CN113097524A - 燃料电池组 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种燃料电池组，包括多个单电池层，每个所述单电池层均包括膜电极组件和双极板，所述膜电极组件和所述双极板彼此交替堆叠并固定，所述膜电极组件和所述双极板均包括冷却液入口、冷却液出口和冷却流场，所述冷却液入口和所述冷却液出口分别位于两端并由所述冷却流场相连通；水套组件，包括进水套和/或出水套，所述进水套和所述出水套分别插入所述多个单电池层中的冷却液入口和冷却液出口中，以形成进水管道和出水管道，冷却液从所述进水管道分别流经所述多个单电池层中的每个膜电极组件和双极板的冷却流场至所述出水管道。该装置减少了金属双极板因与冷却液接触导致腐蚀而使燃料电池失效的情况。

Description

燃料电池组

技术领域

本申请主要涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池组。

背景技术

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称 PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极a1、阴极a2和质子交换膜a3组成，阳极a1为氢燃料发生氧化的场所，阴极a2为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂a4，质子交换膜a3作为电解质。由于质子交换膜a3只能传导质子，因此氢离子(即质子)可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。

电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。将双极板与膜电极组件 (MEA)交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成质子交换膜燃料电池电堆，如附图1所示。叠合压紧时应确保气体主通道对正以便氢气和氧气能顺利通达每一单电池。电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。由于在反应中存在热量产生，在装置的双极板和膜电极组件中均需要设置冷却回路。冷却液同样由冷却液进口引入，经电堆冷却回路分配至各单电池的双极板和膜电极组件，再由冷却液出口导出。

随着对燃料电池电堆功率体积密度的要求越来越高，越来越多的厂商开始使用金属双极板，来提升电堆的体积功率密度。但是因为燃料电池内部复杂的电化学反应条件，加上金属本身的易腐蚀性，金属双极板燃料电池也面临寿命不足的问题。尤其在冷却液进口和出口处的金属双极板，接触的冷却液(包括电化学反应生成的水)量多也不间断的流过，金属的表面改性技术和涂层技术无法抵御复杂的电化学反应。而金属双极板一旦被腐蚀，金属离子进入到冷却液中，冷却流道中的腐蚀电流会增加，进一步加速了双极板的腐蚀。最终造成燃料电池失效。

并且燃料电池装配过程中，需要将双极板和膜电极组件一片一片叠加。通常一个燃料电池电堆由上百片双极板和膜电极组件叠加而成，层叠式总成容易引起误差积累。如当从下至上不断累加的过程中，容易出现左右、前后对不整齐的情况，影响燃料电池的一致性和可靠性。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种燃料电池组，包括多个单电池层，每个所述单电池层均包括膜电极组件和双极板，所述膜电极组件和所述双极板彼此交替堆叠并固定，所述膜电极组件和所述双极板均包括冷却液入口冷却液入口、冷却液出口和冷却流场，所述冷却液入口冷却液入口和所述冷却液出口分别位于所述单电池层的两端并由所述冷却流场相连通；水套组件，包括进水套和出水套，所述进水套和所述出水套分别插入所述多个单电池层中的每个膜电极组件和双极板的冷却液入口冷却液入口和冷却液出口中，以形成进水管道和出水管道，冷却液从所述进水管道分别流经所述多个单电池层中的每个膜电极组件和双极板的冷却流场至所述出水管道。

根据本申请的一个实施方式，其中，所述进水套和所述出水套均包括正面板、背面板和侧面板，且所述正面板、所述背面板和所述侧面板彼此固定形成“]”形截面，所述“]”形截面的开口与所述冷却流场连通。

根据本申请的一个实施方式，其中，所述进水套和所述出水套均具有一个或多个定位凸条。

根据本申请的一个实施方式，其中，所述多个单电池层中的每个所述膜电极组件和所述双极板的冷却液入口冷却液入口和冷却液出口均具有与所述定位凸条相配合的定位凹槽，以对所述进水套和出水套进行定位和固定。

根据本申请的一个实施方式，还包括上固定板和下固定板，所述多个单电池层和水套组件被夹紧并固定在所述上固定板和所述下固定板之间。

根据本申请的一个实施方式，其中，所述上固定板和所述下固定板均具有用于使所述进水套和出水套穿过的第二冷却液入口冷却液入口和第二冷却液出口，所述第二冷却液入口冷却液入口和所述第二冷却液出口具有与所述定位凸条相配合的定位凹槽。

根据本申请的一个实施方式，其中，所述膜电极组件和所述双极板均还包括氢进气孔、氢出气孔、氧进气孔和氧出气孔，所述氢进气孔和所述氢出气孔分别位于所述单电池层的两端，所述氧进气孔和所述氧出气孔分别位于所述单电池层的两端。

