CN111952647A - 一种阵列式模块化膜电极系统、燃料电池及水电解装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列式模块化膜电极系统和应用该系统的燃料电池和水电解装置。本发明的阵列式模块化膜电极系统包括：电极系统框架，电极系统框架包括间隔层叠设置的多个框架极板，还具有多个分立的电极单元安装槽孔，各个电极单元安装槽孔均贯穿多个框架极板；多个电极单元，设置于电极单元安装槽孔中，每一电极单元通过与框架极板的接触面接触，以电性连接电极系统框架。通过电极系统框架插入电极单元的设置，使得多个电池单元中的电池单体被均匀挤压，同时离散化小型化的电极单元可以一定程度消除机械应力，因而整个电极系统衰减相对现有技术更慢，寿命更长，全生命周期内效率提高。

Description

一种阵列式模块化膜电极系统、燃料电池及水电解装置

技术领域

本发明涉及膜电极领域，具体涉及一种阵列式模块化膜电极系统及应用其的燃料电池和水电解装置。

背景技术

燃料电池单体、电解装置或电池装置包括多个电化学的、平面的电池单体，所述电池单体以堆叠的形式上下相叠地或并排地设置，所述堆叠也称为电堆、单体电池堆叠。通常，所述装置包括多个电化学的、平面的电池单体，所述电池单体以堆叠的形式上下相叠地或并排地设置，所述堆叠也称为堆。根据这种经典结构，多个电池单体被机械挤压，以便减小电池单体内的接触电阻，并且以这种方式将电池单体中的损耗(过电势)保持为很微小。常规实现为，两个压力板经由夹紧元件彼此夹紧，电池单体堆叠位于这两个压力板之间。各个电化学电池单体最初直接彼此堆叠，并且随后经由夹紧元件、例如拉杆一起挤压，以便将所需的挤压压力施加到各个元件上。

然而，机械挤压缺点很多，因为在堆叠中的所有元件的均匀挤压很难保证。因此引起在活性的面上的挤压中的差异，这强制性地引起过电势的增大，进而引起电池单体内的与此相关联的不均匀的电流分布。这能够引起局部热点的出现，所述局部热点引起尤其在电池单体的电化学活性部分内的局部过载，并且损坏电池堆或各个电池单体。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种阵列式模块化膜电极系统，以解决现有技术中因堆叠中元件挤压不均匀引起局部过载造成损坏的问题。

本发明还提供一种应用该阵列式模块化膜电极系统的燃料电池，以解决现有技术中因堆叠中元件挤压不均匀引起局部过载造成损坏的问题。

本发明还提供一种应用该阵列式模块化膜电极系统的水电解装置，以解决现有技术中因堆叠中元件挤压不均匀引起局部过载造成损坏的问题。

本发明提供一种阵列式模块化膜电极系统，包括：电极系统框架，所述电极系统框架包括间隔层叠的多个框架极板，还具有多个分立的电极单元安装槽孔，各电极单元安装槽孔均贯穿所述多个所述框架极板多个电极单元，适于设置于所述电极单元安装槽孔中。

在本发明的一些实施例中，所述电极单元具有多个间隔层叠设置的膜电极板和设置于所述膜电极板中的电堆单片，相邻的所述膜电极板之间的间隔与相邻的框架极板之间的间隔距离相同。

在本发明的一些实施例中，所述电极单元通过所述电堆单片与所述框架极板电性接触。

在本发明的一些实施例中，所述膜电极板的数量与所述框架极板的数量相同。

在本发明的一些实施例中，各个所述框架极板具有电性接触面；所述膜电极板中具有插入槽，所述膜电极板的侧壁暴露出所述插入槽的开口，所述插入槽的开口适于朝向所述框架极板的电性接触面，所述插入槽适于使所述电堆单片沿所述插入槽的侧壁插入所述膜电极板中。

