CN111864226A - 燃料电池结构、燃料电池堆和车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池结构、燃料电池堆和车辆，燃料电池结构包括多个电池单体，每个电池单体在反应流道区包括：阴极极板、阳极极板和膜电极扩散层组件，阴极极板与膜电极扩散层组件之间形成多个第一凹槽，阴极介质阴极极板在每个第一凹槽的两侧分别形成第二凹槽，阳极极板与膜电极扩散层组件之间形成多个第三凹槽，阳极介质第一凹槽的底壁与相邻的电池单体的阳极极板贴合，第二凹槽的底壁与相邻的电池单体的第三凹槽的底壁贴合，且阴极极板与相邻的电池单体的阳极极板之间形成冷却液流动区。根据本发明的燃料电池结构，强度高且厚度薄，同时能保证燃料电池堆具有合适的工作温度。

Description

燃料电池结构、燃料电池堆和车辆

技术领域

本发明涉及一种将化学能转化为电能的装置，具体而言，涉及一种燃料电池结构、燃料电池堆和车辆。

背景技术

相关技术中，在电化学电池、特别是燃料电池等部件中，堆叠有多个燃料电池单体(例如电池单体)，现有的多个燃料电池单体的堆叠厚度较大，影响了多个燃料电池单体的整体堆叠厚度，增大了整体体积和安装空间。

以现有技术中的第一种燃料电池结构100a为例，如图4所示，燃料电池结构100a的每个电池单体10a包括氢气侧极板(即阳极极板2a)、膜电极扩散层组件3a、空气侧极板(即阴极极板1a)，氢气侧极板2a与膜电极扩散层组件3a之间形成氢气流动区(即阳极介质流动区211a)，空气侧极板1a与膜电极扩散层组件3a之间形成空气流动区(即阴极介质流动区111a)。相邻的两个电池单体10a中，一个电池单体10a的氢气流动区211a的底壁与另一个电池单体10a的空气流动区111a的底壁一一对应且邻接贴合，相邻的两个氢气流动区211a之间的内凹区域与相邻的两个空气流动区111a之间的内凹区域共同形成冷却液流动区4a，以对电池单体10a进行换热。

为减小燃料电池单体的整体堆叠厚度，第一种燃料电池结构100a将氢气侧极板2a和空气侧极板1a的厚度减小，但进而氢气流动区211a和空气流动区111a的流道截面积会减小，导致压降损耗显著增大，其中最为突出的问题是，空气流动区111a流道截面积的减小，会要求空气泵的体积重量成本功耗严重增加。

以现有技术中的第二种燃料电池结构100b为例，如图5所示，每两个电池单体10b之间仅设有一层冷却液流动区4b。阳极极板2b与膜电极扩散层组件3b之间形成阳极介质流动区211b，阴极极板1b与膜电极扩散层组件3b之间形成阴极介质流动区111b。由于冷却液流动区4b采用的是错峰蜿蜒的流道，所以在图5示出的截面中，阳极极板2b和阴极极板2b之间没有接触，冷却液沿图5的左右方向流动，而在图5示出的截面的前移或后移的截面中，阳极极板2b和阴极极板1b之间有接触，从而保证垂直方向的电流流通并承受装堆压紧力。虽然第二种燃料电池结构100b的结构可以使整体厚度变薄，但是仅减小一块极板的厚度，电池单体10b之间的温度一致性略有下降，装配工艺略为复杂。

以现有技术中的第三种燃料电池结构100c为例，如图6所示，每个电池单体10c的阳极极板2c和阴极极板1c有着不同的高度，两者之间有一定的交叠。阳极极板2c与膜电极扩散层组件3c之间形成阳极介质流动区211c，阴极极板1c与膜电极扩散层组件3c之间形成阴极介质流动区111c。但是给第三种燃料电池结构100c给冷却液流动区4c分配的截面积及体积依然具有压缩潜力。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种至少能在一定程度上提高强度和空间利用率的燃料电池结构。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种燃料电池结构，包括多个电池单体，所述燃料电池结构具有反应流道区，每个所述电池单体在所述反应流道区内均包括：阴极极板、阳极极板和膜电极扩散层组件，每个所述电池单体中，所述膜电极扩散层组件夹设在所述阴极极板和所述阳极极板之间，所述阴极极板与所述膜电极扩散层组件之间形成多个第一凹槽，所述第一凹槽内形成阴极介质流动区，所述阴极极板在每个所述第一凹槽的两侧分别形成第二凹槽，所述阳极极板与所述膜电极扩散层组件之间形成多个第三凹槽，所述第三凹槽内形成阳极介质流动区，其中，所述第一凹槽的底壁与相邻的所述电池单体的所述阳极极板贴合，所述第二凹槽的底壁与相邻的所述电池单体的所述第三凹槽的底壁贴合，且所述阴极极板与相邻的所述电池单体的所述阳极极板之间形成冷却液流动区。

