CN113506888B

CN113506888B - 一种燃料电池极板结构及电堆

Info

Publication number: CN113506888B
Application number: CN202111042687.1A
Authority: CN
Inventors: 徐黎明; 宋光辉; 马帅营
Original assignee: Aideman Hydrogen Energy Equipment Co ltd
Current assignee: Aideman Hydrogen Energy Equipment Co ltd
Priority date: 2021-09-07
Filing date: 2021-09-07
Publication date: 2021-11-30
Anticipated expiration: 2041-09-07
Also published as: WO2023035454A1; US20230395824A1; CN113506888A

Abstract

本发明涉及电化学技术领域，具体为一种燃料电池极板结构及电堆，包括电池块，所述电池块由双极板、碳纸、淅水片和质子交换膜构成，所述双极板包括板体，所述板体的外表面开设有反应槽，所述反应槽的前后两侧皆设置有过水口，所述过水口贯通板体的外表面，所述过水口的表面开设有凹槽，凹槽向反应槽内延伸。电堆包括多个电池块、集流板、绝缘板和端板，所述电池块首尾叠合组成电池组，每个所述集流板的侧面皆贴合有绝缘板，每个所述绝缘板的侧面皆贴合有端板，所述端板的外表面固定有可调压固定机构。本发明具有独立的防水干设计和固定调压结构，利于调整固定压力，从而控制极板间的压力，解决密封圈长期处于高压状态的问题。

Description

一种燃料电池极板结构及电堆

技术领域

本发明涉及电化学技术领域，具体为一种燃料电池极板结构及电堆。

背景技术

燃料电池电堆主要由极板（双极板）、质子交换膜、引流板和绝缘板几部分构成，质子交换膜和极板构成单块电池，多个单块电池叠合在一起构成电池组，电池组的固定方式有很多，最常见的就是由端板和螺栓固定，在电池组的两端固定端板，两块端板由螺栓连接固定，固定的压力控制会影响极板间的电阻及气体流动，从而影响发电性能。

极板是点堆中的关键部件，极板的流场设计，需要考虑介质均匀性、水热管理、接触电阻和支撑强度等因素，流场设计的好坏极大的影响点堆的发电性能。

专利公开号为CN109830705A的中国发明专利，公开了一种燃料电池极板结构及电堆，极板结构包括极板，所述极板上设置有燃料入口、空气入口和冷却液入口，以及燃料出口、空气出口和冷却液出口，所述空气入口与空气出口之间设置有流道，形成流场，所述流道包括若干限流通道，所述限流通道设置入口和出口处，以限制进出流速或/和流量，入口和出口侧限流通道之间设置有多个分支通道，所述分支通道的底面与极板所在平面构成一定的倾斜角度。

但是，这种流道设计及电堆的固定存在一些问题，其一，在极板中没有独立的防水干设计，质子交换膜的润湿只能通过自身反应产生的水进行润湿或通过冷却液入口注入水进行润湿，此种润湿方法效果差，水无法直接接触质子交换膜，需要先透过碳纸才能接触质子交换膜进行润湿。

其二，电堆的固定未做针对处理，传统的固定方式无调压结构，长期高压固定，能保证极板之间的紧紧相抵，降低了极板间的电阻，保证了密封性，但是长期保证高压固定，加速了密封圈的老化，影响电堆的使用寿命。

因此亟需设计一种燃料电池极板结构及电堆来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池极板结构及电堆，以解决上述背景技术中提出的无独立的防水干设计，无调压结构，加速了密封圈的老化，影响电堆的使用寿命的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池极板结构及电堆，包括电池块，所述电池块由双极板、碳纸、淅水片和质子交换膜构成，所述双极板包括板体，所述板体的外表面开设有反应槽，所述反应槽的左右两侧皆设置有进出口，所述反应槽的前后两侧皆设置有过水口，所述过水口贯通板体的外表面，所述过水口的表面开设有凹槽，凹槽向反应槽内延伸，且凹槽的内壁上均匀分布有导槽，所述碳纸和淅水片的数量均为两个，所述碳纸与淅水片叠合并分布于质子交换膜的两侧。

