CN111628199A - 一种分段式燃料电池夹具 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种分段式燃料电池夹具，包括阴极端、膜电极和阳极端；所述阴极端和阳极端为对称结构；所述阴极端包括阴极流道板框架和阴极双极板，阴极双极板对应安装在阴极流道板框架上的若干孔位中。阴极双极板的一侧表面上分别设有阴极流道，另一侧设有若干阴极集流板。若干所述阴极集流板的一侧依次设有阴极加热片和阴极散热片。阴极流道板框架上分别开有若干阴极集流孔和若干阴极测温孔。阴极端和阳极端的结构相同。通过以上方式，实现对不同的阴极双极板和阳极双极板更精确的温度控制，本发明既能够适用于平面内催化剂浓度梯度化的膜电极电极，又能够实现温度梯度设置，并且能够更好地应用于实验研究。

Description

一种分段式燃料电池夹具
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种分段式燃料电池夹具。
背景技术
燃料电池由于其零排放、长续航、高能量转化效率的优点成为了极具市场前景的动力夹具，但是其部件的耐久性和材料的高成本一直是有待进一步提高的方向。在燃料电池平行流道进出口方向上，膜电极上的反应物浓度的分布会成扇状分布。由于传质速率与反应速率不匹配导致在均匀分布的催化层上电化学反应速率由于传质速率不一致而造成膜电极上电流密度不均匀。随着反应进行，阴极水的生成量也会受到电流密度密度不均匀的影响，极易造成部分区域出现水淹的情况。催化剂的分布会影响不同位置含水量的不同。另外，水的饱和蒸汽压会随着温度的变化而变化，燃料电池均匀的升温模式让流道内部的相对湿度不能同时都达到100％，从而会对多孔电极内的液态水浓度产生影响。
均匀的催化剂分布不仅不能被合理利用，而且造成了膜电极成本的提高。单一的加热温度也容易造成膜中的含水量不一致。以上是燃料电池的高成本和耐久性方面存在的两个问题。
传统实验室燃料电池夹具以单电池和电堆为主。单电池具有精细小巧的流道结构，一般用于研究膜电极的特性，如催化剂材料、载量、运行条件控制，数据结果较为精准可靠。相较单电池，电堆测出的数据更具实际应用价值，但是应用了大量膜电极的燃料电池堆栈实验成本会很高。现有单电池和电堆用于燃料电池夹具的催化剂梯度化分布和梯度温度的研究都有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种分段式燃料电池夹具，该装置既能够适用于平面内催化剂浓度梯度化的膜电极，又能够实现温度梯度设置，并且能够更好地应用于实验研究。
本发明的技术方案是：一种分段式燃料电池夹具，包括阴极端、膜电极和阳极端；所述阴极端和阳极端为对称结构，阴极端和阳极端对称安装在膜电极的两侧；
所述阴极端和膜电极之间设有阴极垫片；所述阳极端和膜电极之间设有阳极垫片；
所述阴极端包括阴极流道板框架和阴极双极板；所述阴极流道板框架上开有若干贯通的孔位；所述阴极双极板包括阴极进气端双极板、若干阴极中段双极板和阴极出气端双极板；所述阴极双极板对应安装在阴极流道板框架上的孔位中；
所述阳极端包括阳极流道板框架和阳极双极板；所述阳极流道板框架上开有若干贯通的孔位；所述阳极双极板包括阳极进气端双极板、若干阳极中段双极板和阳极出气端双极板；所述阳极双极板对应安装在阳极流道板框架上的孔位中；
所述阴极双极板位于膜电极一侧的表面上设有阴极流道，阴极双极板的另一侧设有若干阴极集流板；
所述阳极双极板位于膜电极一侧的表面上设有阳极流道，阳极双极板的另一侧设有若干阳极集流板；
