CN113241456B - 燃料单电池 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种燃料单电池，燃料单电池包括依次堆叠的阳极端板、阳极绝缘板、阳极集流板、阳极极板、膜电极、阴极极板、阴极集流板、阴极绝缘板和阴极端板，所述阳极端板上设有阳极气路入口和阳极气路出口，所述阴极端板上设有阴极气路入口和阴极气路出口。本发明实施例提供的燃料单电池在阳极端板处进出阳极气体，并由阴极端板处进出阴极气体，杜绝了阳极气体和阴极气体在膜电极以外接触的可能，将阳极气体和阴极气体的串气风险降至最低，显著提高了燃料单电池的安全性。

Description

燃料单电池

技术领域

本发明涉及燃料电池制造技术领域，尤其是涉及一种燃料单电池。

背景技术

质子膜氢燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂内的化学能直接转化为电能的能源装置，具有能量转换效率高、环境污染少、使用寿命长等优点，适用于交通、电站、可移动电源等多种用途，具有广阔的市场应用前景。燃料单电池需具有阳极气体流路、阴极气体流路及冷却介质流路，其中尤其是阳极气体流路和阴极气体流路需要严格密封，以避免阳极气体和阴极气体的交叉泄露，一旦阳极气体和阴极气体在膜电极以外接触，燃料单电池的安全性将受到严重威胁。并且由于在质子膜燃料电池的评价中需要频繁拆装燃料单电池，其多次拆装安全性便变得无比重要。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种可有效避免阳极气体和阴极气体的串气的燃料单电池，这种燃料单电池具有优异的安装性能。

根据本发明实施例的燃料单电池，包括：依次堆叠的阳极端板、阳极绝缘板、阳极集流板、阳极极板、膜电极、阴极极板、阴极集流板、阴极绝缘板和阴极端板，所述阳极极板的朝向所述膜电极的一侧设有阳极气体流道，所述阴极极板的朝向所述膜电极的一侧设有阴极气体流道，所述阴极极板上还设有冷却介质流道，所述阳极端板上设有阳极气路入口和阳极气路出口，所述阳极绝缘板、所述阳极集流板和所述阳极极板上均开设有开孔以便构造出与所述阳极气路入口连通的阳极进气通路以及与所述阳极气路出口连通的阳极出气通路，所述阳极进气通路和所述阳极出气通路中的每一者与所述阳极气体流道连通，所述阴极端板上设有阴极气路入口和阴极气路出口，所述阴极绝缘板、所述阴极集流板和所述阴极极板上均开设有开孔以便构造出与所述阴极气路入口连通的阴极进气通路以及与所述阴极气路出口连通的阴极出气通路，所述阴极进气通路和所述阴极出气通路中的每一者与所述阴极气体流道连通，所述燃料单电池还包括与所述冷却介质流道连通的冷却介质流入通路和冷却介质流出通路。

根据本发明实施例提供的燃料单电池由阳极端板处进出阳极气体，并由阴极端板处进出阴极气体，杜绝了阳极气体和阴极气体在膜电极以外接触的可能，将阳极气体和阴极气体的串气风险降至最低，与相关技术中从一侧同时进气的方案相比，显著提高了燃料单电池的安全性。

由此，本发明实施例提供的燃料单电池具有安全性好的优点。

另外，根据本发明的燃料单电池还具有如下附加技术特征：

在一些实施例中，所述阳极端板上设有冷却介质入口和冷却介质出口，所述阳极绝缘板、所述阳极集流板、所述阳极极板和所述膜电极上均开设有开孔以便构造出所述冷却介质流入通路和所述冷却介质流出通路，或者，所述阴极端板上设有冷却介质入口和冷却介质出口，所述阴极绝缘板和所述阴极集流板上均开设有开孔以便构造出所述冷却介质流入通路和所述冷却介质流出通路。

在一些实施例中，燃料单电池还包括环状的限位垫片，所述限位垫片环绕所述膜电极设置，所述限位垫片与所述阳极极板和所述阴极极板中的每一者相抵以防止所述膜电极被过度压缩。

