CN114597444A - 一种阴极腔封闭的风冷燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阴极腔封闭的风冷燃料电池。所述风冷燃料电池，包括膜电极和设于膜电极两侧的阴极板和阳极板，所述阴极板和阳极板均包括一块极板本体以及设于极板本体面向膜电极一侧、用于形成阴极流场或阳极流场的流场板，所述阴极板和阳极板在背离膜电极的一侧分别设有一块用于形成风冷通道、导电的风冷通道板。本发明阴极腔封闭的风冷燃料电池由于阴极板和阳极板均包括一块极板本体，在极板本体一侧组装一块流场板用于形成流场，在极板本体另一侧组装一块风冷通道板用于形成风冷通道，从而使极板(包括阴极板和阳极板)各部分的结构可以比较单一，制作成本低，制造时只需简单的模具，很多部件通用方便采购。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种阴极腔封闭的风冷燃料电池。
背景技术
质子交换膜型燃料电池，从冷却形式上可分为两类，一类用液体做冷却剂(大部分去离子水做冷却剂)称为液冷电池或水冷电池，另一类用空气做冷却剂，称为空冷电池或风冷电池；风冷电池又可分为两种，常见的一种是阴极腔开放风冷电池，另一种是阴极腔封闭的风冷电池。
阴极腔开放风冷电池，环境空气湿度对电池影响很大，空气湿度大时，电池性能高，空气湿度小时，电池性能下降明显，由于阴极凹凸的流场结构，膜电极(MEA)的边框又是软结构，阳极密封困难，同时由于电池用常压操作，电池性能与水冷电池相比差距不小。比如，授权公告号为CN212848505U的实用新型公开了一种风冷式燃料电池双极板，包括相互层叠粘接的阳极金属板和阴极金属板，所述阳极金属板的两端各开设有燃料进气口和燃料出气口，所述阴极金属板的正面设有氧化剂流道，其特征在于，所述风冷式燃料电池双极板还包括粘接于所述阳极金属板正面上的阳极流场，所述阳极流场上设有燃料流道。
阴极腔封闭的风冷电池，现有的问题是，结构复杂，需几套昂贵的模具制作，制作成本高。比如，公开号为CN211150680U的实用新型公开了一种用于封闭式风冷燃料电池的双极板，包括双极板本体，双极板本体的一端设置有第一进气孔、第二进气孔和换热进气孔，双极板本体的另一端设置有第一排气孔、第二排气孔和换热排气孔，双极板本体的一面设置有第一气流通道，第一气流通道的分别连通第一进气孔和第一排气孔；双极板本体的另一面设置有第二气流通道，第二气流通道的分别连通第二进气孔和第二排气孔；双极板本体的一面设置有第一换气通道，第一换气通道环绕第一气流通道设置，双极板本体的另一面设置有第二换气通道，第二换气通道环绕第二气流通道设置，第一换气通道和第二换气通道均分别连通换热进气孔和换热排气孔。
针对上述现有技术中所存在的问题，研制一种低成本阴极腔封闭的风冷燃料电池，从而克服现有技术中所存在的问题是十分必要的。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种低成本的阴极腔封闭的风冷燃料电池，用以解决目前阴极腔开放风冷电池，受空气湿度影响大、阳极密封困难、电池性能不高；阴极腔封闭的风冷电池，结构复杂，制作成本高的技术不足。
一种阴极腔封闭的风冷燃料电池，包括膜电极和设于膜电极两侧的阴极板和阳极板，所述阴极板贴靠膜电极的一侧设有阴极流场，阴极流场具有阴极流道，所述阳极板贴靠膜电极的一侧设有阳极流场，阳极流场具有阳极流道，所述阴极板和阳极板均包括一块极板本体以及设于极板本体面向膜电极一侧、用于形成阴极流场或阳极流场的流场板，所述阴极板和阳极板在背离膜电极的一侧分别设有一块用于形成风冷通道、导电的风冷通道板。
