CN111952620A - 一种金属极板空冷燃料电池电堆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属极板空冷燃料电池电堆，2个所述隔绝板之间夹持有若干单电池，入口端所述端板与单电池之间设有隔绝板和集电板，出口端所述端板与单电池之间设有隔绝板和集电板，入口端所述端板和隔绝板上设有燃料气体供给歧管及燃料电池排出歧管，所述隔绝板与单电池之间设有燃料气体密封垫；所述单电池包括：膜电极、阳极板与阴极板；所述阴极板上设置有氧化剂气体流道和冷媒气体流道；所述隔绝板上设置有氧化剂气体旁路流道、边缘凸部和支撑凸部。本发明在靠近端板位置设置氧化剂气体旁路流道，有效解决靠近端板单电池氧化剂气体供给不足的问题，使空冷燃料电池电堆各个单电池间氧化剂气体供给更加均衡。
Description
技术领域
本发明涉及冷燃料电池技术领域，具体领域为一种金属极板空冷燃料电池电堆。
背景技术
燃料电池是一种能量转化装置，通过电化学反应将贮存在燃料气体和氧化剂气体中的化学能直接转化为电能，具有能量转化效率高，环境污染少的优点，有着广泛的应用前景。通常燃料电池具有将多个单电池层叠而成的堆叠结构，行业统称其为燃料电池电堆。各单电池具有如下构造：
膜电极(MEA：Membrane-Electrode Assembly)与双极板，在两者之间形成有用于沿着膜电极表面供给反应气体的气体流道。反应气体从设置在双极板外缘部的反应气体的供给歧管流经膜电极的表面，朝向设置在与供给歧管的外缘部相对的外缘部上的排出歧管流动。向构成燃料电池MEA的阳极电极表面供给燃料气体并向另一方阴极电极表面供给氧化剂气体而产生电化学反应，由此进行发电。
燃料电池由于冷却方式的不同可以分为空气冷却燃料电池(下文简称空冷燃料电池)与液体冷却燃料电池，因为空冷燃料电池结构简单紧凑、供电反应迅速等优点，所以被广泛应用于备用电源、无人机动力电池、叉车动力电池、便携式电源等场景。
空冷燃料电池系统中，反应用氧化剂气体与燃料电池电堆散热冷媒气体均由风机提供，所以各单电池氧化剂气体供给存在不均匀问题，靠近电堆两端的单电池的氧化剂气体存在供给不足，导致靠近电堆两端的单电池发电效率下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属极板空冷燃料电池电堆，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种金属极板空冷燃料电池电堆，金属极板空冷燃料电池电堆包括单电池、燃料气体密封垫、集电板、隔绝板、端板、紧固螺杆和紧固螺栓，2个所述隔绝板之间夹持有若干单电池，入口端所述端板与单电池之间设有隔绝板和集电板，出口端所述端板与单电池之间设有隔绝板和集电板，入口端所述端板和隔绝板上设有燃料气体供给歧管及燃料电池排出歧管，所述隔绝板与单电池之间设有燃料气体密封垫，2个所述端板之间通过紧固螺杆和紧固螺栓固定连接；所述单电池包括：膜电极、阳极板与阴极板；所述阴极板上设置有氧化剂气体流道和冷媒气体流道；所述隔绝板上设置有氧化剂气体旁路流道、边缘凸部和支撑凸部，入口端的集电板及出口端的集电板是各单电池的发电电力的采集板，用于将收集到的电力向外部输出。燃料电池电堆具有将多片单电池沿着Z方向(以下简称“堆叠方向”)堆叠，入口端的隔绝板及出口端的隔绝板是为了将入口端的集电板及出口端的集电板与入口端的端板及出口端的端板进行电气隔离，燃料电池将燃料气体从入口端的端板经由供给歧管向各个单电池供给，并将来自各个单电池的排出气体及排出水从入口端的端板经由排出歧管向外部排出。但是，没有限定于此，例如，也可以构成为从入口端的端板供给燃料气体并从出口端的端板将排出气体及排出水向外部排出的类型等各种类型的燃料电池；所述单电池包括：膜电极、阳极板与阴极板；所述阴极板上设置有氧化剂气体流道和冷媒气体流道；所述隔绝板上设置有氧化剂气体旁路流道、边缘凸部和支撑凸部，所述隔绝板上设置的支撑凸部可以为集电板提供分段式支撑，可以提供更均匀的面支撑力；所述隔绝板上设置有边缘凸部，所述边缘凸部设于支撑凸部的两侧，用于隔绝板与集电板之间的定位与固定。
优选的，所述单电池的膜电极、阳极板与阴极板通过粘接剂复合成型。
优选的，所述粘接剂为硅橡胶、聚烯烃类弹性体、聚丙烯酸酯类弹性体、丁腈橡胶、氯丁橡胶、氟橡胶、工程塑料制成。