在一些实施例中，所述阴极端板在其长度方向上具有相对的第一端部和第二端部，所述阴极气路入口设在所述第一端部上，所述阴极气路出口设在所述第二端部上。

在一些实施例中，所述阳极进气通路与所述阴极出气通路邻近设置。

在一些实施例中，所述阳极气路入口和所述阳极气路出口在所述阳极端板的长度方向上间隔设置，所述阴极气路入口和所述阴极气路出口在所述阴极端板的长度方向上间隔设置，所述阳极端板的长度方向与所述阴极端板的长度方向均为所述燃料单电池的长度方向，所述阳极进气通路和所述阴极出气通路均沿所述燃料单电池的厚度方向延伸并在所述厚度方向上相对。

在一些实施例中，所述阳极端板、所述阳极绝缘板、所述阳极集流板、所述阳极极板、所述膜电极、所述阴极极板、所述阴极集流板、所述阴极绝缘板和所述阴极端板中的每一者上设有在所述燃料单电池的厚度方向上相对的连接孔，绝缘螺栓穿过每一个所述连接孔。

在一些实施例中，所述阳极端板、所述阳极绝缘板、所述阳极集流板、所述阳极极板、所述膜电极、所述阴极极板、所述阴极集流板、所述阴极绝缘板和所述阴极端板中的每一者上设有在所述燃料单电池的厚度方向上相对的定位孔，所述定位孔能够允许定位轴穿过以便所述定位轴进行定位。

在一些实施例中，在所述阳极端板、所述阳极绝缘板、所述阳极集流板、所述阳极极板、所述膜电极、所述阴极极板、所述阴极集流板、所述阴极绝缘板和所述阴极端板中，相邻两者之间均设有密封垫片。

在一些实施例中，所述阴极极板由两个石墨板粘接而成，所述两个石墨板之间形成有所述冷却介质流道，或者，所述阴极极板的远离所述膜电极的一侧形成了所述冷却介质流道。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明实施例的燃料单电池的三维结构示意图。

图2是根据本发明实施例的燃料单电池的分解视图。

图3是根据本发明实施例的燃料单电池的正视图。

图4是根据本发明实施例的燃料单电池的俯视图。

图5是根据本发明实施例的燃料单电池的右视图。

附图标记：

阳极端板1；阴极端板2；阳极绝缘板3；阴极绝缘板4；阳极集流板5；阴极集流板6；阳极极板7；阴极极板8；膜电极9；限位垫片10；密封垫片11；连接孔12；定位孔13；阳极气路入口15；阳极气路出口16；阴极气路出口17；阴极气路入口18；冷却介质入口19；冷却介质出口20；导电接头21。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，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。

下面根据图1-5描述本发明的实施例的燃料单电池。

燃料单电池包括依次堆叠的阳极端板1、阳极绝缘板3、阳极集流板5、阳极极板7、膜电极9、阴极极板8、阴极集流板6、阴极绝缘板4和阴极端板2。燃料单电池的厚度方向与阳极端板1、阳极绝缘板3、阳极集流板5、阳极极板7、膜电极9、阴极极板8、阴极集流板6、阴极绝缘板4和阴极端板2中每一者的厚度方向一致。

阳极极板1的朝向膜电极9的一侧设有阳极气体流道。阴极极板2的朝向膜电极9的一侧设有阴极气体流道。阴极极板上2还设有冷却介质流道。阳极气体流道用于流通阳极气体(如氢气等燃料气体)，阴极气体流道用于流通阴极气体(如空气等氧化剂气体)，冷却介质流道用于流通冷却介质如(冷却水、冷却空气)。阳极气体和阴极气体通过膜电极9发生电化学反应，将化学能转化为电能。冷却介质用于对燃料单电池进行冷却。

阳极端板1上设有阳极气路入口15和阳极气路出口16。阳极绝缘板3、阳极集流板5和阳极极板7上均开设有开孔以便构造出阳极进气通路和阳极出气通路，阳极进气通路与阳极气路入口15连通，阳极出气通路与阳极气路出口16连通。并且，阳极进气通路和阳极出气通路均与阳极气体流道连通。也就是说，阳极进气通路和阳极出气通路均沿燃料单电池的厚度方向贯穿阳极绝缘板3、阳极集流板5和阳极极板7。燃料单电池的运行时，阳极气体从阳极气路入口15流入阳极进气通路，进入阳极气体流道与膜电极9接触并参与阳极反应，随后进入阳极出气通路，并最终从阳极气路出口16流出燃料单电池。

