一端板和所述第二端板之间，且均与正极电源电性连接，所述阴极板为金属板；阳极板，设置有多个，多个所述阳极板位于第一端板和所述第二端板之间，且多个所述阳极板与多个所述阴极板交错设置，多个所述阳极板均与负极电源电性连接，所述阳极板为石墨板；膜电极，设置有多个，所述膜电极位于相邻的所述阴极板和所述阳极板之间。本发明提供的燃料电池电堆，散热效率较高，成本较低，电流输出密度较高，整体性能较优。

Description

一种燃料电池电堆

技术领域

本发明涉及氢燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池电堆。

背景技术

氢燃料电池电堆通常由双极板和膜电极组件堆叠而成，形成多个单电池的串联状态，膜电极两侧分别通入氢气和空气，在膜电极中催化剂的作用下完成电化学反应，并输出电能。

现有技术中，如图1所示，氢燃料电池电堆通常包括两个端板101，位于两个端板101之间的多个双极板102，位于相邻两个双极板102之间的膜电极结构103，靠近一个端板101设置的负极集流板104及靠近另一个端板101设置的正极集流板105。其中双极板102由两个单极板连接形成，该两个单极板中的一个为阴极，另一个为阳极，为了保证氢燃料电池电堆的一致性，两个单极板的材料相同，如两个单极板的材料均为金属，或者，两个单极板的材料均为石墨，也即是，双极板通常由同一种材料制造而成。

当双极板的材料为金属材料时，双极板的成本较高，当双极板的材料为石墨时，限制了氢燃料电池电堆的散热性能，导致燃料电池电堆的电流输出较低。可见，现有技术中的氢燃料电池电堆的性能有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池电堆，散热效率较高，成本较低，电流输出密度较高，整体性能较高。

如上构思，本发明所采用的技术方案是：

一种燃料电池电堆，包括：

第一端板；

第二端板，与所述第一端板相对设置；

阴极板，设置有多个，多个所述阴极板位于所述第一端板和所述第二端板之间，且均与正极电源电性连接，所述阴极板为金属板；

阳极板，设置有多个，多个所述阳极板位于所述第一端板和所述第二端板之间，且多个所述阳极板与多个所述阴极板交错设置，多个所述阳极板均与负极电源电性连接，所述阳极板为石墨板；

膜电极，设置有多个，所述膜电极位于相邻的所述阴极板和所述阳极板之间。

可选地，所述第一端板上设有冷却液口，所述阴极板上设有连通于所述冷却液口的冷却液流道，所述冷却液流道用于供冷却液流动以冷却所述阴极板。

可选地，所述阴极板包括相互连接的第一阴极板和第二阴极板，所述第一阴极板朝向所述第二阴极板的一侧和/或所述第二阴极板朝向所述第一阴极板的一侧具有第一凹槽，所述第一凹槽形成所述冷却液流道。

可选地，所述阳极板包括固定于所述第二端板上的第一阳极板及位于所述第一端板和所述第二端板之间的第二阳极板，所述第一阳极板朝向所述第二端板的一侧为平面，所述第一阳极板背向所述第二端板的一侧具有第二凹槽，所述第二阳极板的两侧具有第三凹槽。

可选地，所述第一端板上还设有空气口和燃料口，所述膜电极与所述阴极板之间形成空气流道，所述空气流道与所述空气口连通，所述膜电极与所述阳极板之间形成燃料流道，所述燃料流道与所述燃料口连通。

可选地，还包括多个第一金属条和多个第二金属条，多条所述第一金属条与多个所述阴极板一一对应，且所述第一金属条与其对应的所述阴极板的上端电性连接，多条所述第二金属条与多个所述阳极板一一对应，且所述第二金属条与其对应的所述阳极板的下端电性连接。

可选地，所述阴极板的厚度小于或等于1.0毫米，所述阳极板的厚度小于或等于1.3毫米。

可选地，还包括两个绝缘板，两个所述绝缘板位于所述第一端板和所述第二端板之间，且一个所述绝缘板固定于所述第一端板上，另一个所述绝缘板固定于所述第二端板上。

可选地，还包括箍带，所述第一端板和所述第二端板上设有箍带槽，所述箍带设置于所述箍带槽中并用于紧固所述第一端板、所述第二端板、所述阴极板、所述阳极板及所述膜电极。

本发明至少具有以下有益效果：

本发明提供的燃料电池电堆中，阴极板采用金属材料，使得阴极板具有较好的热传导率，由于燃料电池电堆反应生成的热大部分在阴极板，因此，可以提高阴极板的散热效率，进而使得燃料电池电堆具有较高的散热效率，阳极板采用石墨材料，使得阳极板具有较高的耐腐蚀性，提高了阳极板的使用寿命，进而使得燃料电池电堆的使用寿命可以较长，且由于石墨的成本较低，进而使得燃料电池电堆的成本可以较低，因此，本发明提供的燃料电池电堆的整体性能较高。

