CN113690477B - 一种空气冷却式燃料电池电堆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空气冷却式燃料电池电堆，包括若干堆叠组装的模块，每个模块包括下压板和上压板，下压板与上压板之间具有若干用于容纳燃料电池单电池的容纳腔，燃料电池单电池具有第一氢气进口、第一氢气出口、第一空气进口和第一空气出口，相应的，每个容纳腔具有第二氢气进口、第二氢气出口、第二空气进口和第二空气出口，空气冷却式燃料电池电堆还包括将各模块固定在一起的紧固件。本发明公开的空气冷却式燃料电池电堆，燃料电池单电池采用模块化设计，简化了单电池的组装过程，可根据需求自由调整堆叠成电堆的燃料电池单电池的数量，燃料电池单电池组装成电堆后，依旧可对燃料电池单电池的数量进行调整。

Description

一种空气冷却式燃料电池电堆

技术领域

本发明涉及燃料电池电堆领域，特别涉及一种空气冷却式燃料电池电堆。

背景技术

燃料电池的电堆是由多个燃料电池单电池堆叠而成的，电堆的结构很大程度上决定了燃料电池能否良好的散热，能否将反应后产生的废气和水分排出以保证燃料电池正常的工作。

现有的燃料电池的电堆结构如公开号为CN207233866U的中国专利公开的一种质子交换膜燃料电池双极板结构以及燃料电池电堆，由膜电极和双极板依次层叠而成，在膜电极的阴极与双极板的阴极之间还设有阴极加强层，双极板由阳极板和阴极板层叠粘接而成；阳极板的正面设有氢气流场；阴极板的正面设有空气流道，空气流道是由多条空气流道沟槽所构成；阴极板的背面设有冷却液流道，冷却液流道是由多条冷却液流道沟槽所构成。

又如公开号为CN202917588U的中国专利公开的一种空冷型质子交换膜燃料电池堆，燃料电池的本体段的两侧分别设置有集电板，所述集电板的外侧分别设置有绝缘端板，所述绝缘端板的四周外露于所述集电板，紧固螺杆、紧固螺帽紧固连接两侧的所述绝缘端板、并压紧集电板和燃料电池本体段，所述燃料电池本体段的顶部设置有顶板、氢气进气外总管端板，所述顶板的两侧分别通过粘接剂粘接对应的所述绝缘端板的顶部、并用螺丝紧固连接，两侧的所述绝缘端板的顶部设置有顶部安装止口，所述氢气进气外总管端板的两端卡装于对应的所述顶部安装止口，所述氢气进气外总管端板、顶板间通过粘接剂填缝封装；所述氢气进气外总管端板的进气长通管连通所述燃料电池本体段的各个氢气进气子管，在所述进气长通管内和各个氢气进气子管外表面的间隙中填装有粘接剂；所述燃料电池本体段的底部设置有底板、氢气出气外总管端板，所述底板通过粘接剂粘接两侧的所述绝缘端板的底部、并用螺丝紧固连接，两侧的所述绝缘端板的底部设置有底部安装止口，所述氢气出气外总管端板的两端卡装于对应的所述底部安装止口，所述氢气出气外总管端板、底板间通过粘接剂填缝封装；所述氢气出气外总管端板的出气长通管连通所述燃料电池本体段的各个氢气出气子管，在所述出气长通管内和各个氢气出气子管外表面的间隙中填装有粘接剂；所述氢气进气外总管端板、氢气出气外总管端板分别位于所述绝缘端板的对角线位置；风扇板位于所述燃料电池本体段的正面，所述风扇板通过粘接剂粘接两侧的所述绝缘端板的前端面、并用螺丝紧固连接，所述风扇板和所述顶板之间通过粘接剂填缝封装，所述风扇板和所述氢气出气外总管端板之间通过粘接剂填缝封装；所述风扇板上均布有风扇通孔，风扇被螺丝固定在所述风扇板上，所述风扇的扇叶对准风扇通孔。

上述两份专利申请公开的燃料电池电堆均为若干个燃料电池单电池利用质子交换膜分隔后直接堆叠而成，利用此种方式堆叠电堆，不仅对堆叠过程有较高的技术要求，而且一旦堆叠完成后，电堆中燃料电池单电池的数量无法再改变。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种空气冷却式燃料电池电堆，采用模块式设计，不仅组装简单、维护方便，还可以根据需求自由调整电堆中燃料电池单电池的数量。

