CN112928293B - 电池单元和电堆 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电池单元，用于堆叠形成质子交换膜燃料电池，包括：阴极板，呈波浪形结构；阳极板，呈波浪形结构；支撑板，包括第一支撑板和/或第二支撑板，其中，所述第一支撑板与所述阴极板固定并形成第一氧气流道，所述第二支撑板与所述阳极板固定并形成的第一氢气气流道；膜电极组件，位于所述阴极板和所述阳极板之间，所述阴极板和所述阳极板与所述膜电极组件分别形成第二氧气流道和第二氢气流道，所述第一氧气流道与所述第二氧气流道连通，所述第一氢气流道与所述第二氢气流道连通。本申请通过在原极板上增加支撑板，再在极板上开通孔的方式，不仅充分利用极板的面积，也使管道形状简单，提升了燃料电池的性能和防水路阻塞效果。

Description

电池单元和电堆

技术领域

本申请主要涉及燃料电池领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池的电池单元和电堆。

背景技术

燃料电池是一种将燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学电池，又称为电化学发电器；其是继水力发电、热能发电和原子能发电的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应将燃料化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，具有很高的经济性。

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称 PEMFC)是燃料电池的一种，在原理上相当于水解电的“逆”装置，其电池单元由阳极、阴极和膜电极组件组成。以氢为燃料的质子交换膜燃料电池为例，膜电池的阳极为氢燃料发生氧化的场所，膜电极组件的阴极为氧化剂还原的场所，两级都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为传递质子的介质，只允许质子通过，而氢失去的电子则从外部负载和导线通过。

燃料电池堆是由多个电池单元以串联方式层叠组合而成，将双极板和膜电极组件交替叠加，再两侧由螺栓固定即可形成燃料电池堆。在将电池单元组装成电堆的过程中，将一个电池的阳极板与相邻电池的阴极板电气连接，就形成了双极板。双极板是燃料电池电堆的重要部件之一，起到支撑固定质子交换膜燃料电池膜电极组件、分割燃料和氧化气体、收集、传导电流等重要作用，所以优化双极板的设计将对质子交换膜燃料电池的性能和耐久性的提升具有巨大的作用。

为了保证燃料电池的性能和寿命，需要保持膜电极组件电流密度分布一致，因此需要保持膜电极组件各点的气体分布均匀，温度分布均匀。如果气体分布不一致时，会导致膜电极组件各点实际性能有较大差异，膜电极组件各点产热不一致，严重时会导致膜电极组件中出现局部过热，甚至烧穿质子交换膜；另一方面，如果燃料电池运行中生成的水不能及时排除时，液态水堵塞流道，会造成气体流道受阻，无法均匀分布。

双极板的结构直接决定了燃料电池内部气体及冷却剂的流动方式和分布，从而直接影响燃料电池内部的电化学反应和水热管理，同时双极板的结构也直接决定了双极板部件面积利用率，从而直接影响燃料电池电堆的功率密度。

对于传统的双极板而言，存在以下不足。1)支撑反应气体从进气口沿着流道从出气口流出，过程中，反应气体的分布会逐渐不均匀，压降损失也会很大，对系统的要求会更高，导致无法输出合格的产品。2)传统的双极板，由于与膜电极组件接触面积有限，只能在部分极板上设计开口。因此为了达到效果，流道常常设计成蜿蜒或者交指流场等，这样不仅在工艺加工上增加了难度，而且效果欠佳。3)蜿蜒复杂的流道设计，电化学反应产生的水不能很快排出，导致积水严重，堵塞流道，影响性能，不能够很好的实现良好的排水性和高的电流密度。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种电池单元，用于堆叠形成质子交换膜燃料电池，包括：阴极板，包括多个阴极脊部和多个阴极凹部，所述阴极脊部和阴极凹部交替出现并形成波浪形结构；阳极板，包括多个阳极脊部和多个阳极凹部，所述阳极脊部和阳极凹部交替出现并形成波浪形结构；支撑板，包括第一支撑板和/或第二支撑板，其中，所述第一支撑板与所述阴极板固定并形成第一氧气流道，所述第二支撑板与所述阳极板固定并形成的第一氢气气流道；膜电极组件，位于所述阴极板和所述阳极板之间，所述阴极板和所述阳极板与所述膜电极组件分别形成第二氧气流道和第二氢气流道，所述第一氧气流道与所述第二氧气流道连通，所述第一氢气流道与所述第二氢气流道连通。