进一步地，所述阳极极板在每个所述第三凹槽的两侧分别形成第四凹槽，每个所述第一凹槽分别位于一个所述第四凹槽内，且所述第一凹槽的底壁与所述第四凹槽的底壁贴合，每个所述第三凹槽分别位于一个所述第二凹槽内，且所述第三凹槽的底壁与所述第二凹槽的底壁贴合。

进一步地，所述第一凹槽与对应的所述第四凹槽之间、以及所述第三凹槽与对应的所述第二凹槽之间均形成所述冷却液流动区。

进一步地，所述第一凹槽的两侧与对应的所述第四凹槽之间、以及所述第三凹槽的两侧与对应的所述第二凹槽之间均形成所述冷却液流动区。

进一步地，所述电池单体均为氢氧燃料电池，所述阴极介质流动区内流动空气，所述阳极介质流动区内流动氢气。

进一步地，所述阳极介质流动区的流动截面小于所述阴极介质流动区的流动截面。

进一步地，所述阳极介质流动区的流动截面等于所述阴极介质流动区的流动截面。

进一步地，每个所述膜电极扩散层组件均包括质子交换层、催化剂层和气体扩散层，所述质子交换层的两侧分别设有所述催化剂层，所述催化剂层在背离所述质子交换层的一侧设有所述气体扩散层。

相对于现有技术，本发明所述的燃料电池结构具有以下优势：

1)根据本发明的燃料电池结构，通过令所述第一凹槽的底壁与相邻的所述电池单体的所述阳极极板贴合，并令所述第二凹槽的底壁与相邻的所述电池单体的所述第三凹槽的底壁贴合，增大了相邻的两个电池单体的接触面积，提高了燃料电池结构的强度，此外减小了燃料电池结构的整体厚度，同时能保证所述燃料电池结构具有合适的工作温度。

本发明的另一目的在于提出一种燃料电池堆，包括上述任一种所述的燃料电池结构。

根据本发明的燃料电池堆，通过设置上述电池结构，电池包的工作可靠性高，且电池包体积可以更小，更便于布置。

本发明的另一目的在于提出一种车辆，包括上述任一种所述的燃料电池堆。

根据本发明的车辆，通过设置上述燃料电池堆，车辆的可靠性高。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，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为本发明第一实施例所述的燃料电池结构在反应流道区内的结构示意图；

图2为本发明第二实施例所述的燃料电池结构在反应流道区内的结构示意图；

图3为本发明所述的膜电极扩散层组件的结构示意图；

图4为现有技术中第一种燃料电池结构的结构示意图；

图5为现有技术中第二种燃料电池结构的结构示意图；

图6为现有技术中第三种燃料电池结构的结构示意图。

附图标记说明：

燃料电池结构100(100a，100b，100c)，电池单体10(10a，10b，10c)，阴极极板1(1a，1b，1c)，第一凹槽11，阴极介质流动区111(111a，111b，111c)，第二凹槽12，阳极极板2(2a，2b，2c)，第三凹槽21，阳极介质流动区211(211a，211b，211c)，第四凹槽22，膜电极扩散层组件3(3a，3b，3c)，质子交换层31，催化剂层32，气体扩散层33，冷却液流动区4(4a，4b，4c)。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