优选的，所述碳纸和淅水片皆内嵌于反应槽内，导槽分布于碳纸和淅水片之间，所述淅水片的两侧皆一体化连接有透水块，透水块内嵌于过水口内。

优选的，所述淅水片呈蜂窝状，且所述淅水片由活性炭和全氟磺酸树脂混合制成。

一种燃料电池电堆，包括多个电池块、集流板、绝缘板和端板，所述电池块首尾叠合组成电池组，且所述集流板分布于电池组的两侧，每个所述集流板的侧面皆贴合有绝缘板，每个所述绝缘板的侧面皆贴合有端板，所述端板的外表面固定有可调压固定机构，所述可调压固定机构包括外壳，所述外壳的内部设置有伺服电机，所述伺服电机固定在端板上，所述伺服电机的输出端固定有主动伞齿，且所述主动伞齿的两侧皆啮合有从动伞齿，所述从动伞齿的内部伸缩连接有推杆，所述推杆背离从动伞齿的一端贯穿外壳并抵接有弧形片，所述弧形片背离推杆的一端抵接有拉杆。

优选的，所述从动伞齿的外表面通过轴承连接有轴承套，所述轴承套固定于端板上，所述推杆的一端呈锥形，且所述推杆的另一端外表面开设有外螺纹，所述从动伞齿的内壁开设有内螺纹，所述推杆与从动伞齿通过螺纹连接。

优选的，所述弧形片的两端皆呈弧形，且所述弧形片与端板的外表面相抵，所述拉杆的两端皆开设有“U”形槽，U形槽内固定有轴销，所述弧形片插设于U形槽内并与轴销相抵，所述弧形片与推杆抵接的一端厚度向外渐增，所述拉杆的数量为四个，每个所述拉杆的两端皆与两个弧形片配合。

优选的，所述弧形片靠近拉杆的一端设置有压座，所述压座由压轴和连接块组成，压轴抵触在弧形片的弧形面最低点，压轴的两端与连接块固定连接，固定块固定在端板上。

优选的，所述推杆的外表面套设有直线轴承，所述直线轴承固定在外壳的内壁上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该燃料电池极板结构及电堆具有独立的防水干设计和固定调压结构，利于调整固定压力，从而控制极板间的压力，解决密封圈长期处于高压状态的问题。

（1）通过在板体上开设有过水口，在过水口的内部开设有延伸至反应槽的凹槽，并在凹槽内均匀开设有导槽，并在碳纸和质子交换膜之间设置有淅水片，通过过水口能独立进水，水通过导槽流到淅水片上，从而浸湿质子交换膜，保证质子交换膜始终湿润，提升质子传导效果，提升发电效果。

（2）通过在两个端板的侧面皆设置有拉杆，拉杆通过弧形片拉扯，伺服电机通过主动伞齿驱动从动伞齿旋转，能带动推杆伸缩，从而顶动弧形片的一端，使弧形片的另一端翘动拉杆，从而推动两块端板调整夹持电池组的压力，当电池组不工作时，可以通过可调压固定机构调小电池组的固定压力，降低对密封圈的压力，工作时再回调压力，满足电池组工作需求，弹性调整减缓了密封圈的老化，从而提升电堆的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的结构整体示意图；

图2为本发明图1中可调压固定机构的结构侧视剖视示意图；

图3为本发明图1中弧形片的结构整体示意图；

图4为本发明图1中电池块的结构爆炸示意图；

图5为本发明图4中A处结构放大示意图。

图中：1、电池块；11、双极板；111、板体；112、进出口；113、反应槽；114、过水口；12、碳纸；13、淅水片；14、质子交换膜；2、集流板；3、绝缘板；4、端板；5、可调压固定机构；51、外壳；52、伺服电机；53、主动伞齿；54、从动伞齿；55、轴承套；56、直线轴承；57、推杆；58、弧形片；59、拉杆；510、压座。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

请参阅图1-图5，本发明提供的一种实施例一种燃料电池极板结构及电堆，包括电池块1，电池块1由双极板11、碳纸12、淅水片13和质子交换膜14构成，双极板11包括板体111，板体111的外表面开设有反应槽113，反应槽113的左右两侧皆设置有进出口112，反应槽113的前后两侧皆设置有过水口114，过水口114贯通板体111的外表面，过水口114的表面开设有凹槽，凹槽向反应槽113内延伸，且凹槽的内壁上均匀分布有导槽，碳纸12和淅水片13的数量均为两个，碳纸12与淅水片13叠合并分布于质子交换膜14的两侧，如图4所示，进出口112数量为六个，板体111两侧分别开设三个，一端用于进，一端用于出，氢气和空气通过进出口112导入反应槽113内通过碳纸12催化后在质子交换膜14上反应，分离出电子，此为现有技术，在此不做过多阐述，通过在板体111上开设有过水口114，在过水口114的内部开设有延伸至反应槽113的凹槽，并在凹槽内均匀开设有导槽，并在碳纸12和质子交换膜14之间设置有淅水片13，通过过水口114能独立进水，水通过导槽流到淅水片13上，从而浸湿质子交换膜14，保证质子交换膜14始终湿润，提升质子传导效果。