根据本申请的一个实施方式，其中，所述第一支撑板和所述第二支撑板均能够导电。

根据本申请的一个实施方式，其中，所述阴极板包括多个阴极脊部和多个阴极凹部，所述阴极凹部与所述膜电极组件贴合，每个所述阴极脊部均包括第一通孔，以连通所述第一氧气流道和所述第二氧气流道，每个所述阴极凹部均包括第二通孔，以连通所述第一氧气流道和所述膜电极组件。

根据本申请的一个实施方式，其中，所述阴极脊部的面积大于所述阴极凹部的面积。

根据本申请的一个实施方式，其中，所述阳极板包括多个阳极脊部和多个阳极凹部，所述阳极脊部与所述膜电极组件贴合，每个所述阳极凹部均包括第三通孔，以连通所述第一氢气流道和所述第二氢气流道，每个所述阳极脊部均包括第四通孔，以连通所述第一氢气流道和所述膜电极组件。

根据本申请的一个实施方式，其中，所述阳极凹部的面积大于所述阳极脊部的面积。

根据本申请的一个实施方式，其中，所述第一氧气流道和所述第一氢气流道呈十字形和/或T形。

根据本申请的一个实施方式，其中，所述膜电极组件包括质子交换膜和催化剂涂层，所述催化剂涂层位于所述质子交换膜的两侧。

本申请还公开了一种电堆，包括多个如上任一所述的电池单元，所述电池单元依次堆叠并固定在一起，其中，每个所述电池单元的所述支撑板均包括第一支撑板和所述第二支撑板，所述阳极板、所述阴极板、所述第一支撑板和所述第二支撑板之间形成冷却流道。

本申请还公开了一种电堆，包括多个如上任一所述的电池单元作为第一电池单元以及多个上任一所述的电池单元作为多个第二电池单元，所述多个第一电池单元和第二电池单元交替堆叠并固定在一起，其中，所述第一电池单元的所述支撑板包括第一支撑板或第二支撑板，所述第一电池单元的所述第一氧气流道或所述第一氢气流道为十字形，所述第一电池单元的所述阳极板与所述第一支撑板之间形成第三氢气流道或所述阴极板与所述第二支撑板之间形成第三氧气流道，所述第二电池单元的所述支撑板包括第一支撑板和所述第二支撑板，所述第二电池单元的所述阳极板、所述阴极板、所述第一支撑板和所述第二支撑板之间形成冷却流道。

由于传统的燃料电池的双极板的面积利用不充分，导致管道复杂，燃料电池性能不佳，引起水路阻塞。本申请通过在原极板上增加支撑板，再在极板上开通孔的方式，不仅充分利用极板的面积，也使管道形状简单，提升了燃料电池的性能和防水路阻塞效果。

附图说明

下面结合附图说明说明本发明的具体实施方式。说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，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。

图1是本申请实施例的电池单元的剖面图。

图2是本申请实施例的阴极板和第一支撑板的平面图和剖面图。

图3是本申请实施例的阳极板和第二支撑板的平面图和剖面图。

图4是本申请第一实施例的燃料电池电堆的示意图。

图5本申请第二实施例的燃料电池电堆的示意图。

附图标记说明

阴极 板1

阴极脊部 11

第一通孔 111

阴极凹部 12

第二通孔 121

阳极板 2

阳极脊部 21

阳极凹部 22

支撑板 3

第一支撑板 31

一支撑板脊部 311

一支撑板凹部 312

第二支撑板 32

二支撑板脊部 321

二支撑板凹部 322

膜电极组件 4

膜电极组件 4a

膜电极组件 4b

第一氧气流道 O1

第二氧气流道 O2

第一氢气流道 H1

第二氢气流道 H2

阴极板 1’