优选的，流场板为一面压制出阴极流场或阳极流场的柔性石墨板。柔性石墨板的厚度根据需要进行选择，更优选的，所述柔性石墨板的厚度为0.50～0.53mm。柔性石墨板材料便宜，压制容易，耐腐导电。
由于柔性石墨板可以有微小的变形量，能更好与膜电极接触，从而降低了电池的电阻。由于柔性石墨板制备的流场有良好的表面水接触角，可以减少燃料电池流场水阻现象。
极板本体采用导电的金属板，作为阴极板或阳极板的支撑主体，两侧分别组装流场板和风冷通道板。优选的，所述极板本体为表面镀银的不锈钢板，极板本体的厚度为0.1～0.2mm。镀银层厚度一般可以选择常规镀银时的厚度，比如1～3μm。镀银层能够增强耐腐蚀以及导电作用。
风冷通道板的作用在于，一方面用于形成风冷通道，另一方面也用于导电和支撑。优选的，所述风冷通道板为由金属板经拉伸形成的拉伸网结构，所述拉伸网结构具有沿风冷通道板宽度方向排列的拉网孔，相邻两列拉网孔之间错位设置；同一列的拉网孔中，相邻两个拉网孔之间的连接部分在沿风冷通道板宽度方向倾斜设置。拉伸网结构材料较为便宜，且散热面积大、热导率高、导电效果也好。
更优选的，所述风冷通道板由0.1～0.2mm厚的金属板经拉伸形成厚度为3.0～3.5mm的拉伸网结构。用于制备风冷通道板的金属板可以是镀银铝板或镀银铜板。镀银铝板或镀银铜板中镀银层厚度一般可以选择常规镀银时的厚度，比如1～3μm。镀银层能够增强耐腐蚀以及导电作用。
优选的，所述风冷通道板的两端分别设有垫板，两侧的两块风冷通道板的外侧分别设有阴极集流板和阳极集流板，阴极集流板和阳极集流板的外侧分别设有一块绝缘端板。垫板采用聚丙烯或ABS塑料制成的板状。
更优选的，所述阴极板、阳极板、膜电极、垫板、阴极集流板、阳极集流板和绝缘端板上对应位置均设有用于形成空气进气通道、空气出气通道、氢气进气通道和氢气出气通道的空气进气通道孔、空气出气通道孔、氢气进气通道孔和氢气出气通道孔。
更优选的，所述阴极集流板或阳极集流板与对应一侧的绝缘端板之间同样设有一块风冷通道板，且风冷通道板的两端同样设有垫板。该处风冷通道板可以起到密封、支撑及散热的作用。
所述风冷燃料电池还包括用于将两块绝缘端板及设于两块绝缘端板之间的阴极板、阳极板、膜电极、垫板、阴极集流板和阳极集流板夹紧固定的固定机构。优选的，所述固定机构包括穿过阴极板、阳极板、膜电极、垫板、阴极集流板和阳极集流板的定位杆，所述绝缘端板上相应设有定位孔；所述固定机构还包括穿过绝缘端板的螺杆，以及与螺杆配合的螺母。
本发明阴极腔封闭的风冷燃料电池的有益效果是：
1、由于阴极板和阳极板均包括一块极板本体，在极板本体一侧组装一块流场板用于形成流场，在极板本体另一侧组装一块风冷通道板用于形成风冷通道，从而使极板(包括阴极板和阳极板)各部分的结构可以比较单一，制作成本低，制造时只需简单的模具，很多部件通用方便采购。
2、由于采用阴极腔封闭的形式，性能稳定，不受环境空气湿度影响，电池性能高、寿命长。
附图说明
图1为本申请阴极腔封闭的风冷燃料电池的装配结构示意图。
图2为本申请阴极腔封闭的风冷燃料电池的爆炸结构示意图。
图3为阴极板的结构示意图。
图4为阳极板的结构示意图。
图5为极板密封胶线的结构示意图。
图6为流场板202的结构示意图。
图7为阴极板流场所在一侧的结构示意图。
图8为膜电极的结构示意图。
图9为阴极集流板的结构示意图。
图10为阳极集流板的结构示意图。
图11为一侧绝缘端板的结构示意图。
图12为另一侧绝缘端板的结构示意图。
图13为垫板的结构示意图。
图14为风冷通道板的俯视结构示意图。
图15为图14中A局部放大图。
图16为图14中沿B-B方向的剖视图。
图17为图16中D局部放大图。