另外，本发明中阴极板为金属板，相较于现有技术中采用石墨材料的双极板，功率密度可以更高，燃料电池电堆内阻可以更低，电堆的强度更好，可见，本发明提供的燃料电池电堆能够兼顾金属和石墨各自的材料优势，提高燃料电池电堆的各方面性能。

并且，本发明中，只在阴极板中设置冷却液流道，而阳极板中未设置冷却水道，相较于现有技术中每个双极板都需要冷却液通道的设置方式，能够大幅度提升燃料电池电堆的功率密度，且冷却效果更好，冷却效率更高。

附图说明

图1是现有技术中氢燃料电池电堆的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的燃料电池电堆的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的燃料电池电堆的主视图；

图4是本发明实施例图3所示的A-A剖视图；

图5是本发明实施例图4所示的B位置处的放大示意图；

图6是本发明实施例图4所示的C位置处的放大示意图；

图7是本发明实施例提供的燃料电池电堆的分解结构示意图。

图中：

1、第一端板；2、第二端板；3、阴极板；31、第一阴极板；32、第二阴极板；4、阳极板；41、第一阳极板；42、第二阳极板；5、膜电极；6、第一金属条；7、第二金属条；8、绝缘板；

10、冷却液口；20、冷却液流道；30、第一凹槽；40、第二凹槽；50、空气口；60、燃料口；70、箍带槽；

101、端板；102、双极板；103、膜电极结构；104、负极集流板；105、正极集流板。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，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。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例提供了一种燃料电池电堆，其适用于需要大电流输出的应用场景，并且，能够具有较低的电堆压降，具有较高的性能。

如图2至图7所示，该燃料电池电堆包括相对设置的第一端板1和第二端板，设置于第一端板1和第二端板2之间的阴极板3、阳极板4和膜电极5。

其中，燃料电池电堆包括多个阴极板3、多个阳极板4和多个膜电极5。多个阴极板3均与正极电源电性连接，使得阴极板3上产生的正电荷能够流入正极电源。多个阴极板3均为金属板，也即是，阴极板3的材料为金属材料。多个阳极板4与多个阴极板3交错设置，也即是，相邻的两个阴极板3之间具有一个阳极板4，相邻的两个阳极板4之间具有一个阴极板3。多个阳极板4均与负极电源电性连接，使得阳极板4产生的负电荷能够流入负极电源，以能够成行电流回路。多个阳极板4均为石墨板，也即是，阳极板4的材料为石墨材料。

膜电极5位于相邻的阴极板3和阳极板4之间，也即是，每个相邻的阴极板3和阳极板4之间均具有一个膜电极5。并且，膜电极5的两侧分别涂覆有阴极催化层和阳极催化层，其中膜电极5涂覆阴极催化层的一侧与阴极板3接触或相邻，膜电极5涂覆阳极催化层的一侧与阳极板4接触或相邻。

本实施例提供的燃料电池电堆中，阴极板3采用金属材料，使得阴极板3具有较好的热传导率，由于燃料电池电堆反应生成的热大部分在阴极板3，因此，可以提高阴极板3的散热效率，进而使得燃料电池电堆具有较高的散热效率，阳极板4采用石墨材料，使得阳极板4能够耐腐蚀，提高了阳极板4的使用寿命，进而使得燃料电池电堆的使用寿命可以较长，且由于石墨的成本较低，进而使得燃料电池电堆的成本可以较低，因此，本实施例提供的燃料电池电堆的整体性能较高。

另外，本实施例中阴极板3为金属板，相较于现有技术中采用石墨材料的双极板，功率密度可以更高，燃料电池电堆内阻可以更低，电堆的强度更好，可见，本实施例提供的燃料电池电堆能够兼顾金属和石墨的材料优势，提高燃料电池电堆的各方面性能。

进一步地，阴极板3的两侧可以经过镀层处理，以提高阴极板3两侧的疏水性。由于燃料电池电堆，特别是氢燃料电池电堆的反应后的产物水主要在阴极板3生成，处理后的阴极板3能够有利于水的排出。

