CN113113626A - 单电池和燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种单电池和燃料电池，所述单电池包括双极板，限位组件和膜电极组件，所述双极板上设有气体流道，所述限位组件设在所述气体流道周侧的双极板上，所述限位组件限定出安装区，所述膜电极组件的部分与所述安装区内的所述气体流道相连，所述膜电极组件的另外部分在所述单电池的厚度方向上与所述限位组件间隔设置，所述膜电极组件在所述单电池厚度方向上的长度大于所述限位组件在所述单电池厚度方向上的长度，本发明实施例的单电池，具有结构简单、成本低、膜电极组件压缩率可调、使用寿命长和效率高的优点。

Description

单电池和燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体地，涉及一种单电池和燃料电池。
背景技术
燃料电池堆组装过程中，双极板和膜电极是两个重要的核心部件，按照双极板、膜电极、双极板、膜电极的顺序依次叠加放置在已经安装好的绝缘板、集流板，组装成一个单电池，重复上述步骤，利用组装辅助仪器定位装置将单电池组装成电堆，在这个过程中，压装力的大小特别重要，压装力过大，有可能导致气体扩散层产生塑性变形、质子膜产生裂纹或者是破碎、气体扩散层性能变化也将会影响流场结构的改变等等问题，因为安装过程中膜电极和双极板的接触距离大小十分关键，既要保证能够和双极板接触，也要保证不会由于压装力的原因导致膜电极出现破坏等情况，于是在现有对压装力有较高要求的情况下，给出了一种新的双极板结构，在双极板流道外设计预留限位结构，避免压装过程中出现压装力对膜电极的较大影响，保证限位结构高度小于膜电极的最大压缩量。
发明内容
为此，本发明的实施例提出一种结构简单，膜电极压缩量可控的单电池。
本发明的实施例提出一种燃料电池。
根据本发明实施例的单电池包括：
双极板，所述双极板上设有气体流道；
限位组件，所述限位组件设在所述气体流道周侧的双极板上，所述限位组件限定出安装区；
膜电极组件，所述膜电极组件的部分与所述安装区内的所述气体流道相连，所述膜电极组件的另外部分在所述单电池的厚度方向上与所述限位组件间隔设置，所述膜电极组件在所述单电池厚度方向上的长度大于所述限位组件在所述单电池厚度方向上的长度。
根据本发明实施例的单电池，具有结构简单、成本低、膜电极组件压缩率可调、使用寿命长和效率高的优点。
在一些实施例中，所述膜电极组件包括绝缘外框和膜电极，所述绝缘外框与所述限位组件在所述单电池的厚度方向上间隔设置，所述绝缘外框上设有开口，所述膜电极的部分设于所述绝缘外框的开口中。
在一些实施例中，膜电极包括第一碳纸、质子交换膜和第二碳纸，所述质子交换膜被夹持于所述第一碳纸和所述第二碳纸之间，所述第一碳纸的部分、所述质子交换膜和所述第二碳纸的部分设于所述绝缘外框的开口中。
在一些实施例中，所述绝缘外框在所述单电池厚度方向上的长度低于所述限位件在所述单电池厚度方向上的长度。
在一些实施例中，所述双极板还包括第一燃料气体介质通道和第二燃料气体介质通道，所述第一燃料气体介质通道和所述第二燃料气体介质通道沿所述单电池长度方向相对且间隔设置。
在一些实施例中，所述双极板还包括第一氧化剂气体通道和第二氧化剂气体通道，所述第一氧化剂气体通道和所述第二氧化剂气体通道沿所述单电池的长度方向相对且间隔设置。
在一些实施例中，所述双极板还包括第一冷却介质通道和第二冷却介质通道，所述第一冷却介质通道和所述第二冷却介质通道沿所述单电池的长度方向间隔且相对设置。
在一些实施例中，所述第一氧化剂气体通道和所述第一燃料气体介质通道在所述单电池宽度方向上相对于所述第一冷却介质通道对称设置，所述第二氧化剂气体通道和所述第二燃料气体介质通道在所述单电池宽度方向上相对于所述第二冷却介质通道对称设置。
在一些实施例中，所述限位组件在所述单电池厚度方向上的长度大于或等于所述膜电极组件在所述单电池厚度方向上的长度的0.75倍。
根据本发明实施例的燃料电池，包括上述任一项实施例所述的单电池。
根据本发明实施例的燃料电池，具有结构简单、成本低、膜电极组件压缩率可调、使用寿命长和效率高的优点。
附图说明
图1是根据本发明实施例的单电池结构示意图。
图2是根据本发明实施例的单电池压装示意图。
附图标记：
单电池100，
双极板1，限位组件2，气体流道3，膜电极组件4，绝缘外框41，膜电极42，第一碳纸421，第二碳纸422，第一燃料气体介质通道5，第二燃料气体介质通道6，第一氧化剂气体通道7，第二氧化剂气体通道8。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1和图2所示，根据本发明实施例的单电池100包括双极板1、限位组件2和膜电极组件4。
