CN113948733A - 封闭阴极空冷燃料电池单体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种封闭阴极空冷燃料电池单体，包括第一极板和第二极板，所述第一极板和第二极板间设有膜电极组件，所述第一极板与膜电极组件间设有第一密封圈，第一密封圈与所述第一极板、膜电极组件间形成第一气流腔，第一气流腔内设有主导流板，所述第二极板与膜电极组件间设有第二密封圈，第二密封圈与所述第二极板、膜电极组件间形成第二气流腔，第二气流腔内填充有扩散层，所述第一极板上开设有与第一气流腔相连通的第一进气口和第一出气口，所述第二极板上开设有与第二气流腔相连通的第二进气口和第二出气口。该燃料电池单体具有阴极封闭，反应充分彻底的特点，整体功能完善，实用性强。

Description

封闭阴极空冷燃料电池单体

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，更具体地说，它涉及一种封闭阴极空冷燃料电池单体。

背景技术

质子交换膜燃料电池由双极板、膜电极和端板密封而成，双极板是燃料电池的重要组件，每组双极板包括一个阴极板和一个阳极板，分别承担着把氧化气体和还原气体送入膜电极进行反应的任务。还原气体通常是氢气，氧化气体通常为氧气，氢气经过双极板的流场进入气体扩散层并通过膜电极，在膜电极发生氧化反应释放电子成为氢离子，氢离子穿过质子交换膜迁移至阴极并与氧气结合生成水，氧气发生还原反应得到经过外电路至阴极的电子。氧化气体与还原气体适时足量的供入膜电极以及及时排出产物液态水是保证燃料电池高效运行的关键。

合理的流场设计可使气体均匀充足的供入膜电极，避免由于气体的不均匀导致产物水分布不均引起膜的局部干涸或水淹，抑制燃料电池的性能。传统流场一般为平行流场或蛇形流场，此种流场一般由若干流场槽与流场脊交替排列而成，气体从入口分配至各个流场，流场内气体扩散进入气体扩散层，进而进入膜电极。

传统燃料电池上的空冷双极板多采用开放式阴极结构，其阴极上的反应和冷却所使用到的是同一股流体，无法分别控制阴极反应气体和阴极冷却气体，电池无法达到适宜温度，容易过冷。且在高温环境下，应用开放阴极空冷双极板的燃料电池，冷却风扇以最高速度运行，容易将内部水分大量带出，造成质子膜缺水，整体效果不佳。据此，本发明提出了一种封闭阴极空冷燃料电池单体。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种封闭阴极空冷燃料电池单体，该燃料电池单体采用封闭式阴极空冷双极板结构，实现将阴极反应气体和阴极冷却气体分流，并对阴极反应气体进行循环输送，提高反应效率，提升电池的能效和安全性。

为解决上述技术问题，本发明的目的是这样实现的：本发明所涉及的一种封闭阴极空冷燃料电池单体，包括第一极板和第二极板，所述第一极板和第二极板间设有膜电极组件，所述第一极板与膜电极组件间设有第一密封圈，第一密封圈与所述第一极板、膜电极组件间形成第一气流腔，第一气流腔内设有主导流板，所述第二极板与膜电极组件间设有第二密封圈，第二密封圈与所述第二极板、膜电极组件间形成第二气流腔，第二气流腔内填充有扩散层，所述第一极板上开设有与第一气流腔相连通的第一进气口和第一出气口，所述第二极板上开设有与第二气流腔相连通的第二进气口和第二出气口。

本发明进一步设置为：所述膜电极组件上开设有与第一进气口相匹配的第一导流口、与第一出气口相匹配的第二导流口，所述第二极板上开设有与第一导流口相匹配的第三导流口、与第二导流口相匹配的第四导流口，所述膜电极组件与第二极板间设有使第一导流口与第二气流腔、使第三导流口与第二气流腔均隔断的第三密封圈，所述膜电极组件与第二极板间设有使第二导流口与第二气流腔、使第四导流口与第二气流腔均隔断的第四密封圈。