优选的，所述阴极板为0.05-0.2mm金属薄板冲压成型，金属薄板可以是316L不锈钢、钛合金、铝合金等。
优选的，所述阴极板上冲压成型有氧化剂气体流道和冷媒气体流道，氧化剂气体旁路流道141可以为集电板13A、13C提供冷却用的冷媒，所述氧化剂气体流道槽部宽度大于等于冷媒气体流道槽部宽度，且氧化剂气体流道槽部宽度不大于3mm。
优选的，所述隔绝板布置于集电板与端板之间，用于电气隔绝与热力隔绝。
优选的，所述隔绝板由精密注射成型，材料是电木、尼龙、硅橡胶、工程塑料等。
优选的，所述集电板嵌入式布置在隔绝板上，所述集电板朝向隔绝板方向接触面与隔绝板的支撑凸部接触，并形成氧化剂气体旁路流道，所述氧化剂气体旁路流道可以分流氧化剂气体流量，减小盲端效应，使端部单电池氧化剂气体流道气体流与其余位置趋于一致，所述氧化剂气体旁路流道可以为集电板进行冷却，提升导电效率，减少电阻损耗；氧化剂气体流道为燃料电池提供反应所需要的氧化剂，冷媒气体流道为燃料电池提供散热所需要的冷媒，所述氧化剂气体与冷媒均为空气。本实施案例氧化剂气体流道与冷媒气体流道之间槽的宽度比为1.5，但不限于1.5，可以是1.0-3.0的比例内的任意值。
优选的，所述氧化剂气体旁路流道槽部宽度大于等于氧化剂气体流道槽部宽度，且氧化剂气体旁路流道槽部宽度不大于4mm，所述氧化剂气体旁路流道槽部深度小于等于氧化剂气体流道槽部深度，所述氧化剂气体旁路流道槽部深度不小于1mm。图5是表示没有设置氧化剂气体旁路流道的电堆剖视图的局部放大图，远端单电池的氧化剂气体流道由于靠近燃料电池端板15C侧边缘，氧化剂气体供给量少于远离端侧的单电池的氧化剂气体流道。由此造成的靠近燃料电池端板侧的单电池反应效率下降。图7是表示有设置氧化剂气体旁路流道的电堆剖视图的局部放大图，远端集电板与远端隔绝板形成氧化剂气体旁路流道，使得氧化剂气体旁路流道成为最靠近远端端板的氧化剂气体流道。本发明设计的有益效果使远端单电池的氧化剂气体流道与远离端侧的单电池的氧化剂气体流道有相近氧化剂气体供给，提升了远端单电池的反应效率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明在靠近端板位置设置氧化剂气体旁路流道，有效解决靠近端板单电池氧化剂气体供给不足的问题，使空冷燃料电池电堆各个单电池间氧化剂气体供给更加均衡。
2、本发明将集电板嵌入隔绝板中，并设计先关定位固定结构，可以有效提高组装一致性与可靠性。同时集电板与隔绝板之间设置的氧化剂气体旁路流道因为氧化剂气体通过，可以为集电板提供散热需求，提高电导率。
3、本发明隔绝板上设置的支撑凸部对集电板进行分段式支撑，能够弥补因为集电板加工误差造成的与隔绝板接触不实，并造成集电板对单电池面压力的不均匀而造成发电效率降低的情况。
4、本发明膜电极与双极板通过粘接复合，保证了单电池结构的一致性与燃料气体密封的可靠性
附图说明
图1为本发明的空冷燃料电池电堆结构的概略立体图；
图2为本发明的空冷燃料电池电堆结构的正视图；
图3为图2中B部的放大结构示意图；
图4为本发明没有设置氧化剂气体旁路流道时的电堆剖视图，剖视方向是图2R-R方向；
图5为图4中D1部的放大结构示意图；
图6为本发明设置有氧化剂气体旁路流道时的电堆剖视图，剖视方向是图2R-R方向；
图7为图6中D2部的放大结构示意图。
图中：10-燃料电池电堆、11-单电池、113-阴极板、113A-氧化剂气体流道、113B-冷媒气体流道、12-燃料气体密封垫、13-集电板、14-隔绝板、141-氧化剂气体旁路流道、142-边缘凸部、143-支撑凸部、15-端板、16-紧固螺栓、17-紧固螺杆。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：一种金属极板空冷燃料电池电堆10，金属极板空冷燃料电池电堆包括单电池11、燃料气体密封垫12、集电板13、隔绝板14、端板15、紧固螺杆17和紧固螺栓16，2个所述隔绝板14之间夹持有若干单电池11，入口端所述端板15与单电池11之间设有隔绝板14和集电板13，出口端所述端板15与单电池11之间设有隔绝板14和集电板13，入口端所述端板15和隔绝板14上设有燃料气体供给歧管及燃料电池排出歧管，所述隔绝板14与单电池11之间设有燃料气体密封垫12，2个所述端板15之间通过紧固螺杆17和紧固螺栓16固定连接；所述单电池11包括：膜电极、阳极板与阴极板113；所述阴极板113上设置有氧化剂气体流道113A和冷媒气体流道113B；所述隔绝板14上设置有氧化剂气体旁路流道141、边缘凸部142和支撑凸部143，入口端的集电板13及出口端的集电板13是各单电池11的发电电力的采集板，用于将收集到的电力向外部输出。