双极板1上设有气体流道3。其中，气体流道3可以单独以可拆卸地方式设在双极板1上，也可以直接集成在双极板1上，当气体流道3可拆卸地设在双极板1上时，可以便于对气体流道3更换，减少维护成本。当气体流道3集成在双极板1上(例如通过焊接的方式或一体成型制造方式将双极板1和气体流道3集成)时，可以增强整体的结构强度，进而延长使用寿命。
限位组件2设在气体流道3周侧的双极板1上，限位组件2限定出安装区。
膜电极组件4的部分位于安装区内的气体流道3上，膜电极组件4的另外部分在单电池100的厚度方向上与限位组件2间隔设置，膜电极组件4在单电池100厚度方向(如图2所示的上下方向)上的长度大于限位组件2在单电池100厚度方向上的长度。
根据本发明实施例的单电池100，由于限位组件2在如图2所示的上下方向上的高度低于膜电极组件4在上下方向上的高度，因此当膜电极组件4受到压力压缩至与限位组件2接触时，限位组件2可以防止膜电极组件4继续受力压缩，进而可以对膜电极组件4进行保护，有效防止膜电极组件4因过压导致损坏，影响使用寿命和使用效率，具体地，当对本申请中的单电池100进行压装时，膜电极组件受到压力压缩，当限位组件2与膜电极组件4接触时，膜电极组件不再进行压缩，即通过限位组件2以及和限位组件2间隔设置的膜电极组件4之间的距离控制膜电极组件的压缩量。其中，通过调整限位组件2在如图2所示的上下方向上的高度进而调节限位组件2和膜电极组件4在上下方向上的间隔以调节膜电极组件的压缩量。
可以理解的是，限位组件2的高度可以和膜电极42的高度相同，也可以通过对限位组件2高度的限制调节膜电极42的压缩率。
限位组件2设在气体流道3的外周侧，并形成了用于安装膜电极组件4的安装区，当膜电极组件4安装在安装区内时，膜电极组件4可以与气体流道3充分接触，且通过限位组件2可以对膜电极组件4在如图1所示的左右和前后方向上的移动进行限制，进而保证膜电极组件4的工作效率。
因此，根据本发明实施例的单电池100，具有结构简单、成本低、膜电极组件4压缩率可调、使用寿命长和效率高的优点。
在一些具体实施例中，限位组件2可拆卸地设在双极板1上，以便于对限位组件2的维护和检修。可以理解的是，限位组件2可以是由多个限位件组成的限位件组，例如限位件组由4个圆柱状限位件组成，4个限位件与气体流道3的四条边一一相对，通过4个限位件形成安装区。或者限位组件2可以为具有贯通孔的立方体，气体流道3位于立方体的底端，贯通孔形成安装区。再或者限位组件2可以是具有贯通孔的圆柱或圆台等，在本申请中，对限位组件2的结构的形状和结构不做具体限制。
在一些实施例中，膜电极组件4包括绝缘外框41和膜电极42，绝缘外框41与限位组件2在单电池100的厚度方向上间隔设置，绝缘外框41上设有开口，膜电极42的部分设于开口中。
根据本发明实施例的单电池100，通过将膜电极42设在绝缘外框41的开口中，可以进一步对膜电极42在如图1所示的前后和左右方向上的移动进行限制，同时可以增强膜电极42本身的结构强度，进而使膜电极42具有良好的工作效率。
在一些实施例中，膜电极42包括第一碳纸421、质子交换膜和第二碳纸422，质子交换膜被夹持于第一碳纸421和第二碳纸422之间，第一碳纸421的部分、质子交换膜和第二碳纸422的部分设于绝缘外框41的开口中。
根据本发明实施例的单电池100，质子交换膜通过第一碳纸421和第二碳纸422夹持在绝缘外框41的开口中，通过绝缘外框41的和第一碳纸421和第二碳纸422的配合，可以使第一碳纸421和第二碳纸422充分夹紧，进而使质子交换膜和第一碳纸421和第二碳充分接触，保证膜电极42的工作效率。
在一些具体实施例中，膜电极组件4整体安装在安装区中，安装区内与膜电极42相对的部分处设有气体流道3,。其中，绝缘外框41在单电池100厚度方向上的长度低于限位件在单电池100厚度方向上的长度。可以理解的是，由于绝缘外框41在如图2所示的上下方向上的高度小于限位组件2在上下方向上的高度，因此当膜电极组件4受力时，限位组件2还可以对绝缘外框41进行防护，以免绝缘外框41受压发生变形，影响安装在绝缘外框41开口中的膜电极42的工作效率。
如图1所示，双极板1上设有第一燃料气体介质通道5、第二燃料气体介质通道6、第一氧化剂气体通道7、第二氧化剂气体通道8、第一冷却介质通道和第二冷却介质通道。
第一燃料气体介质通道5和第二燃料气体介质通道6沿单电池100长度方向相对且间隔设置。
第一氧化剂气体通道7和第二氧化剂气体通道8沿单电池100的长度方向相对且间隔设置。
第一冷却介质通道(未示出)和第二冷却介质通道(未示出)沿单电池100的长度方向间隔且相对设置。