本发明进一步设置为：所述膜电极组件上开设有与第二进气口相匹配的第五导流口、与第二出气口相匹配的第六导流口，所述第一极板上开设有与第五导流口相匹配的第七导流口、与第六导流口相匹配的第八导流口，所述膜电极组件与第一极板间设有使第五导流口与第一气流腔、使第七导流口与第一气流腔均隔断的第五密封圈，所述膜电极组件与第一极板间设有使第六导流口与第一气流腔、使第八导流口与第一气流腔均隔断的第六密封圈。

本发明进一步设置为：所述膜电极组件与第一极板间设有使第一进气口与第一气流腔、使第一导流口与第一气流腔均隔断的第七密封圈，所述膜电极组件与第一极板间设有使第一出气口与第一气流腔、使第二导流口与第一气流腔均隔断的第八密封圈；

所述第一极板由外板体和内板体组成，所述外板体和内板体的外边沿具有第一封合压边、内边沿具有第二封合压边，所述外板体、内板体、第一封合压边和第二封合压边间形成侧流腔，侧流腔与所述第一气流腔相连通，所述内板体上设有分别围绕在第一进气口和第一出气口上的内环形凸起，所述外板体上设有若干呈环形阵列分布且均抵在内环形凸起上的内支撑凸起，相邻两所述内支撑凸起间形成第一侧流道，所述外板体上设有分别围绕在第一进气口和第一出气口上的外环形凸起，所述内板体上设有若干呈环形阵列分布且均抵在外环形凸起上的外支撑凸起，相邻两所述外支撑凸起间形成第二侧流道，第二侧流道与所述第一侧流道相连通，所述内环形凸起、内支撑凸起、外环形凸起和外支撑凸起均设在侧流腔内，所述第一封合压边上开设有使第一进气口与侧流腔连通、使第一出气口与侧流腔连通的侧口。

本发明进一步设置为：所述侧流腔内布有与主导流板相衔接的侧导流板。

本发明进一步设置为：所述第七密封圈和第八密封圈均埋设在内环形凸起内。

本发明进一步设置为：所述第一极板上设有若干设在外板体和内板体间且两端均与外界相连通的冷却流道。

本发明进一步设置为：所述外板体上开设有沿冷却流道的长度方向作排布的扰流孔，扰流孔与所述冷却流道相连通。

本发明进一步设置为：所述主导流板在其长度方向上呈波纹状延伸。

本发明进一步设置为：所述扩散层上开设有分别与第二进气口和第二出气口相连通的主扩散流道，所述扩散层上还开设有分别与主扩散流道相连通的侧扩散流道。

综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明所涉及的封闭阴极空冷燃料电池单体，通过将阴极通气端与外界实施封闭，使通入的气流能够有效扩散至流腔内，不发生渗漏，并在膜电极组件的作用下发生化学反应，释放电子成为离子，达到电能释放的效果；该电池系统可以对阴极反应气体和冷却气体进行单独控制，由于反应环境与冷却环境不同，可以分别采用高效的控制方式，从而提高电池的能效和安全性；并且应用封闭阴极空冷双极板的燃料电池由于良好的电池内部水管理，可以达到更高的电流密度，整体功能完善，实用性强。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的分解结构示意图；

图3是本发明用于体现膜电极组件、扩散层以及第二极板的结构示意图；

图4是本发明用于体现第二密封圈以及扩散层的结构示意图；

图5是本发明用于体现膜电极组件、主导流板以及第一极板的结构示意图；

图6是本发明用于体现第一极板的局部结构示意图；

图7是图6另一视角的结构示意图；

图8是本发明用于体现内板体的结构示意图；

图9是本发明用于体现外板体的结构示意图；

图10是图9中A部放大结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明专利要求的限制。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。

下面结合附图和优选实施例对本发明进一步说明。

实施例1

参见图1至5所示，本实施例所涉及的一种封闭阴极空冷燃料电池单体，包括第一极板1和第二极板2，所述第一极板1和第二极板2间设有膜电极组件3，所述第一极板1与膜电极组件3间设有第一密封圈4，第一密封圈4与所述第一极板1、膜电极组件3间形成第一气流腔(图中未标记)，第一气流腔内设有主导流板5，所述第二极板2与膜电极组件3间设有第二密封圈6，第二密封圈6与所述第二极板2、膜电极组件3间形成第二气流腔(图中未标记)，第二气流腔内填充有扩散层7，所述第一极板1上开设有与第一气流腔相连通的第一进气口8和第一出气口9，所述第二极板2上开设有与第二气流腔相连通的第二进气口10和第二出气口11。