图18为图14中沿C-C方向的剖视图。
图19为图18中E局部放大图。
图20为风冷通道板的立体结构示意图。
图21为风冷通道板另一视角的立体结构示意图。
图22为风冷通道板与两端垫板配合的结构示意图。
具体实施方式
如图1和2所示，一种阴极腔封闭的风冷燃料电池，包括膜电极1和设于膜电极1两侧的阴极板2和阳极板3，阴极板2贴靠膜电极1的一侧设有阴极流场，阴极流场具有阴极流道，阳极板3贴靠膜电极1的一侧设有阳极流场，阳极流场具有阳极流道，阴极板2和阳极板3均包括一块极板本体以及设于极板本体面向膜电极1一侧、用于形成阴极流场或阳极流场的流场板202，阴极板2和阳极板3在背离膜电极1的一侧分别设有一块用于形成风冷通道、导电的风冷通道板203。
由于阴极板2和阳极板3均包括一块极板本体，在极板本体一侧组装一块流场板202用于形成流场，在极板本体另一侧组装一块风冷通道板203用于形成风冷通道，从而使极板(包括阴极2板和阳极板3)各部分的结构可以比较单一，制作成本低，制造时只需简单的模具，很多部件通用方便采购。
如图6和7所示，在一种优选的实施方式中，流场板202为一面压制出阴极流场或阳极流场的柔性石墨板。柔性石墨板的厚度根据需要进行选择，更优选的，所述柔性石墨板的厚度为0.50～0.53mm。由于柔性石墨板可以有微小的变形量，能更好与膜电极1接触，从而降低了电池的电阻。由于柔性石墨板制备的流场有良好表面水接触角，可以减少燃料电池流场水阻现象。柔性石墨板上形成的阴极流场和阳极流场的具体形状可以是现有技术中常用的形状。
如图3和4所示，极板本体采用导电的金属板，作为阴极板或阳极板的支撑主体，两侧分别组装流场板202和风冷通道板203。在一种优选的实施方式中，极板本体为表面镀银的不锈钢板，极板本体的厚度为0.1～0.2mm。镀银层厚度一般可以选择常规镀银时的厚度，比如1～3μm。镀银层能够增强耐腐蚀以及导电作用。
风冷通道板203的作用在于，一方面用于形成风冷通道，另一方面也用于导电。
如图14～22所示，在一种优选的实施方式中，风冷通道板203为由金属板经拉伸形成的拉伸网结构，拉伸网结构具有沿风冷通道板宽度方向排列的拉网孔204，相邻两列拉网孔204之间错位设置；同一列的拉网孔204中，相邻两个拉网孔204之间的连接部分205在沿风冷通道板203宽度方向倾斜设置。
更优选的，所述风冷通道板由0.1～0.2mm厚的金属板经拉伸形成厚度为3.0～3.5mm的拉伸网结构。用于制备风冷通道板的金属板可以是镀银铝板或镀银铜板。镀银铝板或镀银铜板中镀银层厚度一般可以选择常规镀银时的厚度，比如1～3μm。镀银层能够增强耐腐蚀以及导电作用。
如图2、13和22所示，风冷通道板203的两端分别设有垫板201，垫板201采用聚丙烯或ABS塑料制成的板状。两侧的两块垫板201可以对风冷通道板203进行限位，垫板201朝向风冷通道板203的一端两侧具有限位用的凸起，风冷通道板203的四个边角处具有与垫板201凸起处配合的倒角。
如图1、2、9和10所示，在两块风冷通道板203的外侧分别设有阴极集流板4和阳极集流板5，阴极集流板4和阳极集流板5与风冷通道板203贴合导电，且阴极集流板4和阳极集流板5的一端分别设有一个阴极极耳401和阳极极耳501，用于集流，阴极极耳401和阳极极耳501用于电池电流输出。
如图1、2、11和12所示，本申请阴极腔封闭的风冷燃料电池在两侧外部还分别设有一块绝缘端板6。
如图1和2所示，阴极集流板4或阳极集流板5与对应一侧的绝缘端板6之间同样设有一块风冷通道板203，且这两块风冷通道板203的两端同样设有垫板201。通过集流板(阴极集流板4或阳极集流板5)外侧再设置一块风冷通道板203，可以使得风冷效果更好。当然，这额外增加的两块风冷通道板203并不需要起到导电作用，但为制作简单起见，可以与贴靠极板本体的那两块使用同一种。