其中，第一氧化剂气体通道7和第一燃料气体介质通道5在单电池100宽度方向上相对于第一冷却介质通道对称设置在双极板1上，第二氧化剂气体通道8和第二燃料气体介质通道6在单电池100宽度方向上相对于第二冷却介质通道对称设置在双极板1上。
如图1所示，第一氧化剂气体通道7设在气体流道3的前端，第二氧化剂气体通道8设在气体流道3的后端，第一氧化剂气体通道7和第二氧化剂气体通道8分别与外部氧化剂气体供应源相连，用于对膜电极41提供氧化剂气体介质。
第一燃料气体介质通道5设在气体流道3的前端，第二燃料气体介质通道6设在气体流道3的后端，第一燃料气体介质通道5和第二燃料气体介质通道6分别与外界燃料气体供应源相连，用于对膜电极41提供燃料介质气体。
第一冷却介质通道设在气体流道3的前端，第二冷却介质通道设在气体流道3的后端，第一冷却介质通道和第二冷却介质通道分别与外界冷源相连，用于对膜电极41进行降温。
其中，第一燃料气体介质通道5和第一氧化剂气体通道7在如图1所示的左右方向上相对于第一冷却介质通道间隔且相对设置，可以便于对膜电极41整体进行冷却。
同样的，第二燃料气体介质通道6和第二氧化剂气体通道8在左右方向上相对于第二冷却介质通道间隔且相对设置，便于对膜电极41整体进行冷却。
在一些实施例中，限位组件2在单电池100厚度方向上的长度不低于膜电极组件4在单电池100厚度方向上的长度的0.75倍。
根据本发明实施例的单电池100，第一碳纸421和第二碳纸422在使用过程中，最大的压缩率为25％，当第一碳纸421和第二碳纸422的压缩率超过25％时，则会使第一碳纸421和第二碳纸422产生损坏，以影响膜电极42组的工作效率，因此，通过限位组件2限制第一碳纸421和第二碳纸422的压缩率不大于25％，既可以使膜电极42与气体流道3充分接触，还可以延长膜电极42的使用寿命。
根据本发明实施例的燃料电池，包括多个上述实施例的单电池100。
根据本发明实施例的燃料电池，具有结构简单、成本低、膜电极组件4压缩率可调、使用寿命长和效率高的优点。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，也可以是电连接或彼此可通讯；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，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种单电池，其特征在于，包括：
双极板，所述双极板上设有气体流道；
限位组件，所述限位组件设在所述气体流道周侧的双极板上，所述限位组件限定出安装区；
膜电极组件，所述膜电极组件的部分与所述安装区内的所述气体流道相连，所述膜电极组件的另外部分在所述单电池的厚度方向上与所述限位组件间隔设置，所述膜电极组件在所述单电池厚度方向上的长度大于所述限位组件在所述单电池厚度方向上的长度。
2.根据权利要求1所述的单电池，其特征在于，所述膜电极组件包括绝缘外框和膜电极，所述绝缘外框与所述限位组件在所述单电池的厚度方向上间隔设置，所述绝缘外框上设有开口，所述膜电极的部分设于所述绝缘外框的开口中。
3.根据权利要求2所述的单电池，其特征在于，所述膜电极包括第一碳纸、质子交换膜和第二碳纸，所述质子交换膜被夹持于所述第一碳纸和所述第二碳纸之间，所述第一碳纸的部分、所述质子交换膜和所述第二碳纸的部分设于所述绝缘外框的开口中。
4.根据权利要求2所述的单电池，其特征在于，所述双极板还包括第一燃料气体介质通道和第二燃料气体介质通道，所述第一燃料气体介质通道和所述第二燃料气体介质通道沿所述单电池的长度方向相对且间隔设置。
5.根据权利要求4所述的单电池，其特征在于，所述双极板还包括第一氧化剂气体通道和第二氧化剂气体通道，所述第一氧化剂气体通道和所述第二氧化剂气体通道沿所述单电池的长度方向相对且间隔设置。
6.根据权利要求5所述的单电池，其特征在于，所述双极板还包括第一冷却介质通道和第二冷却介质通道，所述第一冷却介质通道和所述第二冷却介质通道沿所述单电池的长度方向间隔且相对设置。
7.根据权利要求6所述的单电池，其特征在于，所述第一氧化剂气体通道和所述第一燃料气体介质通道在所述单电池宽度方向上相对于所述第一冷却介质通道对称设置，所述第二氧化剂气体通道和所述第二燃料气体介质通道在所述单电池宽度方向上相对于所述第二冷却介质通道对称设置。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的单电池，其特征在于，所述限位组件在所述单电池厚度方向上的长度大于或等于所述膜电极组件在所述单电池厚度方向上的长度的0.75倍。
9.一种燃料电池，其特征在于，包括多个权利要求1-8中任一项所述的单电池。
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