进一步的，所述膜电极组件3上开设有与第一进气口8相匹配的第一导流口12、与第一出气口9相匹配的第二导流口13，所述第二极板2上开设有与第一导流口12相匹配的第三导流口14、与第二导流口13相匹配的第四导流口15，所述膜电极组件3与第二极板2间设有使第一导流口12与第二气流腔、使第三导流口14与第二气流腔均隔断的第三密封圈16，所述膜电极组件3与第二极板2间设有使第二导流口13与第二气流腔、使第四导流口15与第二气流腔均隔断的第四密封圈17。

进一步的，所述膜电极组件3上开设有与第二进气口10相匹配的第五导流口18、与第二出气口11相匹配的第六导流口19，所述第一极板1上开设有与第五导流口18相匹配的第七导流口20、与第六导流口19相匹配的第八导流口21，所述膜电极组件3与第一极板1间设有使第五导流口18与第一气流腔、使第七导流口20与第一气流腔均隔断的第五密封圈22，所述膜电极组件3与第一极板1间设有使第六导流口19与第一气流腔、使第八导流口21与第一气流腔均隔断的第六密封圈23。

在本实施方案中，同时沿第一进气口8输入氢气、沿第二进气口10输入氧气，使得氢气进入第一气流腔实现扩散、氧气进入第二气流腔实现扩散，进入第一气流腔内的氢气在接触膜电极组件3后，发生氧化反应，脱去电子，形成氢离子并穿过膜电极组件3，与另一侧的氧气结合生成水，而在大量氢气脱去电子的过程中，使得燃料电池单体形成电流，而未完全反应的氢气与部分氢离子沿第一出气口9输出、未完全反应的氧气沿第二出气口11输出。

其中，通过各导流口的开设，使得相邻两燃料电池单体间可堆叠设置，并实现共用同一氢气输入源和同一氧气输入源，还实现共用同一氢气输出源和同一氧气输出源，实现有序整齐排列。

实施例2

参见图1至9所示，本实施例所涉及的一种封闭阴极空冷燃料电池单体，其在实施例1的基础上，进一步地设置为，所述膜电极组件3与第一极板1间设有使第一进气口8与第一气流腔、使第一导流口12与第一气流腔均隔断的第七密封圈24，所述膜电极组件3与第一极板1间设有使第一出气口9与第一气流腔、使第二导流口13与第一气流腔均隔断的第八密封圈25；

所述第一极板1由外板体101和内板体102组成，所述外板体101和内板体102的外边沿具有第一封合压边103、内边沿具有第二封合压边104，所述外板体101、内板体102、第一封合压边103和第二封合压边104间形成侧流腔，侧流腔与所述第一气流腔相连通，所述内板体102上设有分别围绕在第一进气口8和第一出气口9上的内环形凸起105，所述外板体101上设有若干呈环形阵列分布且均抵在内环形凸起105上的内支撑凸起106，相邻两所述内支撑凸起106间形成第一侧流道107，所述外板体101上设有分别围绕在第一进气口8和第一出气口9上的外环形凸起108，所述内板体102上设有若干呈环形阵列分布且均抵在外环形凸起108上的外支撑凸起109，相邻两所述外支撑凸起109间形成第二侧流道110，第二侧流道110与所述第一侧流道107相连通，所述内环形凸起105、内支撑凸起106、外环形凸起108和外支撑凸起109均设在侧流腔内，所述第一封合压边103上开设有使第一进气口8与侧流腔连通、使第一出气口9与侧流腔连通的侧口111。