可选地，如图7所示，第一端板1上设有冷却液口10，具体的，第一端板1的上下两端分别设有冷却液入口和冷却液出口。并且，阴极板3上设有连通于冷却液口10的冷却液流道20，该冷却液流道20用于供冷却液流动以冷却阴极板3。由于燃料电池电堆反应生成的热大部分在阴极板3，因此，本实施例只需在阴极板3内设置冷却液流道，相较于现有技术中每个双极板都需要冷却液通道的设置，能够大幅度提升燃料电池电堆的功率密度，且冷却效果更好，冷却效率更高。需要说明的是，图7是示例性地示出了部分燃料电池电堆的结构，主要是为了便于理解。其中，图7中的带箭头的实线表示冷却水的流路或流动路线，带箭头的点划线表示空气的流路或流动路线，带箭头的虚线表示燃料(即氢气)的流路或流动路线。

另外，金属板较石墨板的强度更高，因此，在阴极板3中增加冷却液流道20时，能够便于冷却液流道20的加工制造，使得阴极板3的成品率可以更高，还可以保证阴极板3的密封效果。

进一步地，如图5所示，阴极板3可以包括相互连接的第一阴极板31和第二阴极板32。其中，第一阴极板31朝向第二阴极板32的一侧和/或第二阴极板32朝向第一阴极板31的一侧具有第一凹槽30(如图6所示)，该第一凹槽30能够形成冷却液流道20，也即是，冷却液流道20位于第一阴极板31和第二阴极板32之间，以能够同时冷却第一阴极板31和第二阴极板32。

可选地，第一阴极板31背向第二阴极板32的一侧及第二阴极板32背向第一阴极板31的一侧具有第四凹槽。需要说明的是，靠近第一端板1设置的阴极板3中，与第一端板1接触的侧面可以为平面，以便于阴极板3与第一端板1的安装。

可选地，请参考图7，阳极板4可以包括固定于第二端板2上的第一阳极板41及位于第一端板1和第二端板2之间的第二阳极板42。其中，第一阳极板41朝向第二端板2的一侧为平面，第一阳极板41背向第二端板2的一侧具有第二凹槽，第二阳极板42的两侧具有第三凹槽40。

可选地，阴极板3的厚度小于或等于1.0毫米。并且，阳极板4采用石墨板雕刻成型，成型前石墨板在均匀分散有石墨烯的树脂中浸渍，浸渍时，容器提供持续真空，然后经过清洗、水浴固化和打磨，以形成阳极板4，阳极板4的厚度小于或等于1.3毫米。

可选地，请继续参考图7，第一端板1上还设有空气口50和燃料口60，具体的，第一端板1的上端分别设有空气入口和燃料入口，第一端板1的下端分别设有空气出口和燃料出口。并且，膜电极5与阴极板3之间形成空气流道，空气流道与空气口50连通，以形成燃料电池电堆的阴极反应空间。膜电极5与阳极板4之间形成燃料流道，燃料流道与燃料口60连通，以形成燃料电池电堆的阳极反应空间。可选地，阴极板3上的第四凹槽能够形成空气流道，阳极板4上的第三凹槽40和膜电极5之间，以及第二凹槽和膜电极5之间均能够形成燃料流道。

现有技术中，双极板的两侧一侧为空气流道，另一侧为燃料流道，而本实施例中，阴极板3和阳极板4均为单独的板，并没有连接在一起，且阴极板3的两侧均为空气流道，阳极板4的两侧均为燃料流道，使得燃料电池电堆的结构可以更优化。本实施例中，燃料电池电堆的燃料为氢气。

可选地，请继续参考图7，燃料电池电堆还包括多个第一金属条6和多个第二金属条7。其中，多条第一金属条6与多个阴极板3一一对应，且每个第一金属条6与其对应的阴极板3的上端电性连接，多条第二金属条7与多个阳极板4一一对应，且每个第二金属条7与其对应的阳极板4的下端电性连接。通过第一金属条6和第二金属条7的设置，能够将阴极板3及阳极板4产生的电能输送至外部电源中。并且，本实施例中的燃料电池电堆中，第一端板1和第二端板2之间未设置集流板，使得燃料电池电堆的厚度可以较小，有利于燃料电池电堆的轻量化。