燃料电池电堆10具有将多片单电池11沿着Z方向(以下简称“堆叠方向”)堆叠，入口端的隔绝板14及出口端的隔绝板14是为了将入口端的集电板13及出口端的集电板13与入口端的端板15及出口端的端板15进行电气隔离，燃料电池将燃料气体从入口端的端板15经由供给歧管向各个单电池11供给，并将来自各个单电池11的排出气体及排出水从入口端的端板15经由排出歧管向外部排出。但是，没有限定于此，例如，也可以构成为从入口端的端板15供给燃料气体并从出口端的端板15将排出气体及排出水向外部排出的类型等各种类型的燃料电池；所述单电池11包括：膜电极、阳极板与阴极板113；所述阴极板113上设置有氧化剂气体流道113A和冷媒气体流道113B；所述隔绝板14上设置有氧化剂气体旁路流道141、边缘凸部142和支撑凸部143，所述隔绝板14上设置的支撑凸部143可以为集电板13提供分段式支撑，可以提供更均匀的面支撑力；所述隔绝板14上设置有边缘凸部142，所述边缘凸部142设于支撑凸部143的两侧，用于隔绝板14与集电板13之间的定位与固定。
具体而言，所述单电池11的膜电极、阳极板与阴极板113通过粘接剂复合成型。
具体而言，所述粘接剂为硅橡胶、聚烯烃类弹性体、聚丙烯酸酯类弹性体、丁腈橡胶、氯丁橡胶、氟橡胶、工程塑料制成。
具体而言，所述阴极板113为0.05-0.2mm金属薄板冲压成型，金属薄板可以是316L不锈钢、钛合金、铝合金等。
具体而言，所述阴极板113上冲压成型有氧化剂气体流道113A和冷媒气体流道113B，氧化剂气体旁路流道141可以为集电板13、13C提供冷却用的冷媒，所述氧化剂气体流道113A槽部宽度大于等于冷媒气体流道113B槽部宽度，且氧化剂气体流道113A槽部宽度不大于3mm。
具体而言，所述隔绝板14布置于集电板13与端板15之间，用于电气隔绝与热力隔绝。
具体而言，所述隔绝板14由精密注射成型，材料是电木、尼龙、硅橡胶、工程塑料等。
具体而言，所述集电板13嵌入式布置在隔绝板14上，所述集电板13朝向隔绝板14方向接触面与隔绝板14的支撑凸部143接触，并形成氧化剂气体旁路流道141，所述氧化剂气体旁路流道141可以分流氧化剂气体流量，减小盲端效应，使端部单电池11氧化剂气体流道113A气体流与其余位置趋于一致，所述氧化剂气体旁路流道141可以为集电板13进行冷却，提升导电效率，减少电阻损耗；氧化剂气体流道113A为燃料电池提供反应所需要的氧化剂，冷媒气体流道113B为燃料电池提供散热所需要的冷媒，所述氧化剂气体与冷媒均为空气。本实施案例氧化剂气体流道113A与冷媒气体流道113B之间槽的宽度比为1.5，但不限于1.5，可以是1.0-3.0的比例内的任意值。
具体而言，所述氧化剂气体旁路流道141槽部宽度大于等于氧化剂气体流道113A槽部宽度，且氧化剂气体旁路流道141槽部宽度不大于4mm，所述氧化剂气体旁路流道141槽部深度小于等于氧化剂气体流道113A槽部深度，所述氧化剂气体旁路流道141槽部深度不小于1mm。图5是表示没有设置氧化剂气体旁路流道141的电堆剖视图的局部放大图D1，远端单电池11的氧化剂气体流道113A由于靠近燃料电池端板15侧边缘，氧化剂气体供给量少于远离端侧的单电池11的氧化剂气体流道113A。由此造成的靠近燃料电池端板15侧的单电池11反应效率下降。图7是表示有设置氧化剂气体旁路流道141的电堆剖视图的局部放大图D2，远端集电板13与远端隔绝板141形成氧化剂气体旁路流道141，使得氧化剂气体旁路流道141成为最靠近远端端板15的氧化剂气体流道113A。本发明设计的有益效果使远端单电池11的氧化剂气体流道113A与远离端侧的单电池11的氧化剂气体流道113A有相近氧化剂气体供给，提升了远端单电池11的反应效率。