阳极板 2’

支撑板 3’

第一支撑板 31’

第二支撑板 32’

膜电极组件 4’

第一氧气流道 O1’

第二氧气流道 O2’

第一氢气流道 H1’

第二氢气流道 H2’

第一电池单元 A1

第二电池单元 A2

阴极板 1*

阳极板 2*

第一支撑板 31*

膜电极组件 4*

第一氧气流道 01*

第二氧气流道 O2*

第三氢气流道 H3

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语""长度"、"横向"、"纵向"、 "上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"水平"、"顶"、"底"、"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。

极板和支撑板安装实施例

图1是本申请实施例的电池单元的剖面图。图2是本申请实施例的阴极板和第一支撑板的平面图和剖面图。图3是本申请实施例的阳极板和第二支撑板的平面图和剖面图。

本申请通过在原阴极板或阳极板上增加支撑板，以达到燃料电池性能提升的目的。因此如图1所示，本实施例中的电池单元包括阴极板1、阳极板2、支撑板3和膜电极组件4。如图2和图3所示，与阴极板1相固定的支撑板定义为第一支撑板31，与阳极板相固定的支撑板定义为第二支撑板32。

图2示出了阴极板1和第一支撑板31的平面图和剖视图。其中，图2中第一张图为第一支撑板31的平面图。第二张图为阴极板1与第一支撑板31 装配后的截面图。第三张图为阴极板1的平面图。

如图2所示，第一支撑板31，为将一长方形板状结构，采用冲压法等制成波浪状。第一支撑板31能够导电。第一支撑板31包括一支撑板脊部311 和一支撑板凹部312。一支撑板脊部311和一支撑板凹部312从截面上看均为长方形，实际上，此两者的形状可以根据实际的情况进行改变，而制板的方法也不限于冲压法。

如图2所示，阴极板1，为长度宽度均与第一支撑板31相同的长方形板状结构，同样采用冲压等方法制成波浪状。阴极板1包括多个阴极脊部11和阴极凹部12。阴极脊部11和阴极凹部12从截面上看均为长方形，实际上，此两者的形状可以根据实际的情况进行改变，而制板的方法也不限于冲压法。

如图2所示，将一支撑板凹部312与阴极脊部11贴合固定，即在第一支撑板31和阴极板1之间形成了“T”字形的空腔作为第一氧气流道O1。由于膜电极组件4a贴合阴极板1安装，因此阴极脊部11和膜电极组件4a形成了第二氧气流道O2。

第一支撑板31可通过焊接或密封胶粘结方法与阴极板1固定，固定方法不作为对本实施例的限制。第一氧气流道01的形状也可有多种形状，只要改变第一支撑板31的形状即可。如在一支撑板脊部311设置成多折线形状的截面，则第一氧气流道01的形状为“十”字形。因此第一氧气流道01的形状可以不作限制，只要与第一支撑板31上方的结构贴合配合就可。

阴极脊部11包括第一通孔111。阴极凹部12包括第二通孔121。第一通孔111位于阴极脊部11与一支撑板凹部312未贴合的部分的两侧。为两排的多个小孔。第一通孔111用以连通第一氧气流道O1和第二氧气流道02。第二通孔121位于阴极凹部12的中心位置，为一排状的较大孔。用于使第一氧气流道O1中的氧气穿过该第二通孔121与膜电极组件4a发生电化学反应。

在本实施例中，为尽量多地使氧气与膜电极组件4a发生电化学反应，需要设置阴极脊部11的面积大于阴极凹部12的面积。并且需要设置第二通孔 121的尺寸在允许的范围内尽可能的大，以增大第一氧气流道O1中的氧气与膜电极组件4a的接触面积。其中，膜电极组件4是两侧涂有催化剂层的质子交换膜的统称。催化剂的一般分别为全氟磺酸型聚合物溶液和铂涂层。用于在电极和质子交换膜起绝缘保护作用。