如图1和2所示，本申请风冷燃料电池还包括用于将两块绝缘端板6及设于两块绝缘端板6之间的阴极板2、阳极板3、膜电极1、垫板201、阴极集流板4和阳极集流板5夹紧固定的固定机构。固定机构包括穿过阴极板2、阳极板3、膜电极1、垫板201、阴极集流板4和阳极集流板5的定位杆7，绝缘端板6上相应设有定位孔；固定机构还包括穿过绝缘端板6的螺杆8，以及与螺杆8配合的螺母8。
如图2～13所示，阴极板2、阳极板3、膜电极1、垫板201、阴极集流板4、阳极集流板5和绝缘端板6上对应位置均设有用于形成空气进气通道、空气出气通道、氢气进气通道和氢气出气通道的空气进气通道孔、空气出气通道孔、氢气进气通道孔和氢气出气通道孔。图中，各部件组装后，两端的两个空气共用通道孔10中，其中一个作为空气进气通道孔，用于形成空气进气通道，另一个作为空气出气通道孔，用于形成空气出气通道。各部件组装后，两端的两个氢气共用通道孔12中，其中一个作为氢气进气通道孔，用于形成氢气进气通道，另一个作为氢气出气通道孔，用于形成氢气出气通道。
阴极板2的极板本体上还设有用于连通空气共用通道孔10与阴极流道的空气桥转孔11，空气桥转孔11贯穿组成阴极板2的极板本体，使用时与相邻的垫板201(位于背离膜电极1一侧)上的空气分配孔连通，供空气进出阴极流道。阴极板2的极板本体两端各设有一组空气桥转孔11。
阳极板3的极板本体上还设有用于连通氢气共用通道孔12与阳极流道的氢气桥转孔13，氢气桥转孔13贯穿组成阳极板3的极板本体，使用时与相邻的垫板201(位于背离膜电极1一侧)上的氢气分配孔连通，供氢气进出阴极流道。阳极板3的极板本体两端各设有一组氢气桥转孔13。
如图2、5、7所示，阴极板2和阳极板3分别与膜电极1贴靠组装的一面均设有极板密封胶线14。如图2、13和22所示，垫板201的两侧均设有垫板密封胶线15。
本发明阴极腔封闭的风冷燃料电池组装步骤如下：
1)组装前的密封胶线、柔性石墨板(流场板202)粘接：用单组分室温硫化硅橡胶作为底涂胶，把极板密封胶线14粘接在阴极板2、阳极板3的一侧，在同一侧，局部点涂胶粘上柔性石墨板，压平压实固化，采用同样方法，在垫板201的两侧有密封胶线槽的部位，粘上垫板密封胶线15；
2)组装步骤：
第一步，有丝孔的一侧朝下平放一块绝缘端板6，在定位孔上插上定位杆7，在绝缘端板6两端摞上粘密封胶线的垫板201，中间摞上金属拉伸网(风冷通道板203)，接着摞上阳极集流板5，
第二步，在阳极集流板5两端摞上粘有密封胶线的垫板201，中间摞上金属拉伸网，
第三步，摞上阳极板3，粘有极板密封胶线14和柔性石墨板的一侧朝上，再摞上膜电极1(MEA)，阴极板2粘有极板密封胶线14和柔性石墨板的一侧朝下，放到膜电极1(MEA)上，接着在阴极板2两端摞上粘密封胶线的垫板201，中间摞上金属拉伸网，
如果是多节电池，重复第三步，如果是单节电池，就摞上阴极集流板4，接着在阴极板2两端摞上粘密封胶线的垫板201，中间摞上金属拉伸网，
第四步，摞上另一块绝缘端板6，有丝孔的一侧朝上；
3)电池压紧与密封测试：把电池放到压机上，按照压装工艺，压倒规定的高度，最后用安装螺杆紧固，接着密封检测，如果合格，电池组装完成。