所述阴极进气端双极板的进气端上开有阴极进气孔，阴极进气孔和阴极进气端双极板上的阴极流道连通；所述阴极出气端双极板的出气端上开有阴极出气孔，阴极出气孔和阴极出气端双极板上的阴极流道连通；
所述阳极进气端双极板的进气端上开有阳极进气孔，阳极进气孔和阳极进气端双极板上的阳极流道连通；所述阳极出气端双极板的出气端上开有阳极出气孔，阳极出气孔和阳极出气端双极板上的阴极流道连通。
上述方案中，所述阴极流道板框架位于阴极垫片一侧的表面设有阴极流道板密封槽；所述阴极流道板密封槽安装有阴极流道板气密垫；
所述阳极流道板框架位于阳极垫片一侧的表面设有阳极流道板密封槽；所述阳极流道板密封槽安装有阳极流道板气密垫。
上述方案中，若干所述阴极集流板的一侧设有阴极加热片；若干阳极集流板的一侧设有阳极加热片。
进一步的，若干所述阴极加热片的一侧设有阴极散热片；若干所述阳极加热片的一侧设有阳极散热片。
进一步的，还包括阴极端板和阳极端板；所述阴极端板上设有槽位和通孔，分别安装阴极加热片和阴极散热片；所述阳极端板上设有槽位和通孔，分别安装阳极加热片和阳极散热片。
上述方案中，所述阴极散热片和阳极散热片为翅片散热器。
上述方案中，所述阴极端板和阳极端板为聚碳酸酯材料。
上述方案中，所述阴极流道板框架上开有若干与阴极双极板对应阴极集流孔；若干所述阴极集流孔安装有阴极集流柱；若干所述阴极集流柱与阴极双极板连接；
所述阳极流道板框架上开有若干与阳极双极板对应阳极集流孔；若干所述阳极集流孔安装有阳极集流柱；若干所述阳极集流柱33与阳极双极板连接。
上述方案中，所述阴极流道板框架上开有若干与阴极双极板对应阴极测温孔；所述阳极流道板框架上开有若干与阳极双极板对应阳极测温孔。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明所提供的分段式燃料电池夹具，包括阴极端、膜电极和阳极端，阴极端和阳极端分别包括阴极流道板框架和阳极流道板框架。阴极流道板框架和阳极流道板框架均开有若干贯通的孔位，用于安装若干阴极双极板和若干阳极双极板。阴极双极板之间的阴极流道相连通，阳极双极板之间的阳极流道相连通。不同的阴极双极板和阳极双极板对应安装在膜电极的不同位置。膜电极的催化剂浓度可以梯度分布，更好地利用膜电极，降低膜电极成本，并且提高燃料电池的耐久性。
2.本发明所提供的分段式燃料电池夹具，设有阴极流道板密封槽和阴极流道板气密垫，以及阳极流道板密封槽和阳极流道板气密垫，能够保证阴极流道板框架和阴极垫片之间的密封性，能够保证阳极流道板框架和阳极垫片之间的密封性
3.本发明所提供的分段式燃料电池夹具，还设有若干阴极加热片和阳极加热片，以及若干阴极散热片和阳极散热片，实现不同的阴极双极板和阳极双极板更精确的温度控制，保证流道内部的相对湿度更均匀，提升燃料电池的性能稳定性。
4.本发明所提供的分段式燃料电池夹具，还包括阴极端板和阳极端板，阴极端板和阳极端板为聚碳酸酯材料，既用于固定安装加热片和散热片，又避免相邻双极板之间的温度影响。
5.本发明所提供的分段式燃料电池夹具，阴极流道板框架上开有若干阴极集流孔，阳极流道板框架上开有若干阳极集流孔，方便测量不同双极板上产生电信号。还开有若干阴极测温孔和阳极测温孔，能够实现对不同双极板位置的温度测量。通过以上方式，更好地对燃料电池夹具进行实验研究。
附图说明
图1为本发明所述分段式燃料电池夹具整体轴视图；
图2为本发明所述分段式燃料电池夹具爆炸图；
图3为本发明所述分段式燃料电池夹具阴极放大图；