阴极端板2上设有阴极气路入口18和阴极气路出口17。阴极绝缘板4、阴极集流板6和阴极极板8上均开设有开孔以便构造出阴极进气通路和阴极出气通路。阴极进气通路与阴极气路入口18连通，阴极出气通路与阴极气路出口17连通。并且，阴极进气通路和阴极出气通路均与阴极气体流道连通。燃料单电池的运行时，阴极气体从阴极气路入口18流入阴极进气通路，进入阴极气体流道与膜电极9接触并参与阴极反应，而后经由阴极出气通路从阴极气路出口17排出燃料单电池。可以理解的是，阴极进气通路和阴极出气通路均沿燃料单电池的厚度方向贯穿阴极绝缘板4、阴极集流板6和阴极极板8。

此外，燃料单电池还包括与冷却介质流道连通的冷却介质流入通路和冷却介质流出通路。冷却介质从冷却介质流入通路进入冷却介质流道对燃料单电池进行冷却并从冷却介质流出通路流出燃料单电池。

根据本发明实施例提供的燃料单电池由阳极端板处进出阳极气体，并由阴极端板处进出阴极气体，杜绝了阳极气体和阴极气体在膜电极以外接触的可能，将阳极气体和阴极气体的串气风险降至最低，与相关技术中从一侧同时进气的方案相比，显著提高了燃料单电池的安全性。

由此，本发明实施例提供的燃料单电池具有安全性好的优点。

下面以图1-图5详细描述本发明实施例提供的燃料单电池。

如图1-图5所示，燃料单电池包括依次堆叠的阳极端板1、阳极绝缘板3、阳极集流板5、阳极极板7、膜电极9、阴极极板8、阴极集流板6、阴极绝缘板4和阴极端板2。燃料单电池的厚度方向、长度方向和宽度方向分别与阳极端板1、阳极绝缘板3、阳极集流板5、阳极极板7、膜电极9、阴极极板8、阴极集流板6、阴极绝缘板4和阴极端板2中每一者的厚度方向、长度方向和宽度方向一致。该长度方向、该宽度方向与该厚度方向彼此垂直。

如图3所示，阳极端板1上设有冷却介质入口19和冷却介质出口20，阳极绝缘板3、阳极集流板5、阳极极板7和膜电极9上均开设有开孔以便构造出冷却介质流入通路和冷却介质流出通路。也就是说，冷却介质从阳极侧流入冷却介质流道中。冷介质流入通路和冷却介质流出通路均位于阴极极板8的朝向膜电极9的一侧。

本实施例中，阴极极板8由两个石墨板粘接而成，两个石墨板之间形成有冷却介质流道。可以理解的是，由于本实施例中的冷却介质流道在阴极极板8内，因此阴极极板8的靠近膜电极9的石墨板上应开设有开孔以便连通冷却介质流入通路、冷却介质流道以及冷却介质流出通路。需要说明的是，在其他实施例中，冷却介质流道可以设在阴极极板8的远离膜电极9的一侧，在该实施例中，阴极极板8开设贯通其的开孔以便连通冷却介质流入通路、冷却介质流道以及冷却介质流出通路。

在其他实施例中，冷却介质入口19和冷却介质出口20可以设在阴极端板2上，即冷却介质可以从阴极侧流入。在该实施例中，阴极绝缘板4和阴极集流板6上均开设有开孔以便构造出冷却介质流入通路和冷却介质流出通路。冷却介质流入通路和冷却介质流出通路均位于阴极极板8的远离膜电极9的一侧。当阴极极板8由两个石墨板粘接而成，冷却介质流道形成在两个石墨板之间时，阴极极板8的远离膜电极9的石墨板上应开设有开孔以便连通冷却介质流入通路、冷却介质流道以及冷却介质流出通路。当冷却介质流道设在阴极极板8的远离膜电极9的一侧时，阴极极板8无需开设开孔。

进一步地，如图2所示，本实施例中的燃料单电池还包括限位垫片10，限位垫片10为环状，限位垫片10环绕膜电极9设置，即膜电极9位于限位垫片10中。限位垫片10在燃料单电池的厚度方向上位于阳极极板7和阴极极板8之间并与阳极极板7和阴极极板8中的每一者相抵。限位垫片10的厚度方向与燃料单电池的厚度方向一致。限位垫片10用于膜电极9被过度压缩。这是由于，膜电极9在组装过程中一定程度上会被压缩，被过度压缩的膜电极9的性能会受到影响，因此通过设置限位垫片10使组装好之后的膜电极9的厚度与限位垫片10的厚度相同，可以避免膜电极9被过度压缩。可以理解的是，限位垫片10的厚度需要根据膜电极9的厚度以及其所需的压缩率选择合适的厚度，防止膜电极9过压的现象出现。