根据本申请的一个实施方式，其中，所述氢进气孔和所述氢出气孔的尺寸大于所述氧进气孔和所述氧出气孔的尺寸。

通过在原冷却液进口和出口位置增加水套组件，尽可能多地避免冷却液和金属双极板直接接触。减少了金属双极板因与冷却液接触导致腐蚀而使燃料电池失效地情况。并且本装置通过在内部挖孔并产生定位凸条2111，使膜电极三合一组件、双极板和水套组件固定，不仅减少了燃料电池地重量，也避免了误差累积地情况产生，保证燃料电池地可靠性和一致性。

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是燃料电池组的模型图。

图2是本申请第一实施例的燃料电池组的示意图。

图3是本申请第一实施例的金属双极板的示意图。

图4示出了本申请第一实施例的进水套/出水套的示意图。

图5是本申请第一实施例的燃料电池组的安装示意图。

附图标记说明

单电池层1

膜电极组件11

双极板12

冷却液入口121

定位凹槽1211

冷却液出口122

氢进气孔124

氢出气孔125

氧进气孔127

氧出气孔128

水套组件2

进水套21

正面板211

定位凸条2111

背面板212

侧面板213

出水套22

上固定板3

第二冷却液入口31

第二冷却液出口32

下固定板4

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。

在本申请的描述中，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。

图2是本申请第一实施例的燃料电池组的示意图。图3是本申请第一实施例的金属双极板的示意图。图4示出了本申请第一实施例的进水套/出水套的示意图。图5是本申请第一实施例的燃料电池组的安装示意图。

如图2所示，本实施例公开的燃料电池组包括多个单电池层1、水套组件2。图1中还示出了上固定板3和下固定板4，用于固定单电池层1和水套组件2。

如图2所示，单电池层1包括膜电极组件11和双极板12。且膜电极组件11和双极板12彼此交替堆叠被上固定板3和下固定板4固定在一起。

如图2和图3所示，双极板12和膜电极组件11是结构相同，材料用途不同的两种元件。在此为防止赘余，仅以双极板12为例，对双极板12的结构进行介绍。

如图3所示，双极板12包括冷却液入口121、冷却液出口122、氢进气孔124、氢出气孔125、氧进气孔127、氧出气孔128、

如图3所示，在双极板12的两端存在6个孔，分别用于进出氢气、氧气和冷却液。冷却液入口121和冷却液出口122分别位于双极板12两端的中间位置。而两端的较大的气孔分别为氢进气孔124和氢出气孔125，较小的气孔分别为氧进气孔127和氧出气孔128。这样的设置是由于在燃料电池电化学反应中，氢气的用量比氧气大导致的。而将冷却液入口121和冷却液出口 122设置在两个气孔中间是为方便整个双极板12由于电化学反应生成的水易排出而设置。冷却液从冷却液入口121流入通过冷却流场至冷却液出口122 流出。

氢进气孔124和氢出气孔125分别位于双极板12的两端并被微氢气流道 (图中未示出)气路连通，氧进气孔127和氧出气孔128分别位于双极板12 的两端并被微氧气流道(图中未示出)气路连通。

燃料电池组的工作原理为，膜电极组件11包括阴极、阳极和质子交换膜，阳极被分解产生质子和电子，质子通过质子交换膜流向阴极，电子通过双极板流向阴极，以产生电流。在本实施例中，将氧气的进出孔和氢气的进出气孔的连线呈交叉设计是为了使气路流经整个双极板，使电化学反应更加完全。

如图3和图4所示，冷却液入口121和冷却液出口122中均具有凹槽，现以冷却液入口121为例详细说明。冷却液入口121包括定位凹槽1211。该定位凹槽1211存在于冷却液入口121的三个边上，仅在靠近双极板12中心的边上不设置。该凹槽用于配合水套组件2上的定位凸条2111，便于对双极板12定位使用。冷却液出口122的凹槽设置类似于冷却液入口121，将不在重复描述。

需知，在本实施例中，氧气和氢气的进气口和出气口、冷却液的进水口和出口的位置、大小是为了适应本实施例的使用情况而进行的最优设置。其可以根据具体的燃料电池组的不同而自行设定。进一步地，将双极板12或者膜电极组件11定位准确地方式也有多种，不局限于本实施例中提及地凹槽结构。况且改变第一凹槽地数量和尺寸同样也可达到定位地目的，对此不作限制。