一种空气冷却式燃料电池电堆，包括若干堆叠组装的模块，每个模块包括下压板和上压板，下压板与上压板之间具有若干用于容纳燃料电池单电池的容纳腔，燃料电池单电池具有第一氢气进口、第一氢气出口、第一空气进口和第一空气出口，相应的，每个容纳腔具有第二氢气进口、第二氢气出口、第二空气进口和第二空气出口，

所述空气冷却式燃料电池电堆还包括将各模块固定在一起的紧固件。

具体的，容纳腔彼此分隔，一个容纳腔中放置一个燃料电池单电池，上压板、下压板与设于若干容纳腔中的若干燃料电池单电池组成一个模块；模块与模块之间的燃料电池单电池被上压板或下压板隔开；根据需要可自由选择模块的数量，利用紧固件将各个模块组装在一起形成电堆。此种结构下，如需对电堆增加或减少燃料电池单电池，仅仅只需将紧固件拆卸后增加或减少模块后重新紧固即可。

优选的，每个燃料电池单电池包括阳极板、阴极板以及位于阳极板与阴极板之间的膜电极，阳极板在朝向膜电极的一面设有阳极流道，阴极板在朝向膜电极的一面设有阴极流道，

所述阳极流道从第一氢气进口一侧延伸到第一氢气出口一侧，所述第一氢气进口和第一氢气出口分别位于燃料电池单电池两端且沿阳极板、膜电极和阴极板叠放方向穿过所述燃料电池单电池，

所述阴极流道沿垂直阳极流道延伸方向布置，且阴极流道在阴极板的两端侧边开口作为所述第一空气进口和第一空气出口。

具体的，阳极板与阴极板分设于膜电极的两侧，阳极流道与阴极流道均朝向膜电极相对设置，且阳极流道与阴极流道彼此垂直，此种结构下，阳极气体与阴极气体均能充分反应。

第一氢气进口与第一氢气出口分设于阳极流道的两端，能够保证氢气从第一氢气进口进入燃料电池单电池后能通过整个阳极流道反应后从第一氢气出口流出。

由于燃料电池单电池置于容纳腔中，因此空气经第一空气进口后可直接进入阴极板，反应完之后经第一空气出口直接排出。

优选的，每个模块中的燃料电池单电池按阴极流道延伸方向一列排列至少两个，

第二空气进口和第二空气出口设于容纳腔的侧壁，且处于同一列的各容纳腔的各第二空气进口和第二空气出口连通形成空气通过的通道。

具体的，每个模块中至少设置两个容纳腔的结构，不仅能有效的节约材料，而且还能降低模块堆叠的高度进一步降低电堆组装的难度。

按照阴极流道方向延伸排列的各个容纳腔及燃料电池单电池的第二空气进口与第一空气进口、第一空气出口、第二空气出口均设于一条直线上形成空气的流通通道，以保证空气流动的畅通性。

优选的，所述下压板在同一列容纳腔的相邻两个之间开设有用于排水的第一排水孔，相应的，所述上压板对应位置设有第二排水孔，各模块中对应位置的第一排水孔和第二排水孔组成排水通道。

具体的，根据燃料电池的工作原理可知，阴极气体空气与阳极气体氢气反应之后会产生水，如若无法将水及时排出，积聚于模块中的水或将造成短路的问题，因此。设置排水通道将水及时排出模块是必要的。

优选的，所述第一排水孔和第二排水孔的长度至少横跨所述第二空气出口的开口长度。

具体的，为保证反应产生的水均能及时排出保证第一排水孔和第二排水孔的长度至少横跨第二空气出口的开口长度是必要的。

优选的，每个模块中的燃料电池单电池按垂直阴极流道延伸方向一行排列至少两个。

具体的，结合每个模块中的燃料电池单电池按阴极流道延伸方向一列排列至少两个的结构，每个模块中至少设置有四个燃料电池单电池，能进一步降低成本并降低电堆组装的难度。

优选的，所述容纳腔与燃料电池单电池之间设有用于定位燃料电池单电池位置的定位机构。

具体的，燃料电池在使用的过程中，或会存在搬运、移动的过程，而模块中的燃料电池单电池位置不变，是燃料电池能正常工作的前提，因此设置定位机构用于固定燃料电池单电池的位置是必要的。

优选的，所述定位机构包括设于下压板底面的定位销，所述燃料电池单电池上相应设有供定位销穿过的定位孔，所述定位孔包括设于燃料电池单电池沿阳极流道延伸方向两侧的两个，相应的，所述每个容纳腔内对应设有两个定位销。