如图3所示，阳极气路入口15、阳极气路出口16、冷却介质入口19和冷却介质出口20均设在阳极端板1的远离阴极端板2的侧面上，阳极气路入口15和阳极气路出口16在燃料单电池的长度方向上间隔设置。优选地，阳极进气通路和阳极出气通路沿燃料单电池厚度方向延伸。阳极气路入口15和阳极进气通路在燃料单电池厚度方向上相对，即阳极气路入口15和阳极进气通路正对，阳极气路出口16和阳极出气通路在燃料单电池厚度方向上相对，即阳极气路出口16和阳极出气通路正对，如此设置使得燃料单电池的结构更加合理。进一步优选地，冷却介质入口19与冷却介质流入通路在燃料单电池厚度方向上相对，冷却介质出口20与冷却介质流出通路在燃料单电池厚度方向上相对。

阴极气路入口18和阴极气路出口17在燃料单电池的长度方向上间隔设置。具体地，在本实施例中，阴极端板2在其长度方向上具有相对的第一端部和第二端部，阴极气路入口18设在第一端部上，阴极气路出口17设在第二端部上。如此设置方便了燃料单电池与外界通气管路的连接，减小了燃料单电池的安装难度。优选地，阴极进气通路和阴极出气通路沿燃料单电池厚度方向延伸。

可以理解的是，在其他实施例中，阴极气路入口18和阴极气路出口17可以设在阴极端板2的远离阳极端板1的侧面上。阳极端板1在其长度方向上具有第三端部和第四端部，阳极气路入口15可以设在第三端部上，阳极气路出口16可以设在第四端部上。冷却介质入口19和冷却介质出口20同理。

优选地，阳极进气通路与阴极出气通路邻近设置。更优选地，阳极进气通路和阴极出气通路在燃料单电池的厚度方向上相对，即阳极进气通路和阴极出气通路正对。如此设置可以使阴极尾气中的由于阴极反应生成的水渗透过膜电极9的质子膜，对从阳极进气通路流入阳极气体流道中的阳极气体进行加湿，以此提高阳极气体的湿度。在长时间耐久实验中使用阴极尾气为阳极气体加湿可以显著降低外部系统加湿罐的工作压力，降低测试系统压力，增强测试系统耐用性。

如图3所示，在本实施例中，为了使燃料单电池的结构更加合理，阳极气路入口15邻近阴极气路出口17设置。阳极气路出口16邻近阴极气路入口18设置。

如图3所示，阳极端板1、阳极绝缘板3、阳极集流板5、阳极极板7、膜电极9、阴极极板8、阴极集流板6、阴极绝缘板4和阴极端板2中的每一者上设有在燃料单电池的厚度方向上相对的连接孔12。绝缘螺栓穿过每一个连接孔以将燃料单电池固定安装。可以理解的是，为了提高燃料单电池的结构稳定性，每个板件上的连接孔12可以为多个。

如图3所示，阳极端板1、阳极绝缘板3、阳极集流板5、阳极极板7、膜电极9、阴极极板8、阴极集流板6、阴极绝缘板4和阴极端板2中的每一者上设有在燃料单电池的厚度方向上相对的定位孔13，定位孔13能够允许定位轴穿过以便定位轴进行定位。燃料单电池在组装时，使定位轴穿过每一个定位孔13以便对燃料单电池的组装进行精准定位。每个板件上的定位孔13可以为多个。

如图2所示，在阳极端板1、阳极绝缘板3、阳极集流板5、阳极极板7、膜电极9、阴极极板8、阴极集流板6、阴极绝缘板4和阴极端板2中，相邻两者之间均设有密封垫片11。密封垫片11用于密封，防止阳极气体、阴极气体以及冷却介质的泄露。优选地，阳极端板1、阳极绝缘板3、阳极集流板5、阳极极板7、膜电极9、阴极极板8、阴极集流板6、阴极绝缘板4和阴极端板2中每一者与密封垫片11接触的位置设置有密封凹槽，密封凹槽用于密封垫片11的安装和定位。

可选地，阳极端板1和阴极端板2均由高强度合金制成。阳极绝缘板3和阴极绝缘板4均由绝缘耐高温高强度材料制成。阳极集流板5和阴极集流板6均由紫铜镀金材料制成。阳极集流板5和阴极集流板6上的导电接头21接入电子负载，可控制和监控工作电流及电压。阳极极板7和阴极极板8均由两个石墨板粘接而成，以提高阳极极板7和阴极极板8的耐久性。