图4为本发明所述分段式燃料电池夹具阴极端板图；
图5为本发明所述分段式燃料电池夹具阴极流道板图；
图中，1、阴极端；2、膜电极；3、阳极端；4、阴极垫片；5、阳极垫片；6、阴极流道板框架；7、阳极流道板框架；8、阴极进气端双极板；9、阴极中段双极板组；10、阴极出气端双极板；11、阳极进气端双极板；12、阳极中段双极板组；13、阳极出气端双极板；14、阴极进气孔；15、阴极出气孔；16、阴极流道；17、阳极进气孔；18、阴极出气孔；19、阳极流道；20、阴极集流板；21、阳极集流板；22、阴极集流处；23、阳极集流处；24、阴极端板；25、阴极加热片；；26、阳极端板；27、阳极加热片；28、阴极散热片；29、阳极散热片；30、阴极集流孔；31、阳极集流孔；32、阴极集流柱；33、阳极集流柱；34、阴极测温孔；35、阳极测温孔；36、阴极流道板气密垫；37、阴极流道板密封槽；38、阳极流道板气密垫；39、阳极流道板密封槽；40、螺丝；41、定位孔；42、螺母；
具体实施方式
下面结合附图具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
图1、2、3、4和5所示，分段式燃料电池夹具，包括阴极端1、膜电极2和阳极端3；所述阴极端1和阳极端3为对称结构，阴极端1和阳极端3的结构相同，阴极端1和阳极端 3对称安装在膜电极2的两侧；所述膜电极2上的催化剂浓度呈梯度分布。
所述阴极端1和膜电极2之间设有阴极垫片4；所述阳极端3和膜电极2之间设有阳极垫片5；阴极垫片4和阳极垫片5用于夹持膜电极2。
所述阴极端1包括阴极流道板框架6和阴极双极板；所述阴极流道板框架6上开有若干贯通的孔位，用于安装阴极双极板；所述阴极双极板包括阴极进气端双极板8、若干阴极中段双极板9和阴极出气端双极板10；所述阴极双极板对应安装在阴极流道板框架6上的孔位中；
所述阳极端3包括阳极流道板框架7和阳极双极板；所述阳极流道板框架7上开有若干贯通的孔位，用于安装阳极双极板；所述阳极双极板包括阳极进气端双极板11、若干阳极中段双极板12和阳极出气端双极板13；所述阳极双极板对应安装在阳极流道板框架7上的孔位中；
优选的，阴极流道板框架6和阳极流道板框架7的上孔位数量均为5个。
所述阴极双极板位于膜电极2一侧的表面上设有阴极流道16，不同阴极双极板的阴极流道16相连通。
阴极双极板的另一侧设有若干阴极集流板20，用于收集阴极双极板上的电流，若干阴极集流板20与顶部的阴极集流处22连接，阴极集流处22用于导出阴极端1产生的电流。
所述阳极双极板位于膜电极2一侧的表面上设有阳极流道19，不同阳极双极板的阴极流道19相连通。
阳极双极板的另一侧设有若干阳极集流板21，用于收集阳极双极板上的电流，若干阳极集流板21与顶部的阳极集流处23连接，阳极集流处23用于导出阳极端3产生的电流。
优选的，阴极流道16和阳极流道19均为平行流道。
所述阴极进气端双极板8的进气端上开有阴极进气孔14，阴极进气孔14和阴极进气端双极板8上的阴极流道16连通；所述阴极出气端双极板10的出气端上开有阴极出气孔15，阴极出气孔15和阴极出气端双极板10上的阴极流道16连通；阴极气体通入之后，依次通过阴极进气孔14、阴极流道16和阴极出气孔15。
所述阳极进气端双极板11的进气端上开有阳极进气孔17，阳极进气孔17和阳极进气端双极板11上的阳极流道19连通；所述阳极出气端双极板13的出气端上开有阳极出气孔18，阳极出气孔18和阳极出气端双极板13上的阳极流道19连通；阳极气体通入之后，依次通过阳极进气孔17、阳极流道19和阳极出气孔18。