下面参考图1-图3并结合实施例描述本发明实施例的燃料电池结构100。

如图1-图3所示，燃料电池结构100可以包括多个电池单体10，多个电池单体10堆叠形成燃料电池结构100。

如图1和图2所示，燃料电池结构100具有反应流道区，在反应流道区内均包括阴极极板1、阳极极板2和膜电极扩散层组件3，在每个电池单体10中，膜电极扩散层组件3夹设在阴极极板1和阳极极板2之间，即阴极极板1与膜电极扩散层组件3的一侧贴合，阳极极板2与膜电极扩散层组件3的另一侧贴合。

如图1和图2所示，阴极极板1的一部分远离膜电极扩散层组件3凸起，以在该部分与膜电极扩散层组件3之间形成第一凹槽11，每个第一凹槽11内形成阴极介质流动区111，用于发生电池单体10的阴极化学反应的阴极介质在阴极介质流动区111内流动。阴极极板1形成多个第一凹槽11，每个第一凹槽11的两侧分别形成第二凹槽12。

如图1和图2所示，阳极极板2的一部分远离膜电极扩散层组件3凸起，以在该部分与膜电极扩散层组件3之间形成第三凹槽21，每个第三凹槽21内形成阳极介质流动区211，用于发生电池单体10的阳极化学反应的阳极介质在阳极介质流动区211内流动。阳极极板2形成多个第三凹槽21。

在一些实施例中，膜电极扩散层组件3允许带有正电的介质经过而不允许带有负电的介质经过。在另一些实施例中，膜电极扩散层组件3允许带有负电的介质经过而不允许带有正电的介质经过。

在一些实施例中，通过阳极化学反应，阳极介质分解成质子和电子，其中质子通过膜电极扩散层组件到达阴极极板1，电子通过外电路到达阴极极板1，以形成电流。

此外，膜电极扩散层组件3用于阻隔阴极介质与阳极介质，避免阴极介质与阳极介质直接接触而发生化学反应。

如图1和图2所示，每个第三凹槽21均位于第二凹槽12内，第二凹槽12的底壁与相邻的电池单体10的第三凹槽21的底壁贴合，由此相对现有技术中第一凹槽的底壁与第三凹槽的底壁贴合，本发明中的第三凹槽21可以占用第二凹槽12空出的空间。由此，相对现有技术，本发明的燃料电池结构100沿多个电池单体10堆叠方向的厚度减小，从而燃料电池结构100的占用空间小，减小了燃料电池的体积。

此外，每个电池单体10的第一凹槽11的底壁和第二凹槽12的底壁均与相邻的电池单体10的阳极极板2支撑贴合，相对现有技术中仅有第一凹槽的底壁与相邻的电池单体的阳极极板支撑贴合，本发明的燃料电池结构100中相邻的两个电池单体10之间的支撑贴合面积更大，支撑性更好，从而本发明的燃料电池结构100的强度更高，同时电池单体10之间的支撑贴合面积更大还减少了相邻的两个极板(阳极极板2和阴极极板1)之间的接触电阻。

如图1-图2所示，阴极极板1与相邻的电池单体10的阳极极板2之间形成冷却液流动区4，冷却液在冷却液流动区4内流动，以对阴极极板1和阳极极板2进行换热，避免阴极极板1和阳极极板2在反应过程中产热过大，保证燃料电池结构100的正常工作。

此外，本发明还克服了以下技术偏见：

目前本领域技术人员普遍认为，为保证对燃料电池的换热效果，需要令冷却液流动区4具有较大过流面积，以增加滞留在燃料电池内的冷却液的容量。但是发明人研究发现，冷却液的换热效果主要取决于单位时间流过燃料电池的冷却液的流量，而不是滞留在燃料电池内的冷却液的容量。如果减小冷却液流动区4分配的截面积及体积，只要保持流量不变，就能够保持换热效果不变。更进一步地，减小冷却液流动区4分配的截面积及体积还能够减小燃料电池的热容量，便于严寒环境的超低温启动。

此外，减小冷却液流动区4截面积，虽然会提高冷却液循环的压降损耗。但是在现有技术中，冷却液泵的功耗相对于电池结构整体的功率的比例通常很低(一般为1％)。即使减小冷却液流动区截面积，冷却液泵在燃料电池结构100总体中的功耗占比也仅仅会从1％增大到2％，不会对电池结构整体的功率造成明显影响。