进一步的，所述侧流腔内布有与主导流板5相衔接的侧导流板112。

在本实施方案中，通入第一气流腔内氢气以及从第一气流腔内流出的未反应完全的氢气以及包含有部分氢离子均沿侧口111流入及流出。其中，在氢气流入第一气流腔内的过程中，氢气会先进入内环形凸起105内侧的侧流腔内，而后经第一侧流道107翻越内环形凸起105，进入外环形凸起108与内环形凸起105间的侧流腔内，而后再经第二侧流道110翻越外环形凸起108，进入外环形凸起108外侧的侧流腔内，使之与第一侧流道107连通，实现氢气输入第一气流腔内；同理，氢气以及包含有部分氢离子的输出端也采用相同结构。期间，均采用两道过桥结构，有效实现内外封闭，达到更好的气体防渗漏效果。

其中，通过主导流板5配合与之衔接的侧导流板112，使得氢气及部分氢粒子能够沿预设轨道流动，起到了导流的作用。

实施例3

参见图6和图7所示，本实施例所涉及的一种封闭阴极空冷燃料电池单体，其在实施例2的基础上，进一步地设置为，所述第七密封圈24和第八密封圈25均埋设在内环形凸起105内。

在本实施方案中，通过将第七密封圈24和第八密封圈25采用埋藏设置，减小燃料电池单体的整体厚度。

实施例4

参见图9和图10所示，本实施例所涉及的一种封闭阴极空冷燃料电池单体，其在实施例3的基础上，进一步地设置为，所述第一极板1上设有若干设在外板体101和内板体102间且两端均与外界相连通的冷却流道113。

进一步的，所述外板体101上开设有沿冷却流道的长度方向作排布的扰流孔114，扰流孔114与所述冷却流道113相连通。

在本实施方案中，通过冷却流道113的设置，用作空冷使用，实现对燃料电池单体的冷却降温；其中，还通过增设扰流孔114，使得流经冷却流道113内的空气被扰乱，带离更多的热量，提升散热效果。

实施例5

参见图8所示，本实施例所涉及的一种封闭阴极空冷燃料电池单体，其在实施例1的基础上，进一步地设置为，所述主导流板5在其长度方向上呈波纹状延伸。

在本实施方案中，通过将主导流板5设置为波纹状延伸结构，增长相邻两主导流板5间所形成的导流通道的路径长度，使得沿第一进气口8进入第一气流腔内的氢气能够较长时间的停留在第一气流腔内，使之与膜电极组件反应时间更长，反应更充分，产生的离子数更多。

实施例6

参见图3和图4所示，本实施例所涉及的一种封闭阴极空冷燃料电池单体，其在实施例1的基础上，进一步地设置为，所述扩散层7上开设有分别与第二进气口10和第二出气口11相连通的主扩散流道71，所述扩散层7上还开设有分别与主扩散流道71相连通的侧扩散流道72。

在本实施方案中，扩散层7为碳纸，通过在扩散层7上设置主扩散流道71，使得沿第二进气口10进入第二气流腔内的氧气能够快速扩散到碳纸表面；其中，还通过增设侧扩散流道72，进一步增强扩散效果。

本发明所涉及的封闭阴极空冷燃料电池单体，通过将阴极通气端与外界实施封闭，使通入的气流能够有效扩散至流腔内，不发生渗漏，并在膜电极组件的作用下发生化学反应，释放电子成为离子，达到电能释放的效果；该电池系统可以对阴极反应气体和冷却气体进行单独控制，由于反应环境与冷却环境不同，可以分别采用高效的控制方式，从而提高电池的能效和安全性；并且应用封闭阴极空冷双极板的燃料电池由于良好的电池内部水管理，可以达到更高的电流密度，整体功能完善，实用性强。

如无特殊说明，本发明中，若有术语“长度”、“宽度”、“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是基于实际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，因此本发明中描述方位或位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以结合实施例，并根据具体情况理解上述术语的具体含义。