本实施例中，第一端板1和第二端板2的材料可以为金属或复合材料。可选地，第一端板1的厚度小于或等于1毫米，第二端板2的厚度为2～4毫米。

本实施例中，如图4所示，燃料电池电堆还包括两个绝缘板8。两个绝缘板8位于第一端板1和第二端板2之间，且一个绝缘板8固定于第一端板1上，另一个绝缘板8固定于第二端板2上。此时，靠近第一端板1的阴极板3通过该一个绝缘板8固定在第一端板1上，靠近第二端板2的阳极板4通过该另一个绝缘板8固定在第二端板2上。可选地，绝缘板8为金属材料或非金属材料，且绝缘板8的厚度为0.5～2毫米。

可选地，请参考图1，燃料电池电堆还可以包括箍带，并且，第一端板1和第二端板2上设有箍带槽70。箍带设置于箍带槽70中并用于紧固第一端板1、第二端板2、阴极板3、阳极板4及膜电极5，以进行紧固封装，保证燃料电池电堆能够正常使用。

以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施方式限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种燃料电池电堆，其特征在于，包括：

第一端板(1)；

第二端板(2)，与所述第一端板(1)相对设置；

阴极板(3)，设置有多个，多个所述阴极板(3)位于所述第一端板(1)和所述第二端板(2)之间，且均与正极电源电性连接，所述阴极板(3)为金属板；

阳极板(4)，设置有多个，多个所述阳极板(4)位于所述第一端板(1)和所述第二端板(2)之间，且多个所述阳极板(4)与多个所述阴极板(3)交错设置，多个所述阳极板(4)均与负极电源电性连接，所述阳极板(4)为石墨板；

膜电极(5)，设置有多个，所述膜电极(5)位于相邻的所述阴极板(3)和所述阳极板(4)之间。

2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述第一端板(1)上设有冷却液口(10)，所述阴极板(3)上设有连通于所述冷却液口(10)的冷却液流道(20)，所述冷却液流道(20)用于供冷却液流动以冷却所述阴极板(3)。

3.根据权利要求2所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述阴极板(3)包括相互连接的第一阴极板(31)和第二阴极板(32)，所述第一阴极板(31)朝向所述第二阴极板(32)的一侧和/或所述第二阴极板(32)朝向所述第一阴极板(31)的一侧具有第一凹槽(30)，所述第一凹槽(30)形成所述冷却液流道(20)。

4.根据权利要求3所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述阳极板(4)包括固定于所述第二端板(2)上的第一阳极板(41)及位于所述第一端板(1)和所述第二端板(2)之间的第二阳极板(42)，所述第一阳极板(41)朝向所述第二端板(2)的一侧为平面，所述第一阳极板(41)背向所述第二端板(2)的一侧具有第二凹槽，所述第二阳极板(42)的两侧具有第三凹槽(40)。

5.根据权利要求1-4任一项所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述第一端板(1)上还设有空气口(50)和燃料口(60)，所述膜电极(5)与所述阴极板(3)之间形成空气流道，所述空气流道与所述空气口(50)连通，所述膜电极(5)与所述阳极板(4)之间形成燃料流道，所述燃料流道与所述燃料口(60)连通。

6.根据权利要求1-4任一项所述的燃料电池电堆，其特征在于，还包括多个第一金属条(6)和多个第二金属条(7)，多条所述第一金属条(6)与多个所述阴极板(3)一一对应，且所述第一金属条(6)与其对应的所述阴极板(3)的上端电性连接，多条所述第二金属条(7)与多个所述阳极板(4)一一对应，且所述第二金属条(7)与其对应的所述阳极板(4)的下端电性连接。

7.根据权利要求1-4任一项所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述阴极板(3)的厚度小于或等于1.0毫米，所述阳极板(4)的厚度小于或等于1.3毫米。

8.根据权利要求1-4任一项所述的燃料电池电堆，其特征在于，还包括两个绝缘板(8)，两个所述绝缘板(8)位于所述第一端板(1)和所述第二端板(2)之间，且一个所述绝缘板(8)固定于所述第一端板(1)上，另一个所述绝缘板(8)固定于所述第二端板(2)上。

9.根据权利要求1-4任一项所述的燃料电池电堆，其特征在于，还包括箍带，所述第一端板(1)和所述第二端板(2)上设有箍带槽(70)，所述箍带设置于所述箍带槽(70)中并用于紧固所述第一端板(1)、所述第二端板(2)、所述阴极板(3)、所述阳极板(4)及所述膜电极(5)。

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