所述阴极流道板框架6位于阴极垫片4一侧的表面设有阴极流道板密封槽37；所述阴极流道板密封槽37安装有阴极流道板气密垫36，用于保证阴极端1的气密性。
所述阳极流道板框架7位于阳极垫片5一侧的表面设有阳极流道板密封槽39；所述阳极流道板密封槽39安装有阳极流道板气密垫38，用于保证阴极端3的气密性。
所述阴极端1和阳极端3上开有若干定位孔41，整个分段式燃料电池夹具通过若干螺丝 40和螺母42固定。
还包括阴极端板24和阳极端板26；若干所述阴极集流板20的一侧设有阴极加热片25，用于对不同的阴极双极板独立加热；若干阳极集流板21的一侧设有阳极加热片27，用于对不同的阳极双极板独立加热；
若干所述阴极加热片25的一侧设有阴极散热片28，用于对不同的阴极双极板进行散热；若干所述阳极加热片27的一侧设有阳极散热片29，用于对不同的阳极双极板进行散热；
所述阴极端板24上设有槽位和通孔，分别安装阴极加热片25和阴极散热片28，实现阴极加热片25和阴极散热片28的固定安装；所述阳极端板26上设有槽位和通孔，分别安装阳极加热片27和阳极散热片29，实现阳极加热片27和阳极散热片29的固定安装。
通过以上方式，实现对不同的阴极双极板和阳极双极板更精确的温度控制，保证流道内部的相对湿度更均匀，提升燃料电池的性能稳定性。
优选的，所述阴极散热片28和阳极散热片29为翅片散热器，实现更好地散热效果。
优选的，所述阴极端板24和阳极端板26为聚碳酸酯材料，避免相邻双极板之间的温度影响。
所述阴极流道板框架6上开有若干与阴极双极板对应阴极集流孔30；若干所述阴极集流孔30安装有阴极集流柱32；若干所述阴极集流柱32与阴极双极板连接；所述阳极流道板框架7上开有若干与阳极双极板对应阳极集流孔31；若干所述阳极集流孔31安装有阳极集流柱33；若干所述阳极集流柱33与阳极双极板连接。通过以上方式，方便测量不同双极板上产生电信号。
所述阴极流道板框架6上开有若干与阴极双极板对应阴极测温孔34，所述阳极流道板框架7上开有若干与阳极双极板对应阳极测温孔35，可以将热电偶通过阴极测温孔34和阳极测温孔35插入，实现对不同双极板位置的温度测量。
分段式燃料电池夹具可以采用并流、对流两种通气模式，即阴极端和阳极端的进气方向相同或相反。
分段式燃料电池夹具有两种电信号读取模式，读取电池整体性能时外接电极夹在22和阴极集流处23、阳极集流处；测试局部电池性能时根据需要外接电极夹在任意一对阴极集流柱 32和阳极集流柱33上。
通过以上方式，该装置既能够适用于平面内催化剂浓度梯度化的膜电极电极，又能够实现温度梯度设置，并且能够更好地应用于实验研究。
应当理解，虽然本发明按照各个实施例描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列详细说明仅是针对本发明可行性实施例的具体说明，并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种分段式燃料电池夹具，其特征在于，包括阴极端(1)、膜电极(2)和阳极端(3)；所述阴极端(1)和阳极端(3)为对称结构，阴极端(1)和阳极端(3)对称安装在膜电极(2)的两侧；
所述阴极端(1)和膜电极(2)之间设有阴极垫片(4)；所述阳极端(3)和膜电极(2)之间设有阳极垫片(5)；