优选的，下压板和上压板由绝缘材料制成。

具体的，为防止电能的流失同时为防止触电事故的发生，直接与外界环境接触的上压板与下压板由绝缘材料制成是必要的。

优选的，所述紧固件包括多个依次穿过各模块的螺杆，以及与螺杆配合的螺母；

每个模块的下压板和上压板之间通过穿过上压板的螺钉固定，所述螺钉包括头部和带有螺纹的杆部；上压板上设有沉头孔，相应的，下压板上设有螺纹孔，所述螺钉穿过上压板后头部隐藏于所述沉头孔中，杆部一端与所述螺纹孔配合固定。

具体的，螺钉固定不仅连接紧密而且拆装方便，同时为方便模块与模块之间的堆叠，设置沉头孔保证螺钉的头部不凸出与于上压板。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

(1)燃料电池单电池采用模块化设计，简化了单电池的组装过程，同时可根据需求自由调整堆叠成电堆的燃料电池单电池的数量，燃料电池单电池组装成电堆后，依旧可对燃料电池单电池的数量进行调整，相对与传统的燃料电池组装成电堆后燃料电池单电池的数量无法调整具有突出的优势。

(2)同一模块中可串联多个燃料电池单电池，相较于传统的燃料电池，在相同的输出功率的条件下，串联有多个燃料电池单电池的模块具有更高的输出电压，更低的输出电流，解决了DCDC转换器(直流电转直流电)难选型的问题，可适配市场上现有DCDC转换器。

(3)上压板和下压板采用绝缘材料制成，提高了燃料电池的安全性，同时利用此模块组装而成的燃料电池无需额外加装保护壳，降低了成本。

附图说明

图1为本发明提供的空气冷却式燃料电池电堆的气体流动方向及堆叠示意图；

图2为本发明提供的空气冷却式燃料电池电堆的模块立体示意图；

图3为本发明提供的空气冷却式燃料电池电堆的模块爆炸示意图；

图4为本发明提供的空气冷却式燃料电池电堆的燃料电池单电池爆炸示意图；

图5为本发明提供的空气冷却式燃料电池电堆的阴极板的立体图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。

如图1-5所示，三个堆叠组装的模块100形成一个电堆，为防止电能的流失同时为防止触电事故的发生，直接与外界环境接触的上压板200与下压板300由绝缘材料制成是必要的；每个模块100包括由绝缘材料制成的下压板300和上压板200，下压板300与上压板200之间具有九个用于容纳燃料电池单电池500的容纳腔400，九个容纳腔400成3×3排列。每个模块100中设置有多燃料电池单电池500，能进一步降低成本并降低电堆组装的难度.

燃料电池单电池500具有第一氢气进口510、第一氢气出口520、第一空气进口530和第一空气出口540，相应的，每个容纳腔400侧壁具有第二空气进口430和第二空气出口440，上壁上设有第二氢气进口410、第二氢气出口420，因此，每个模块100设有三个第二空气进口430、第二空气出口440，九个第二氢气进口410、第二氢气出口420。

同时，同一列的各容纳腔400的第二空气进口430和第二空气出口440连通形成空气通过的通道。

每个燃料电池单电池500包括阳极板550、阴极板560以及位于阳极板550与阴极板560之间的膜电极570和密封胶线600，阳极板550在朝向膜电极570的一面设有阳极流道551，阴极板560在朝向膜电极570的一面设有阴极流道561，燃料电池单电池500按阴极流道561延伸方向一列排列三个，按垂直阴极流道561延伸方向一行排列三个。

阳极流道551从第一氢气进口510一侧延伸到第一氢气出口520一侧，保证氢气从第一氢气进口510进入燃料电池单电池500后能通过整个阳极流道551反应后从第一氢气出口520流出。

第一氢气进口510和第一氢气出口520分别位于燃料电池单电池500两端且沿阳极板550、膜电极570和阴极板560叠放方向穿过燃料电池单电池500。

阴极流道561沿垂直阳极流道551延伸方向布置，阳极流道551与阴极流道561彼此垂直，以保证阳极气体与阴极气体均能充分反应；且阴极流道561在阴极板560的两端侧边开口作为第一空气进口530和第一空气出口540。

下压板300在同一列容纳腔400的相邻两个之间开设有用于排水的第一排水孔310，第一排水孔310的长度略长于第二空气出口440，相应的，上压板200对应位置设有长度略长于第二空气出口440的第二排水孔210，各模块100中对应位置的第一排水孔310和第二排水孔210组成排水通道。