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 (8)

1.一种燃料单电池，其特征在于，包括：

依次堆叠的阳极端板、阳极绝缘板、阳极集流板、阳极极板、膜电极、阴极极板、阴极集流板、阴极绝缘板和阴极端板，所述阳极极板的朝向所述膜电极的一侧设有阳极气体流道，所述阴极极板的朝向所述膜电极的一侧设有阴极气体流道，所述阴极极板上还设有冷却介质流道，

所述阳极端板上设有阳极气路入口和阳极气路出口，所述阳极绝缘板、所述阳极集流板和所述阳极极板上均开设有开孔以便构造出与所述阳极气路入口连通的阳极进气通路以及与所述阳极气路出口连通的阳极出气通路，所述阳极进气通路和所述阳极出气通路中的每一者与所述阳极气体流道连通，

所述阴极端板上设有阴极气路入口和阴极气路出口，所述阴极绝缘板、所述阴极集流板和所述阴极极板上均开设有开孔以便构造出与所述阴极气路入口连通的阴极进气通路以及与所述阴极气路出口连通的阴极出气通路，所述阴极进气通路和所述阴极出气通路中的每一者与所述阴极气体流道连通，

所述燃料单电池还包括与所述冷却介质流道连通的冷却介质流入通路和冷却介质流出通路；

所述阳极端板上设有冷却介质入口和冷却介质出口，所述阳极绝缘板、所述阳极集流板、所述阳极极板和所述膜电极上均开设有开孔以便构造出所述冷却介质流入通路和所述冷却介质流出通路，或者，所述阴极端板上设有冷却介质入口和冷却介质出口，所述阴极绝缘板和所述阴极集流板上均开设有开孔以便构造出所述冷却介质流入通路和所述冷却介质流出通路；

所述阴极极板由两个石墨板粘接而成，所述两个石墨板之间形成有所述冷却介质流道，或者，所述阴极极板的远离所述膜电极的一侧形成了所述冷却介质流道。

2.根据权利要求1所述的燃料单电池，其特征在于，还包括环状的限位垫片，所述限位垫片环绕所述膜电极设置，所述限位垫片与所述阳极极板和所述阴极极板中的每一者相抵以防止所述膜电极被过度压缩。

3.根据权利要求1所述的燃料单电池，其特征在于，所述阴极端板在其长度方向上具有相对的第一端部和第二端部，所述阴极气路入口设在所述第一端部上，所述阴极气路出口设在所述第二端部上。

4.根据权利要求1所述的燃料单电池，其特征在于，所述阳极进气通路与所述阴极出气通路邻近设置。

5.根据权利要求4所述的燃料单电池，其特征在于，所述阳极气路入口和所述阳极气路出口在所述阳极端板的长度方向上间隔设置，所述阴极气路入口和所述阴极气路出口在所述阴极端板的长度方向上间隔设置，所述阳极端板的长度方向与所述阴极端板的长度方向均为所述燃料单电池的长度方向，所述阳极进气通路和所述阴极出气通路均沿所述燃料单电池的厚度方向延伸并在所述厚度方向上相对。

6.根据权利要求1所述的燃料单电池，其特征在于，所述阳极端板、所述阳极绝缘板、所述阳极集流板、所述阳极极板、所述膜电极、所述阴极极板、所述阴极集流板、所述阴极绝缘板和所述阴极端板中的每一者上设有在所述燃料单电池的厚度方向上相对的连接孔，绝缘螺栓穿过每一个所述连接孔。

7.根据权利要求1所述的燃料单电池，其特征在于，所述阳极端板、所述阳极绝缘板、所述阳极集流板、所述阳极极板、所述膜电极、所述阴极极板、所述阴极集流板、所述阴极绝缘板和所述阴极端板中的每一者上设有在所述燃料单电池的厚度方向上相对的定位孔，所述定位孔能够允许定位轴穿过以便所述定位轴进行定位。

8.根据权利要求1所述的燃料单电池，其特征在于，在所述阳极端板、所述阳极绝缘板、所述阳极集流板、所述阳极极板、所述膜电极、所述阴极极板、所述阴极集流板、所述阴极绝缘板和所述阴极端板中，相邻两者之间均设有密封垫片。

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