所述阴极端(1)包括阴极流道板框架(6)和阴极双极板；所述阴极流道板框架(6)上开有若干贯通的孔位；所述阴极双极板包括阴极进气端双极板(8)、若干阴极中段双极板(9)和阴极出气端双极板(10)；所述阴极双极板对应安装在阴极流道板框架(6)上的孔位中；
所述阳极端(3)包括阳极流道板框架(7)和阳极双极板；所述阳极流道板框架(7)上开有若干贯通的孔位；所述阳极双极板包括阳极进气端双极板(11)、若干阳极中段双极板(12)和阳极出气端双极板(13)；所述阳极双极板对应安装在阳极流道板框架(7)上的孔位中；
所述阴极双极板位于膜电极(2)一侧的表面上设有阴极流道(16)，阴极双极板的另一侧设有若干阴极集流板(20)；
所述阳极双极板位于膜电极(2)一侧的表面上设有阳极流道(19)，阳极双极板的另一侧设有若干阳极集流板(21)；
所述阴极进气端双极板(8)的进气端上开有阴极进气孔(14)，阴极进气孔(14)和阴极进气端双极板(8)上的阴极流道(16)连通；所述阴极出气端双极板(10)的出气端上开有阴极出气孔(15)，阴极出气孔(15)和阴极出气端双极板(10)上的阴极流道(16)连通；
所述阳极进气端双极板(11)的进气端上开有阳极进气孔(17)，阳极进气孔(17)和阳极进气端双极板(11)上的阳极流道(19)连通；所述阳极出气端双极板(13)的出气端上开有阳极出气孔(18)，阳极出气孔(18)和阳极出气端双极板(13)上的阴极流道(19)连通。
2.根据权利要求1所述的分段式燃料电池夹具，其特征在于，所述阴极流道板框架(6)位于阴极垫片(4)一侧的表面设有阴极流道板密封槽(37)；所述阴极流道板密封槽(37)安装有阴极流道板气密垫(36)；
所述阳极流道板框架(7)位于阳极垫片(5)一侧的表面设有阳极流道板密封槽(39)；所述阳极流道板密封槽(39)安装有阳极流道板气密垫(38)。
3.根据权利要求1所述的分段式燃料电池夹具，其特征在于，若干所述阴极集流板(20)的一侧设有阴极加热片(25)；若干阳极集流板(21)的一侧设有阳极加热片(27)。
4.根据权利要求3所述的分段式燃料电池夹具，其特征在于，若干所述阴极加热片(25)的一侧设有阴极散热片(28)；若干所述阳极加热片(27)的一侧设有阳极散热片(29)。
5.根据权利要求4所述的分段式燃料电池夹具，其特征在于，还包括阴极端板(24)和阳极端板(26)；所述阴极端板(24)上设有槽位和通孔，分别安装阴极加热片(25)和阴极散热片(28)；所述阳极端板(26)上设有槽位和通孔，分别安装阳极加热片(27)和阳极散热片(29)。
6.根据权利要求4所述的分段式燃料电池夹具，其特征在于，所述阴极散热片(28)和阳极散热片(29)为翅片散热器。
7.根据权利要求5所述的分段式燃料电池夹具，其特征在于，所述阴极端板(24)和阳极端板(26)为聚碳酸酯材料。
8.根据权利要求1所述的分段式燃料电池夹具，其特征在于，所述阴极流道板框架(6)上开有若干与阴极双极板对应阴极集流孔(30)；若干所述阴极集流孔(30)安装有阴极集流柱(32)；若干所述阴极集流柱(32)与阴极双极板连接；
所述阳极流道板框架(7)上开有若干与阳极双极板对应阳极集流孔(31)；若干所述阳极集流孔(31)安装有阳极集流柱(33)；若干所述阳极集流柱(33)与阳极双极板连接。
9.根据权利要求1所述的分段式燃料电池夹具，其特征在于，所述阴极流道板框架(6)上开有若干与阴极双极板对应阴极测温孔(34)；所述阳极流道板框架(7)上开有若干与阳极双极板对应阳极测温孔(35)。
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