由于阴极气体空气与阳极气体氢气反应之后会产生水，如若无法将水及时排出，积聚于模块100中的水或将造成短路的问题，因此设置排水通道及时将水排出。

容纳腔400与燃料电池单电池500之间设有用于定位燃料电池单电池500位置的由定位销和定位孔组成的定位机构。

对于容纳腔400，两个定位销设于下压板300底面，两个定位孔设于燃料电池单电池500上，且定位孔设于燃料电池单电池500沿阳极流道551延伸方向的两侧的两个，定位销的方位与定位孔相适配。

阳极板550与阴极板560上还设有用于连接导电装置的接线孔700。

燃料电池在使用的过程中，或会存在搬运、移动的过程，而模块100中的燃料电池单电池500位置不变，是燃料电池能正常工作的前提，因此设置定位机构用于固定燃料电池单电池500的位置是必要的。

利用紧固件将各个模块100固定成燃料电池电堆，紧固件由多个依次穿过各模块100的螺杆，以及与螺杆配合的螺母构成。

此外，每个模块100的下压板300和上压板200之间通过穿过上压板200的螺钉固定，螺钉包括头部和带有螺纹的杆部；上压板200上设有沉头孔，相应的，下压板300上设有螺纹孔，所述螺钉穿过上压板200后头部隐藏于所述沉头孔中，沉头孔保证螺钉的头部不凸出与于上压板200，方便模块100的堆叠，杆部一端与所述螺纹孔配合固定。

具体使用时，根据需要可自由选择模块100的数量，利用紧固件将各个模块100组装在一起形成电堆，如需对电堆增加或减少燃料电池单电池500，仅仅只需将紧固件拆卸后增加或减少模块100后重新紧固即可。

Claims (5)

1.一种空气冷却式燃料电池电堆，其特征在于，包括若干堆叠组装的模块，每个模块包括下压板和上压板，下压板与上压板之间具有若干用于容纳燃料电池单电池的容纳腔，燃料电池单电池具有第一氢气进口、第一氢气出口、第一空气进口和第一空气出口，相应的，每个容纳腔具有第二氢气进口、第二氢气出口、第二空气进口和第二空气出口，

所述空气冷却式燃料电池电堆还包括将各模块固定在一起的紧固件；

每个燃料电池单电池包括阳极板、阴极板以及位于阳极板与阴极板之间的膜电极，阳极板在朝向膜电极的一面设有阳极流道，阴极板在朝向膜电极的一面设有阴极流道，所述阳极流道从第一氢气进口一侧延伸到第一氢气出口一侧，所述第一氢气进口和第一氢气出口分别位于燃料电池单电池两端且沿阳极板、膜电极和阴极板叠放方向穿过所述燃料电池单电池，所述阴极流道沿垂直阳极流道延伸方向布置，且阴极流道在阴极板的两端侧边开口作为所述第一空气进口和第一空气出口；

每个模块中的燃料电池单电池按阴极流道延伸方向一列排列至少两个，第二空气进口和第二空气出口设于容纳腔的侧壁，且处于同一列的各容纳腔的各第二空气进口和第二空气出口连通形成空气通过的通道；

所述下压板在同一列容纳腔的相邻两个之间开设有用于排水的第一排水孔，相应的，所述上压板对应位置设有第二排水孔，各模块中对应位置的第一排水孔和第二排水孔组成排水通道；

所述第一排水孔和第二排水孔的长度至少横跨所述第二空气出口的开口长度；

每个模块中的燃料电池单电池按垂直阴极流道延伸方向一行排列至少两个。

2.如权利要求1所述的空气冷却式燃料电池电堆，其特征在于，所述容纳腔与燃料电池单电池之间设有用于定位燃料电池单电池位置的定位机构。

3.如权利要求2所述的空气冷却式燃料电池电堆，其特征在于，所述定位机构包括设于下压板底面的定位销，所述燃料电池单电池上相应设有供定位销穿过的定位孔，所述定位孔包括设于燃料电池单电池沿阳极流道延伸方向两侧的两个，相应的，所述每个容纳腔内对应设有两个定位销。

4.如权利要求1所述的空气冷却式燃料电池电堆，其特征在于，下压板和上压板由绝缘材料制成。

5.如权利要求1所述的空气冷却式燃料电池电堆，其特征在于，所述紧固件包括多个依次穿过各模块的螺杆，以及与螺杆配合的螺母；

每个模块的下压板和上压板之间通过穿过上压板的螺钉固定，所述螺钉包括头部和带有螺纹的杆部；上压板上设有沉头孔，相应的，下压板上设有螺纹孔，所述螺钉穿过上压板后头部隐藏于所述沉头孔中，杆部一端与所述螺纹孔配合固定。

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