图3示出了阳极板2和第二支撑板32的平面图和剖视图。其中，图3中第一张图为第二支撑板32的平面图。第二张图为阳极板2与第二支撑板32 装配后的截面图。第三张图为阳极板2的平面图。

如图3所示，阳极板2与第二支撑板32的结构和固定方式与阴极板1与第一支撑板31的结构和固定方式相类似。第二支撑板32同样也能够导电。为防止赘余，对于相同的部分不作描述。

如图3所示，第二支撑板32包括二支撑板脊部321和二支撑板凹部322。阳极板2包括多个阳极脊部21和阳极凹部22。将二支撑板凹部322与阳极脊部21贴合固定，即在第一支撑板31和阴极板1之间形成了“十”字形的空腔作为第一氢气流道H1。由于膜电极组件4a贴合阳极板2安装，因此阳极脊部21和下方的膜电极组件4b形成了第二氢气流道H2。与阴极板1与第一支撑板31固定安装不同的是图3示中第二支撑板32的二支撑板脊部321 的形状为折线形，组成的第一氢气流道H1的形状为“十”形。

因此由图2和图3可知，通过在阴极板1或阳极板2的附近增加支撑板 3可以扩大阴极板1或阳极板2与膜电极组件4的接触面积，使气体流道尽可能的为直线形，以减少压强下降。

第一电堆安装实施例

利用上述实施例中的阴极板或阳极板与支撑板固定一起的方式，根据极板一侧是否固定支撑板及支撑板的形状，可以形成多种电池单元结构，进而形成多种电堆结构。

图4是本申请第一实施例的燃料电池电堆的示意图。本实施例中提供了一种阴极板和阳极板两侧均固定支撑板，形成电池单元，最终形成图示中电堆的方式。

如图4所示，其中的每一个电池单元均包括阴极板1’，阳极板2’，支撑板和膜电极组件4’。支撑板包括第一支撑板31’和第二支撑板32’。第一氧气流道O1’呈“T形”，第一氢气流道H1’呈“十”形。第一氧气流道 01’和第二氧气流道O2’连通，第一氢气流道H1’和第二氢气流道H2’连通。在阴极板1’，阳极板2’，第一支撑板31’和第二支撑板32’之间可以组成“十”字型的空腔，用以作为冷却流道，供电化学反应产生的水通过。

通过将上述的电池单元堆叠在一起，并在两端通过端板固定在一起。

由 图4可知，本实施例中的每一电池单元中均包含冷却水道，有效解决水阻塞问题。并且电堆中的气体通道均为直线，有效解决气体降压，反应能效低的问题。

第二电堆安装实施例

利用“极板和支撑板安装实施例”实施例中的阴极板或阳极板与支撑板固定一起的方式，根据极板一侧是否固定支撑板及支撑板的形状，可以形成多种电池单元结构，进而形成多种电堆结构。

图5是本申请第二实施例的燃料电池电堆的示意图。本实施例中提供了一种在阴极板或阳极板的一侧固定支撑板，并与阳极板或阴极板形成电池单元，最终形成图5中电堆的方式。

如图5所示，图5中包括两种电池单元结构。即第一电池单元A1和第二电池单元A2。其中第二电池单元A2的结构和第一电堆安装实施例中的电池单元结构相同，由在阴极板和阳极板两侧均增加支撑板，再和膜电极组件装配构成电池单元。该第二电池单元中包括冷却水道。下面将重点说明第一电池单元的结构。

由图5可知，第一电池单元A1包括阴极板1*,阳极板2*，第一支撑板 31*，膜电极组件4*。其中，第一氧气流道01*呈“十”形，第一氧气流道 O1*和第二氧气流道O2*相连通。第一支撑板31*和阳极板2*之间形成“十”形的第三氢气流道H3。第三氢气流道H3和第二氢气流道H2*是联通的。在第一电池单元A1中不包括冷却水道。当然，第一电池单元A1中也可在阳极板 2*的一侧设置第二支撑板32*，此设置和本实施例中相同，在此不作重复描述。