图4示出了本申请第一实施例的进水套/出水套的示意图。如图1和图4 所示，水套组件2包括进水套21和/或出水套22。分别插入多个单电池层中的每个膜电极组件11和双极板12的冷却液入口121和冷却液出口122内，以形成进水管道和出水管道。即在冷却液入口121和冷却液出口122内均设置水套视为最优方案，若是在冷却液入口121或冷却液出口122单独设置水套，也可达到一定程度的防腐蚀效果。工作时，由于电化学反应合成的水(即冷却液)从进水管道分别流经多个单电池层中的每个膜电极组件和双极板的冷却流场至出水管道。

由于进水套21和出水套22结构相同，只是相对于双极板12的中心对称设置。在此只对进水套21作详细描述，出水套22将不作详细描写。

如图4所示，进水套21包括正面板211、背面板212和侧面板213。在本实施例中，正面板221、背面板222和侧面板223固定形成截面为“]”形。即除去顶面和底面外，距离双极板12中心最近的一面不设置面板。此设置是为了使冷却液通过未设置面板的一面与冷却流场连通。

在本实施例中吗，为了尽量少的减少冷却液与双极板12的接触，故而设置了三面板。实际上，两个面板同样也可以达到减少冷却液与双极板12接触面积的目的。在本实施例中，进水套21和双极板12的边缘组成“口”形的封闭形状。实际上，进水套21和双极板12的具体形状可以不做限制，只要两者可以组成封闭的形状，并尽量多地减少冷却液和双极板12的接触面积即可。出水套22和膜电极组件11的安装同上，将不做详细描述。

如图4所示，在正面板221、背面板222和侧面板223的外侧面均存在向外的定位凸条2111。该定位凸条2111指向该双极板12的外侧。定位凸条 2111和定位凹槽1211相配合，方便定位双极板12和膜电极组件11。

需知，定位凸条2111和定位凹槽1211的数量、尺寸、位置可以根据实际使用情况设定，只要保证可将每个单电池层1定位准确即可。

图5是本申请第一实施例的燃料电池组的安装示意图。如图5所示，上固定板3和下固定板4上均存在与氢气、氧气的进气、出气孔和冷却液的进水口、出水口相对应的孔。其中将使进水套21和出水套22穿过的孔命名为第二冷却液入口31和第二冷却液出口32。安装时，首先将进水套21和出水套22分别安装在对应进水口和出水口的下固定板4的第二冷却液入口31和第二冷却液出口32中，再将膜电极组件11和双极板12交替叠加安装在进水套21和出水套22上，最终利用螺栓等固定上固定板完成燃料电池组的安装。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 (8)

1.一种燃料电池组，包括：

多个单电池层，每个所述单电池层均包括膜电极组件和双极板，所述膜电极组件和所述双极板彼此交替堆叠并固定，所述膜电极组件和所述双极板均包括冷却液入口、冷却液出口和冷却流场，所述冷却液入口和所述冷却液出口分别位于所述单电池层的两端并由所述冷却流场相连通；

水套组件，包括进水套和/或出水套，所述进水套和所述出水套分别插入所述多个单电池层中的每个膜电极组件和双极板的冷却液入口和冷却液出口中，以形成进水管道和出水管道，冷却液从所述进水管道分别流经所述多个单电池层中的每个膜电极组件和双极板的冷却流场至所述出水管道。

2.如权利要求1所述的燃料电池组，其中，所述进水套和所述出水套均包括正面板、背面板和侧面板，且所述正面板、所述背面板和所述侧面板彼此固定形成“]”形截面，所述“]”形截面的开口与所述冷却流场连通。

3.如权利要求1所述的燃料电池组，其中，所述进水套和所述出水套均具有一个或多个定位凸条。

4.如权利要求3所述的燃料电池组，其中，所述多个单电池层中的每个所述膜电极组件和所述双极板的冷却液入口和冷却液出口均具有与所述定位凸条相配合的定位凹槽，以对所述进水套和出水套进行定位和固定。

5.如权利要求4所述的燃料电池组，还包括上固定板和下固定板，所述多个单电池层和水套组件被夹紧并固定在所述上固定板和所述下固定板之间。

6.如权利要求5所述的燃料电池组，其中，所述上固定板和所述下固定板均具有用于使所述进水套和出水套穿过的第二冷却液入口和第二冷却液出口，所述第二冷却液入口和所述第二冷却液出口具有与所述定位凸条相配合的定位凹槽。

7.如权利要求1所述的燃料电池组，其中，所述膜电极组件和所述双极板均还包括氢进气孔、氢出气孔、氧进气孔和氧出气孔，所述氢进气孔和所述氢出气孔分别位于所述单电池层的两端，所述氧进气孔和所述氧出气孔分别位于所述单电池层的两端。

8.如权利要求7所述的燃料电池组，其中，所述氢进气孔和所述氢出气孔的尺寸大于所述氧进气孔和所述氧出气孔的尺寸。

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