在本发明的一些实施例中，所述插入槽的底面适于和电堆单片接触；且所述电堆单片插入所述插入槽后被所述膜电极板暴露出的表面与所述膜电极板的一侧表面平齐。

在本发明的一些实施例中，所述电极单元包含膜电极连接结构，各个膜电极板之间通过所述膜电极连接结构电性连接，使所述电堆单片串联。

在本发明的一些实施例中，每一所述框架极板上的多个所述电极单元安装槽孔呈阵列式排布。

本发明还提供一种燃料电池，具有如上所述的阵列式模块化膜电极系统。

本发明还提供一种水电解装置，具有如上所述的阵列式模块化膜电极系统。

本发明的有益效果在于：

1.本发明的阵列式模块化膜电极系统，通过电极系统框架插入电极单元的设置，使得多个电池单元中的电池单体被均匀挤压，同时离散化小型化的电极单元可以一定程度消除机械应力，因而整个电极系统衰减相对现有技术更慢，寿命更长，全生命周期内效率提高。

2.本发明的阵列式模块化膜电极系统，通过电极单元为层叠的设置有电堆单片的膜电极板的设置，特别是以电堆单片插入的设置，保证每一电堆单片中的电池单体能够受到均匀挤压。

3.本发明的阵列式模块化膜电极系统，电极单元安装槽孔以阵列式排布，可在整体上实现任意的平面的几何图形，可以适配不同的电堆构型。

4.本发明的阵列式模块化膜电极系统，电极单元插入框架极板和电堆单片插入膜电极板的方式，可以在电堆单片发生损坏故障时快速简易的替换电堆单片，相较于现有技术整个电池片(相当于本发明中整个框架极板)进行更换，装配与维护成本低。

5.本发明的阵列式模块化膜电极系统，采用模块化电堆单片串联成电极单元的形式，可以直接实现膜电极板的压力均一性，无需外界装置或部件调整压力均一性，降低了电堆单体的机械封装难度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明的阵列式模块化膜电极系统的整体结构示意图；

图2为本发明的电极单元的结构示意图；

图3为本发明一个实施例中的电极单元的结构示意图；

附图标记说明：

1 电极系统框架

11 框架极板

2 电极单元

21 膜电极连接结构

22 膜电极板

3 电堆单片

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本发明提供一种阵列式模块化膜电极系统，参见图1-图3。图1为本发明的阵列式模块化膜电极系统的整体结构示意图。图2为本发明的电极单元的结构示意图。图3为本发明一个实施例中的电极单元的结构示意图。如图1所示，本发明的阵列式模块化膜电极系统包括：电极系统框架1，电极系统框架1包括多个间隔层叠设置的框架极板11。电极系统框架1还中具有多个分立的电极单元安装槽孔，各电极单元安装槽孔均贯穿多个框架极板11。

电极单元安装槽孔在每个框架极板11上形成多个贯穿单个框架极板11的孔H₁、H₂、H₃……H_n，每个框架极板11上的孔H₁、H₂、H₃……H_n在垂直于框架极板11的轴线上一一对应。即，每个框架极板11上的H₁均在垂直于框架极板11的轴线上对应其他框架极板11的H₁，每个框架极板11上的H₂均在垂直于框架极板11的轴线上对应其他框架极板11的H₂……每个框架极板11上的H_n均在垂直于框架极板11的轴线上对应其他框架极板11的H_n。

阵列式模块化膜电极系统还包括多个电极单元2，电极单元2适于分别设置于电极单元安装槽孔中。各个框架极板11具有电性接触面，每一电极单元2与框架极板11的电性接触面电性连接。即，模块化的电极单元2，可替换的设置于电极系统框架1的电极安装槽孔中。

在一些实施例中，电极单元2的数量与电极单元安装槽孔的数量可以相同，也可以不同。在一些优选实施例中，在一些实施例中，电极单元2的数量与电极单元安装槽孔的数量相同。即，电极单元2的数量与任一框架极板1的孔H₁、H₂、H₃……H_n的数量相同。电极单元2的数量与膜电极单元安装孔数量相同时电极系统的功率大于电极单元2的数量与膜电极单元安装孔数量不同时的功率。