本实施例中，将多个该第一电池单元A1和第二电池单元A2交替层叠在一起则可构成电堆。本实施例中示出了三个。由于采用直线形的水流道和气体流道，因此水阻塞问题大大减少，因此不必在每一电堆中均增加水流道。

通过将上述的电池单元堆叠在一起，并在两端通过端板固定在一起。由图4可知，本实施例中的每一电池单元中均包含冷却水道，有效解决水阻塞问题。并且电堆中的气体通道均为直线，有效解决气体降压，反应能效低的问题。

最后应说明的是：以上仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电池单元，用于堆叠形成质子交换膜燃料电池，包括：

阴极板，包括多个阴极脊部和多个阴极凹部，所述阴极脊部和阴极凹部交替出现并形成波浪形结构；

阳极板，包括多个阳极脊部和多个阳极凹部，所述阳极脊部和阳极凹部交替出现并形成波浪形结构；

支撑板，包括第一支撑板和第二支撑板，所述第一支撑板和第二支撑板均包括脊部和凹部，其中，所述第一支撑板的凹部与所述阴极板的脊部固定并形成第一氧气流道，所述第二支撑板的凹部与所述阳极板的脊部固定并形成第一氢气流道；

膜电极组件，位于所述阴极板和所述阳极板之间，所述阴极板和所述阳极板与所述膜电极组件分别形成第二氧气流道和第二氢气流道，所述第一氧气流道与所述第二氧气流道连通，所述第一氢气流道与所述第二氢气流道连通；

其中，所述第一氧气流道、第一氢气流道、第二氧气流道以及第二氢气流道均为直线型流道。

2.如权利要求1所述的电池单元，其中，所述第一支撑板和所述第二支撑板均为导电支撑板。

3.如权利要求1所述的电池单元，其中，所述阴极凹部与所述膜电极组件贴合，每个所述阴极脊部均包括第一通孔，以连通所述第一氧气流道和所述第二氧气流道，每个所述阴极凹部均包括第二通孔，以连通所述第一氧气流道和所述膜电极组件。

4.如权利要求3所述的电池单元，其中，所述阴极脊部的面积大于所述阴极凹部的面积。

5.如权利要求1所述的电池单元，其中，所述阳极脊部与所述膜电极组件贴合，每个所述阳极凹部均包括第三通孔，以连通所述第一氢气流道和所述第二氢气流道，每个所述阳极脊部均包括第四通孔，以连通所述第一氢气流道和所述膜电极组件。

6.如权利要求5所述的电池单元，其中，所述阳极凹部的面积大于所述阳极脊部的面积。

7.如权利要求1所述的电池单元，其中，所述第一氧气流道和所述第一氢气流道呈十字形和/或T形。

8.如权利要求1所述的电池单元，其中，所述膜电极组件包括质子交换膜和催化剂涂层，所述催化剂涂层位于所述质子交换膜的两侧。

9.一种电堆，包括多个如权利要求1-8中任一所述的电池单元，所述电池单元依次堆叠并固定在一起，其中，每个所述电池单元的所述支撑板均包括第一支撑板和所述第二支撑板，所述阳极板、所述阴极板、所述第一支撑板和所述第二支撑板之间形成冷却流道。

10.一种电堆，包括多个如权利要求1-8中任一所述的电池单元作为第一电池单元以及多个如权利要求1-6中任一所述的电池单元作为多个第二电池单元，所述多个第一电池单元和第二电池单元交替堆叠并固定在一起，其中，所述第一电池单元的所述支撑板包括第一支撑板或第二支撑板，所述第一电池单元的所述第一氧气流道或所述第一氢气流道为十字形，所述第一电池单元的所述阳极板与所述第一支撑板之间形成第三氢气流道或所述阴极板与所述第二支撑板之间形成第三氧气流道，所述第二电池单元的所述支撑板包括第一支撑板和所述第二支撑板，所述第二电池单元的所述阳极板、所述阴极板、所述第一支撑板和所述第二支撑板之间形成冷却流道。

Images