进一步的，如图4所示，碳纸12和淅水片13皆内嵌于反应槽113内，导槽分布于碳纸12和淅水片13之间，淅水片13的两侧皆一体化连接有透水块，透水块内嵌于过水口114内，透水块起到将过水口114内流出的水过渡到淅水片13上，透水块材质与淅水片13相同。

进一步的，如图4所示，淅水片13呈蜂窝状，利于水均匀分布到淅水片13上，并在淅水片13表面聚集，且淅水片13由活性炭和全氟磺酸树脂混合制成，活性炭导电效果好，提升碳纸12和质子交换膜14间的导电性，全氟磺酸树脂有较好的催化性能，配合活性炭能提升催化效果。

一种燃料电池电堆，包括多个电池块1、集流板2、绝缘板3和端板4，电池块1首尾叠合组成电池组，且集流板2分布于电池组的两侧，集流板2用于集流，集中排水排气和导电，每个集流板2的侧面皆贴合有绝缘板3，每个绝缘板3的侧面皆贴合有端板4，绝缘板3起到绝缘的作用，端板4表面安装有进气管和进水管（未示出），进气管和进水管延伸至集流板2上并与进出口112连通。

端板4的外表面固定有可调压固定机构5，可调压固定机构5包括外壳51，外壳51的内部设置有伺服电机52，伺服电机52固定在端板4上，伺服电机52的输出端固定有主动伞齿53，且主动伞齿53的两侧皆啮合有从动伞齿54，从动伞齿54的内部伸缩连接有推杆57，推杆57背离从动伞齿54的一端贯穿外壳51并抵接有弧形片58，弧形片58背离推杆57的一端抵接有拉杆59，通过伺服电机52驱动主动伞齿53，能带动从动伞齿54旋转，使推杆57在外壳51内伸缩，通过外壳51推动弧形片58的一端，使弧形片58另一端撬动拉杆59，调整两块端板4之间的间距，控制电池组间的固定压力，通过这种固定结构，还有方便拆卸的效果，当两个推杆57完全收起，使推杆57完全脱离弧形片58，解除对弧形片58的限位，再将弧形片58向远离端板4的一侧板动，使弧形片58能从拉杆59上脱离，从而拆解电池组。

进一步的，如图1-图2所示，从动伞齿54的外表面通过轴承连接有轴承套55，轴承套55固定于端板4上，使从动伞齿54能在外壳51内稳定的转动，推杆57的一端呈锥形，且推杆57的另一端外表面开设有外螺纹，从动伞齿54的内壁开设有内螺纹，推杆57与从动伞齿54通过螺纹连接，通过从动伞齿54旋转，内螺纹能推动外螺纹，使推杆57推动弧形片58，由于推杆57与弧形片58相抵的一端呈锥形，推杆57向着弧形片58移动，会顶动弧形片58向端板4靠近，使弧形片58另一端撬动拉杆59。

进一步的，如图1-图3所示，弧形片58的两端皆呈弧形，且弧形片58与端板4的外表面相抵，拉杆59的两端皆开设有“U”形槽，U形槽内固定有轴销，弧形片58插设于U形槽内并与轴销相抵，弧形片58凸出于U形槽，弧形片58的另一端与另一个弧形片58相抵，弧形片58的两侧与U形槽内壁相抵，并且弧形片58凸出弧形槽的部分较宽，这样就避免弧形片58从U形槽内中脱落；弧形片58与推杆57抵接的一端厚度向外渐增，使弧形片58与推杆57锥形端连接的一端呈楔形，正好配合推杆57的锥形端，降低推杆57推动弧形片58的阻力，拉杆59的数量为四个，每个拉杆59的两端皆与两个弧形片58配合，弧形片58呈弧形设计，且弧形片58的最低点抵着端板4形成支点，形成杠杆结构。

进一步的，如图1-图2所示，弧形片58靠近拉杆59的一端设置有压座510，压座510由压轴和连接块组成，压轴抵触在弧形片58的弧形面最低点，压轴的两端与连接块固定连接，固定块固定在端板4上，提高弧形片58与端板4之间的连接稳定性。

进一步的，如图1-图2所示，推杆57的外表面套设有直线轴承56，直线轴承56固定在外壳51的内壁上，降低推杆57的伸缩摩擦力，减小推杆57活动所需推力。

工作原理：使用时，通过将端板4上的进气管和进水管与外部氢气、空气和冷却液导管对应连接，使氢气、空气和冷却液通过进出口112导入淅水片13内，通过碳纸12催化后在质子交换膜14上反应，分离出电子，此为现有技术，在此不做过多阐述。