在一些具体的实施例中，每个电极单元2之间的距离，小于单个电极单元2在平面上最长尺寸的1/2。每个电堆单片3的面积可为10cm²-50cm²。

本发明的阵列式模块化膜电极系统，通过电极系统框架插入电极单元的设置，使得多个电池单元中的电池单体被均匀挤压，同时离散化小型化电极可以消除机械应力，因而整个电极系统衰减相对现有技术更慢，寿命更长，全生命周期内的电能转化效率提高。相对于现有技术采用单片电堆的系统，寿命可以提高约20％，电能转化效率可提高约10％。

在本发明的一些实施例中，电极单元2具有多个间隔层叠设置的膜电极板22，膜电极板22中设置有电堆单片3。相邻的膜电极板22之间的间隔与相邻的框架极板11之间的间隔距离相同。

在一些实施例中，电极单元2通过电堆单片3与框架极板11电性接触。

在一些实施例中，电堆单片3的数量与膜电极板22的数量可以相同，也可以不同。在一些优选实施例中，电堆单片3的数量与膜电极板22的数量相同。即，每一电极单元2具有与框架极板11相同数量的膜电极板22，每一膜电极板中设置有电堆单片3。当电堆单片3的数量与膜电极板22的数量相同时，电极系统的功率相比数量不同的情况下的电极系统的功率更高。

在一些实施例中，电堆单片3可以是膜电极堆叠或电池单体堆叠。

在本发明的一些具体实施例中，各个框架极板11具有电性接触面。膜电极板22具有插入槽，膜电极板22的侧壁暴露出插入槽的开口，插入槽的开口适于朝向电性接触面。插入槽适于使电堆单片3沿插入槽的侧壁插入膜电极板22。

在本发明的一些具体实施例中，插入槽的底面适于和电堆单片3接触；且电堆单片3插入插入槽后被膜电极板22的暴露出的表面与膜电极板22的一侧表面平齐(如图3所示)。电堆单片3通过露出的这部分表面与框架极板11电性接触，实现电堆单片与电极系统的电性连接。可以实现电极单元2插入电极单元安装槽孔后，膜电极板22的侧面与电极框架11的电性接触面之间没有间隙，安装稳固，避免灰尘渗入，防止接触不良。

需指出的是，电堆单片3与框架极板11电性接触，并非限定框架极板11是完全的导体。框架极板11可以是以绝缘壳体，内部具有导电结构的形式，电堆单片通过与框架极板的电性接触面处的导电结构电性接触，实现与电极系统的电性连接。

在本发明的一些具体实施例中，电极单元2还包含膜电极连接结构21，各个膜电极板22之间通过膜电极连接结构21电性连接，使各个电堆单片3串联。

需指出的是，各个膜电极板22之间通过膜电极连接结构21电性连接并非限定膜电极连接结构21是完全的导体。膜电极连接结构21可以是以绝缘壳体，内部具有导电结构的形式，膜电极连接结构通过与膜电极板的电堆单片电性连接，实现各个电堆单片3的之间的串联。

通过这样的设置，电极单元2插入电极系统框架1后，每一膜电极板22对应电极系统框架1中的一框架极板11，电堆单片3与框架极板11接触实现电性接触。

通过电极单元为层叠的设置有电堆单片的膜电极板的设置，特别是以电堆单片插入的设置，保证每一电堆单片中的电池单体能够受到均匀挤压。

并且，模块化的电极单元和电堆单片插入膜电极板的方式，可以在电堆单片发生损坏故障时快速简易的替换电堆单片，相较于现有技术整个电池片(相当于本发明中整个框架极板)进行更换，装配与维护成本低。例如，工作中，电堆单片3插入膜电极板22，组成电极单元2。电极单元2插入电极系统框架1。当单个电堆单片3发生损坏时，只需取出电极单元2，从中取出损坏的电堆单片3，更换完好的电堆单片3，再重新插入电极系统框架1即可重新工作。相较于整个电池片更换更简单方便，维护成本更低。