由此，本发明通过令第三凹槽21位于第二凹槽12内，第二凹槽12的底壁与相邻的电池单体10的第三凹槽21的底壁贴合，相比现有技术(图4-图6)，本发明的冷却液流动区4虽然体积更小，但同时也能保证对阴极极板1和阳极极板2的有效换热，保证燃料电池结构100具有合适的工作温度。

此外，电池单体10的阴极极板1和相邻的电池单体10的阳极极板2贴合，可以直接令相邻的两个电池单体10串联，从而多个电池单体10串联使燃料电池结构100能输出较高的工作电压。

具体地，如图1-图2所示，每个阴极介质流动区111与阳极介质流动区211在膜电极扩散层组件3的两侧一一对应，以便于阴极介质流动区111的阴极介质与阳极介质流动区211的阳极介质通过膜电极扩散层组件3发生化学反应。

具体地，如图1-图2所示，阳极极板2在每个第三凹槽21的两侧分别形成第四凹槽22，每个第一凹槽11分别位于一个第四凹槽22内，且第一凹槽11的底壁与第四凹槽22的底壁贴合，每个第三凹槽21分别位于一个第二凹槽12内，且第三凹槽21的底壁与第二凹槽12的底壁贴合。由此可以使每个电池的阳极极板2的凹处与相邻的电池的阴极极板1的凸处配合，每个电池的阳极极板2的凸处与相邻的电池的阴极极板1的凹处配合，两者凹凸互补相互咬合，峰峰接触且谷谷接触，由此可以进一步减小燃料电池结构100在沿多个电池单体10堆叠方向的厚度。

更加具体地，如图1-图2所示，第一凹槽11与对应的第四凹槽22之间、以及第三凹槽21与对应的第二凹槽12之间均形成冷却液流动区4。由此，冷却液在相邻的两个电池单体10之间的流动区域较大，提高了对电池单体10的换热性能。

具体地，如图1-图2所示，第一凹槽11的两侧与对应的第四凹槽22之间、以及第三凹槽21的两侧与对应的第二凹槽12之间均形成冷却液流动区4。由此，冷却液流动区4内的冷却液可以与第一凹槽11的侧面以及第三凹槽21的侧面接触，冷却液流动区4内的冷却液与第一凹槽11和第二凹槽12的接触面积较大，从而提高对第一凹槽11内的阴极介质以及第三凹槽21内的阳极介质的换热效果，保证燃料电池结构100正常工作。

在一些具体的实施例中，电池单体10均为氢氧燃料电池，阴极介质流动区111内流动空气，阳极介质流动区211内流动氢气。

氢气在在膜电极扩散层组件3朝向阳极极板2一侧的催化剂作用下分解为氢离子(即质子)和电子，质子通过膜电极扩散层组件3到达阴极极板1，电子通过外电路传到阴极极板1以形成电流，在阴极侧，阳极介质中的氧气与质子和外电路来的电子在膜电极扩散层组件3朝向阴极极板1一侧的催化剂作用下反应生成水。由此，通过氢气和空气中的氧气发生反应以形成电势差，反应生成的产物水可以通过阴极极板1蒸发至外界大气。

由于在氢氧燃料电池中，氢气流量通常只有空气流量的20～30％，并且由于氢气的黏度较低，所以减小氢气的流道截面积，并不会显著增大氢气流道的压降损耗。因此，在一些具体的实施例中，如图1所示，氢气所在的阳极介质流动区211的流动截面小于空气所在的阴极介质流动区111的流动截面，从而可以增大阴极介质流动区111或/和冷却液流动区4的流动截面，以便于空气或/和冷却液的顺利流动，保证燃料电池结构100的正常工作。

此外，通过减少冷却液流动区4流动截面积，可以对应扩大阴极介质流动区111的流动截面积，空气在阴极介质流动区111内流动阻力更小，从而显著降低了空气泵在燃料电池结构100总体中的功耗占比(例如从20％降至10％)。

在另一些具体的实施例中，如图2所示，阳极介质流动区211的流动截面等于阴极介质流动区111的流动截面。由此，阴极极板1和阳极极板2的结构可以相同，便于燃料电池结构100的制造。

具体地，如图3所示，每个膜电极扩散层组件3均包括质子交换层31(例如质子交换膜)、催化剂层32和气体扩散层33，质子交换层31的两侧分别设有催化剂层32，催化剂层32在背离质子交换层31的一侧设有气体扩散层33。