通过在板体111上开设有过水口114，在过水口114的内部开设有延伸至反应槽113的凹槽，并在凹槽内均匀开设有导槽，并在碳纸12和质子交换膜14之间设置有淅水片13，通过过水口114能独立进水，水通过导槽流到淅水片13上，从而浸湿质子交换膜14，保证质子交换膜14始终湿润，提升质子传导效果。

通过伺服电机52工作能驱动主动伞齿53转动，使主动伞齿53驱动从动伞齿54旋转，通过从动伞齿54旋转，内螺纹能推动外螺纹，使推杆57推动弧形片58，由于推杆57与弧形片58相抵的一端呈锥形，推杆57向着弧形片58移动，会顶动弧形片58向端板4靠近，使弧形片58另一端撬动拉杆59，从而推动两块端板4调整夹持电池组的压力，当电池组不工作时，可以通过可调压固定机构5调小电池组的固定压力，降低对密封圈的压力，工作时再回调压力，满足电池组工作需求。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨再将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims

1.一种燃料电池极板结构，包括电池块（1），所述电池块（1）由双极板（11）、碳纸（12）和质子交换膜（14）构成，其特征在于：所述电池块（1）还包括淅水片，所述双极板（11）包括板体（111），所述板体（111）的外表面开设有反应槽（113），所述反应槽（113）的左右两侧皆设置有进出口（112），所述反应槽（113）的前后两侧皆设置有过水口（114），所述过水口（114）贯通板体（111）的外表面，所述过水口（114）的表面开设有凹槽，凹槽向反应槽（113）内延伸，且凹槽的内壁上均匀分布有导槽，所述碳纸（12）和淅水片（13）的数量均为两个，所述碳纸（12）与淅水片（13）叠合并分布于质子交换膜（14）的两侧，淅水片（13）位于碳纸（12）和质子交换膜（14）之间；所述碳纸（12）和淅水片（13）皆内嵌于反应槽（113）内，导槽分布于碳纸（12）和淅水片（13）之间，所述淅水片（13）的两侧皆一体化连接有透水块，透水块内嵌于过水口（114）内；所述淅水片（13）呈蜂窝状，且所述淅水片（13）由活性炭和全氟磺酸树脂混合制成。

2.一种燃料电池电堆，采用权利要求1所述的燃料电池极板结构制作而成，包括多个电池块（1）、集流板（2）、绝缘板（3）和端板（4），所述电池块（1）首尾叠合组成电池组，且所述集流板（2）分布于电池组的两侧，每个所述集流板（2）的侧面皆贴合有绝缘板（3），每个所述绝缘板（3）的侧面皆贴合有端板（4），其特征在于：所述端板（4）的外表面固定有可调压固定机构（5），所述可调压固定机构（5）包括外壳（51），所述外壳（51）的内部设置有伺服电机（52），所述伺服电机（52）固定在端板（4）上，所述伺服电机（52）的输出端固定有主动伞齿（53），且所述主动伞齿（53）的两侧皆啮合有从动伞齿（54），所述从动伞齿（54）的内部伸缩连接有推杆（57），所述推杆（57）背离从动伞齿（54）的一端贯穿外壳（51）并抵接有弧形片（58），所述弧形片（58）背离推杆（57）的一端抵接有拉杆（59）。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池电堆，其特征在于：所述从动伞齿（54）的外表面通过轴承连接有轴承套（55），所述轴承套（55）固定于端板（4）上，所述推杆（57）的一端呈锥形，且所述推杆（57）的另一端外表面开设有外螺纹，所述从动伞齿（54）的内壁开设有内螺纹，所述推杆（57）与从动伞齿（54）通过螺纹连接。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池电堆，其特征在于：所述弧形片（58）的两端皆呈弧形，且所述弧形片（58）与端板（4）的外表面相抵，所述拉杆（59）的两端皆开设有“U”形槽，U形槽内固定有轴销，所述弧形片（58）插设于U形槽内并与轴销相抵，所述弧形片（58）与推杆（57）抵接的一端厚度向外渐增，所述拉杆（59）的数量为四个，每个所述拉杆（59）的两端皆与两个弧形片（58）配合。

5.根据权利要求2所述的一种燃料电池电堆，其特征在于：所述弧形片（58）靠近拉杆（59）的一端设置有压座（510），所述压座（510）由压轴和连接块组成，压轴抵触在弧形片（58）的弧形面最低点，压轴的两端与连接块固定连接，固定块固定在端板（4）上。

6.根据权利要求2所述的一种燃料电池电堆，其特征在于：所述推杆（57）的外表面套设有直线轴承（56），所述直线轴承（56）固定在外壳（51）的内壁上。