在本发明的一些具体实施例中，电极单元安装槽孔H₁、H₂、H₃……H_n呈阵列式排布。

电极单元安装槽孔以阵列式排布，可以在整体上实现任意的平面的几何图形，可以适配不同的电堆构型。

实施例2

本发明还提供一种燃料电池，具有如上述实施例1所述的阵列式模块化膜电极系统。模块化膜电极系统的具体结构，如上述实施例1所述，在此不予赘述。

使用上述阵列式模块化膜电极系统的燃料电池，利用框架机构的自限特点，形成高可靠性、高效率。多层系统一方面存在电池单体的均匀挤压，另一方面在多个电池单体的情况下存在所有电池单体的均匀挤压，实现高的效率。此外，消除了拓扑方面的缺点，使得能够实现几乎任意的平面的几何形状。

本发明还提供一种燃料电池，具有如上述实施例1所述的阵列式模块化膜电极系统。模块化膜电极系统的具体结构，如上述实施例1所述，在此不予赘述。

使用上述阵列式模块化膜电极系统的水电解装置，利用框架机构的自限特点，形成高可靠性、高效率。多层系统一方面存在电池单体的均匀挤压，另一方面在多个电池单体的情况下存在所有电池单体的均匀挤压，实现高的效率。此外，消除了拓扑方面的缺点，使得能够实现几乎任意的平面的几何形状。

本发明所公开的技术方案已通过实施例说明如上。相信本领域技术人员可通过上述实施例的说明了解本发明。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种阵列式模块化膜电极系统，其特征在于，包括：

电极系统框架，所述电极系统框架包括间隔层叠设置的多个框架极板，还具有多个分立的电极单元安装槽孔，各电极单元安装槽孔均贯穿所述多个所述框架极板；

多个电极单元，适于设置于所述电极单元安装槽孔中。

2.根据权利要求1所述的阵列式模块化膜电极系统，其特征在于，

所述电极单元具有多个间隔层叠设置的膜电极板，所述膜电极板中设置有电堆单片，相邻的所述膜电极板之间的间隔与相邻的所述框架极板之间的间隔距离相同。

3.根据权利要求2所述的阵列式模块化膜电极系统，其特征在于，所述电极单元通过所述电堆单片与所述框架极板电性接触。

4.根据权利要求2所述的阵列式模块化膜电极系统，其特征在于，所述电堆单片的数量与所述膜电极板的数量相同。

5.根据权利要求2所述的阵列式模块化膜电极系统，其特征在于，

各个所述框架极板具有电性接触面；

所述膜电极板中具有插入槽，所述膜电极板的侧壁暴露出所述插入槽的开口，所述插入槽的开口适于朝向所述框架极板的电性接触面，所述插入槽适于使所述电堆单片沿所述插入槽的侧壁插入所述膜电极板中。

6.根据权利要求5所述的阵列式模块化膜电极系统，其特征在于，

所述插入槽的底面适于和电堆单片接触；且所述电堆单片插入所述插入槽后被所述膜电极板暴露出的表面与所述膜电极板的一侧表面平齐。

7.根据权利要求2所述的阵列式模块化膜电极系统，其特征在于，

所述电极单元包含膜电极连接结构，各个膜电极板之间通过所述膜电极连接结构电性连接，使所述电堆单片串联。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的阵列式模块化膜电极系统，其特征在于，

多个所述电极单元安装槽孔呈阵列式排布。

9.一种燃料电池，具有如权利要求1-8中任一项所述的阵列式模块化膜电极系统。

10.一种水电解装置，具有如权利要求1-8中任一项所述的阵列式模块化膜电极系统。

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