阳极介质流动区211的负极气体介质(例如氢气)在阳极极板2处的气体扩散层33发生电池阳极化学反应，阳极极板2处的催化剂层32可以加强电池阳极化学反应的进行。阴极介质流动区111的正极气体介质(例如空气)在阴极极板1处的气体扩散层33发生电池阴极化学反应，阴极极板1处的催化剂层32可以加强电池阴极化学反应的进行。质子交换层31可以保证电池阳极化学反应产生的氢离子通过质子交换层31进入阴极极板1处的气体扩散层33，以进行电池阴极化学反应。

具体地，催化剂层32可以由微米级的碳纤维层上附着纳米级的铂颗粒制成，气体扩散层33可以为多孔碳纤维层。

下面描述本发明实施例的燃料电池堆。

本发明实施例的燃料电池堆设有如本发明上述任一种实施例的燃料电池结构100。

根据本发明实施例的燃料电池堆，通过设置燃料电池结构100，燃料电池堆的工作可靠性高，且燃料电池堆体积可以更小，更便于布置。

下面描述本发明实施例的车辆。

本发明实施例的车辆设有如本发明上述任一种实施例的燃料电池堆。

根据本发明实施例的车辆，通过设置燃料电池堆，车辆的可靠性高。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (10)

1.一种燃料电池结构，其特征在于，包括多个电池单体，所述燃料电池结构具有反应流道区，每个所述电池单体在所述反应流道区内均包括：阴极极板、阳极极板和膜电极扩散层组件，每个所述电池单体中，所述膜电极扩散层组件夹设在所述阴极极板和所述阳极极板之间，所述阴极极板与所述膜电极扩散层组件之间形成多个第一凹槽，所述第一凹槽内形成阴极介质流动区，所述阴极极板在每个所述第一凹槽的两侧分别形成第二凹槽，所述阳极极板与所述膜电极扩散层组件之间形成多个第三凹槽，所述第三凹槽内形成阳极介质流动区；

其中，所述第一凹槽的底壁与相邻的所述电池单体的所述阳极极板贴合，所述第二凹槽的底壁与相邻的所述电池单体的所述第三凹槽的底壁贴合，且所述阴极极板与相邻的所述电池单体的所述阳极极板之间形成冷却液流动区。

2.根据权利要求1所述的燃料电池结构，其特征在于，所述阳极极板在每个所述第三凹槽的两侧分别形成第四凹槽，每个所述第一凹槽分别位于一个所述第四凹槽内，且所述第一凹槽的底壁与所述第四凹槽的底壁贴合，每个所述第三凹槽分别位于一个所述第二凹槽内，且所述第三凹槽的底壁与所述第二凹槽的底壁贴合。

3.根据权利要求2所述的燃料电池结构，其特征在于，所述第一凹槽与对应的所述第四凹槽之间、以及所述第三凹槽与对应的所述第二凹槽之间均形成所述冷却液流动区。

4.根据权利要求3所述的电池结构，其特征在于，所述第一凹槽的两侧与对应的所述第四凹槽之间、以及所述第三凹槽的两侧与对应的所述第二凹槽之间均形成所述冷却液流动区。

5.根据权利要求1所述的燃料电池结构，其特征在于，所述电池单体均为氢氧燃料电池，所述阴极介质流动区内流动空气，所述阳极介质流动区内流动氢气。

6.根据权利要求5所述的燃料电池结构，其特征在于，所述阳极介质流动区的流动截面小于所述阴极介质流动区的流动截面。

7.根据权利要求1所述的燃料电池结构，其特征在于，所述阳极介质流动区的流动截面等于所述阴极介质流动区的流动截面。

8.根据权利要求5所述的燃料电池结构，其特征在于，每个所述膜电极扩散层组件均包括：质子交换层、催化剂层和气体扩散层，所述质子交换层的两侧分别设有所述催化剂层，所述催化剂层在背离所述质子交换层的一侧设有所述气体扩散层。

9.一种燃料电池堆，其特征在于，设有如权利要求1-8中任一项所述的燃料电池结构。

10.一种车辆，其特征在于，设置有如权利要求9所述的燃料电池堆。

Images