使用时，带压空气进入电池路径：从绝缘端板6空气共用通道孔10进入外侧一块垫板201的空气共用通道孔10，接着进入阴极集流板4的空气共用通道孔10，进入内侧一块垫板201的空气共用通道孔10，并通过一侧的空气分配孔经阴极板2的空气桥转孔11，进入阴极腔，分配到柔性石墨板各个流道中，空气的氧与通过MEA过来的氢离子反应发电，空气尾气经阴极板2另一端的空气桥转孔11，进入垫板201的空气共用通道孔10，并通过一侧的空气分配孔，最后从绝缘端板6的空气共用通道孔10排出；所述氢气进入电池路径是，从绝缘端板6的氢气共用通道孔12，进入外侧一块垫板201的氢气共用通道孔12，再进入阳极集流板5的氢气共用通道孔12，进入内侧一块垫板201的氢气共用通道孔12，并通过一侧的氢气分配孔，经阳极板3的氢气桥转孔13，进入阳极腔，分配到柔性石墨板各个流道中，氢气通过催化变成氢离子穿过膜电极1(MEA)与阴极腔的氧反应发电，剩余的氢气尾气经阳极板3另一端的氢气桥转孔13，进入垫板201的氢气共用通道孔12，并通过一侧的氢气分配孔，最后从绝缘端板6的氢气共用通道孔12排出。
电池运行时冷却方法：用风机产生空气流，进入电池开放的金属拉伸网(风冷通道板203)，把电池运行时产生的热量带走，使电池冷却。
Claims (10)
1.一种阴极腔封闭的风冷燃料电池，包括膜电极和设于膜电极两侧的阴极板和阳极板，所述阴极板贴靠膜电极的一侧设有阴极流场，阴极流场具有阴极流道，所述阳极板贴靠膜电极的一侧设有阳极流场，阳极流场具有阳极流道，其特征在于，所述阴极板和阳极板均包括一块极板本体以及设于极板本体面向膜电极一侧、用于形成阴极流场或阳极流场的流场板，所述阴极板和阳极板在背离膜电极的一侧分别设有一块用于形成风冷通道、导电的风冷通道板。
2.如权利要求1所述阴极腔封闭的风冷燃料电池，其特征在于，流场板为一面压制出阴极流场或阳极流场的柔性石墨板。
3.如权利要求2所述阴极腔封闭的风冷燃料电池，其特征在于，所述柔性石墨板的厚度为0.50～0.53mm。
4.如权利要求1所述阴极腔封闭的风冷燃料电池，其特征在于，所述极板本体为表面镀银的不锈钢板，极板本体的厚度为0.1～0.2mm。
5.如权利要求1所述阴极腔封闭的风冷燃料电池，其特征在于，所述风冷通道板为由金属板经拉伸形成的拉伸网结构，所述拉伸网结构具有沿风冷通道板宽度方向排列的拉网孔，相邻两列拉网孔之间错位设置；同一列的拉网孔中，相邻两个拉网孔之间的连接部分在沿风冷通道板宽度方向倾斜设置。
6.如权利要求5所述阴极腔封闭的风冷燃料电池，其特征在于，所述风冷通道板由0.1～0.2mm厚的金属板经拉伸形成厚度为3.0～3.5mm的拉伸网结构。
7.如权利要求1所述阴极腔封闭的风冷燃料电池，其特征在于，所述风冷通道板的两端分别设有垫板，两侧的两块风冷通道板的外侧分别设有阴极集流板和阳极集流板，阴极集流板和阳极集流板的外侧分别设有一块绝缘端板，
所述风冷燃料电池还包括用于将两块绝缘端板及设于两块绝缘端板之间的阴极板、阳极板、膜电极、垫板、阴极集流板和阳极集流板夹紧固定的固定机构。
8.如权利要求7所述阴极腔封闭的风冷燃料电池，其特征在于，所述阴极板、阳极板、膜电极、垫板、阴极集流板、阳极集流板和绝缘端板上对应位置均设有用于形成空气进气通道、空气出气通道、氢气进气通道和氢气出气通道的空气进气通道孔、空气出气通道孔、氢气进气通道孔和氢气出气通道孔。
9.如权利要求7所述阴极腔封闭的风冷燃料电池，其特征在于，所述阴极集流板或阳极集流板与对应一侧的绝缘端板之间同样设有一块风冷通道板，且风冷通道板的两端同样设有垫板。
10.如权利要求7所述阴极腔封闭的风冷燃料电池，其特征在于，所述固定机构包括穿过阴极板、阳极板、膜电极、垫板、阴极集流板和阳极集流板的定位杆，所述绝缘端板上相应设有定位孔；所述固定机构还包括穿过绝缘端板的螺杆，以及与螺杆配合的螺母。
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