工作原理：燃料电池将燃料气体从入口端的端板经由供给歧管向各个单电池供给，并将来自各个单电池的排出气体及排出水从入口端的端板经由排出歧管向外部排出。但是，没有限定于此，例如，也可以构成为从入口端的端板供给燃料气体并从出口端的端板将排出气体及排出水向外部排出的类型等各种类型的燃料电池。氧化剂气体流道为燃料电池提供反应所需要的氧化剂，冷媒气体流道为燃料电池提供散热所需要的冷媒，所述氧化剂气体与冷媒均为空气。本实施案例氧化剂气体流道与冷媒气体流道之间槽的宽度比为1.5，但不限于1.5，可以是1.0-3.0的比例内的任意值。空冷燃料电池氧化剂气体由风机提供，风机置于燃料电池一侧，氧化剂气体从风机相对一侧向燃料电池内的各个单电池供给氧化剂，将来自各个单电池的排出气体及排出水经由风机侧向外部排出。入口端的集电板及出口端的集电板是各单电池的发电电力的采集板，用于将收集到的电力向外部输出。入口端的隔绝板及出口端的隔绝板是为了将入口端的集电板及出口端的集电板与入口端的端板及出口端的端板进行电气隔离。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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。
本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种金属极板空冷燃料电池电堆，其特征在于：金属极板空冷燃料电池电堆包括单电池(11)、燃料气体密封垫(12)、集电板(13)、隔绝板(14)、端板(15)、紧固螺杆(17)和紧固螺栓(16)，2个所述隔绝板(14)之间夹持有若干单电池(11)，入口端所述端板(15)与单电池(11)之间设有隔绝板(14)和集电板(13)，出口端所述端板(15)与单电池(11)之间设有隔绝板(14)和集电板(13)，入口端所述端板(15)和隔绝板(14)上设有燃料气体供给歧管及燃料电池排出歧管，所述隔绝板(14)与单电池(11)之间设有燃料气体密封垫(12)，2个所述端板(15)之间通过紧固螺杆(17)和紧固螺栓(16)固定连接；所述单电池(11)包括：膜电极、阳极板与阴极板(113)，所述阴极板(113)上设置有氧化剂气体流道(113A)和冷媒气体流道(113B)，所述隔绝板(14)上设置有氧化剂气体旁路流道(141)、边缘凸部(142)和支撑凸部(143)，所述边缘凸部(142)设于支撑凸部(143)的两侧。
2.根据权利要求1所述的一种金属极板空冷燃料电池电堆，其特征在于：所述单电池(11)的膜电极、阳极板与阴极板(113)通过粘接剂复合成型。
3.根据权利要求2所述的一种金属极板空冷燃料电池电堆，其特征在于：所述粘接剂为硅橡胶、聚烯烃类弹性体、聚丙烯酸酯类弹性体、丁腈橡胶、氯丁橡胶、氟橡胶、工程塑料制成。
4.根据权利要求1所述的一种金属极板空冷燃料电池电堆，其特征在于：所述阴极板(113)为0.05-0.2mm金属薄板冲压成型。
5.根据权利要求1所述的一种金属极板空冷燃料电池电堆，其特征在于：所述阴极板(113)上冲压成型有氧化剂气体流道(113A)和冷媒气体流道(113B)，所述氧化剂气体流道(113A)槽部宽度大于等于冷媒气体流道(113B)槽部宽度，且氧化剂气体流道(113A)槽部宽度不大于3mm。
6.根据权利要求1所述的一种金属极板空冷燃料电池电堆，其特征在于：所述隔绝板(14)布置于集电板(13)与端板(15)之间。
7.根据权利要求1所述的一种金属极板空冷燃料电池电堆，其特征在于：所述隔绝板(14)由精密注射成型。
8.根据权利要求1所述的一种金属极板空冷燃料电池电堆，其特征在于：所述集电板(13)嵌入式布置在隔绝板(14)上，所述集电板(13)朝向隔绝板(14)方向接触面与隔绝板(14)的支撑凸部(143)接触，并形成氧化剂气体旁路流道(141)。
9.根据权利要求1所述的一种金属极板空冷燃料电池电堆，其特征在于：所述氧化剂气体旁路流道(141)槽部宽度大于等于氧化剂气体流道(113A)槽部宽度，且氧化剂气体旁路流道(141)槽部宽度不大于4mm，氧化剂气体旁路流道(141)槽部深度小于等于氧化剂气体流道(113A)槽部深度，氧化剂气体旁路流道(141)槽部深度不小于1mm。
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