除非另有明确的规定和限定，本发明中，若有术语“设置”、“相连”及“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.封闭阴极空冷燃料电池单体，包括第一极板和第二极板，所述第一极板和第二极板间设有膜电极组件，其特征在于：所述第一极板与膜电极组件间设有第一密封圈，第一密封圈与所述第一极板、膜电极组件间形成第一气流腔，第一气流腔内设有主导流板，所述第二极板与膜电极组件间设有第二密封圈，第二密封圈与所述第二极板、膜电极组件间形成第二气流腔，第二气流腔内填充有扩散层，所述第一极板上开设有与第一气流腔相连通的第一进气口和第一出气口，所述第二极板上开设有与第二气流腔相连通的第二进气口和第二出气口。

2.根据权利要求1所述的封闭阴极空冷燃料电池单体，其特征在于：所述膜电极组件上开设有与第一进气口相匹配的第一导流口、与第一出气口相匹配的第二导流口，所述第二极板上开设有与第一导流口相匹配的第三导流口、与第二导流口相匹配的第四导流口，所述膜电极组件与第二极板间设有使第一导流口与第二气流腔、使第三导流口与第二气流腔均隔断的第三密封圈，所述膜电极组件与第二极板间设有使第二导流口与第二气流腔、使第四导流口与第二气流腔均隔断的第四密封圈。

3.根据权利要求2所述的封闭阴极空冷燃料电池单体，其特征在于：所述膜电极组件上开设有与第二进气口相匹配的第五导流口、与第二出气口相匹配的第六导流口，所述第一极板上开设有与第五导流口相匹配的第七导流口、与第六导流口相匹配的第八导流口，所述膜电极组件与第一极板间设有使第五导流口与第一气流腔、使第七导流口与第一气流腔均隔断的第五密封圈，所述膜电极组件与第一极板间设有使第六导流口与第一气流腔、使第八导流口与第一气流腔均隔断的第六密封圈。

4.根据权利要求3所述的封闭阴极空冷燃料电池单体，其特征在于：所述膜电极组件与第一极板间设有使第一进气口与第一气流腔、使第一导流口与第一气流腔均隔断的第七密封圈，所述膜电极组件与第一极板间设有使第一出气口与第一气流腔、使第二导流口与第一气流腔均隔断的第八密封圈；

所述第一极板由外板体和内板体组成，所述外板体和内板体的外边沿具有第一封合压边、内边沿具有第二封合压边，所述外板体、内板体、第一封合压边和第二封合压边间形成侧流腔，侧流腔与所述第一气流腔相连通，所述内板体上设有分别围绕在第一进气口和第一出气口上的内环形凸起，所述外板体上设有若干呈环形阵列分布且均抵在内环形凸起上的内支撑凸起，相邻两所述内支撑凸起间形成第一侧流道，所述外板体上设有分别围绕在第一进气口和第一出气口上的外环形凸起，所述内板体上设有若干呈环形阵列分布且均抵在外环形凸起上的外支撑凸起，相邻两所述外支撑凸起间形成第二侧流道，第二侧流道与所述第一侧流道相连通，所述内环形凸起、内支撑凸起、外环形凸起和外支撑凸起均设在侧流腔内，所述第一封合压边上开设有使第一进气口与侧流腔连通、使第一出气口与侧流腔连通的侧口。

5.根据权利要求4所述的封闭阴极空冷燃料电池单体，其特征在于：所述侧流腔内布有与主导流板相衔接的侧导流板。

6.根据权利要求5所述的封闭阴极空冷燃料电池单体，其特征在于：所述第七密封圈和第八密封圈均埋设在内环形凸起内。

7.根据权利要求6所述的封闭阴极空冷燃料电池单体，其特征在于：所述第一极板上设有若干设在外板体和内板体间且两端均与外界相连通的冷却流道。

8.根据权利要求7所述的封闭阴极空冷燃料电池单体，其特征在于：所述外板体上开设有沿冷却流道的长度方向作排布的扰流孔，扰流孔与所述冷却流道相连通。

9.根据权利要求1-8任一项所述的封闭阴极空冷燃料电池单体，其特征在于：所述主导流板在其长度方向上呈波纹状延伸。

10.根据权利要求1所述的封闭阴极空冷燃料电池单体，其特征在于：所述扩散层上开设有分别与第二进气口和第二出气口相连通的主扩散流道，所述扩散层上还开设有分别与主扩散流道相连通的侧扩散流道。

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