CN114976093A - 一种直插式整体型质子交换膜氢燃料电池结构 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种直插式整体型质子交换膜氢燃料电池结构,属于氢燃料电池技术领域。其包括燃料电池壳体与若干燃料电池单元，其中燃料电池单元分别容纳在燃料电池壳体的型腔内，相邻燃料电池单元的氧电极的集流体、氢电极的集流体依次相连。本申请取消了传统燃料电池的双极板结构，成本低；采用整体式电池壳体，氧气、氢气、冷却液通道是整体结构，避免传统燃料电池结构的漏气漏液的风险。在燃料电池单元串联时，一个燃料电池单元的膜电极中氢电极集流体与另一个燃料电池单元的膜电极中的氧电极的集流体直接相连或共用，起到内部串联的作用，避免了传统燃料电池结构中，单元电池的串联靠双极板，而双极板与膜电极也是机械接触传递电子不稳定的弊端。

Description

一种直插式整体型质子交换膜氢燃料电池结构
技术领域
本申请涉及一种直插式整体型质子交换膜氢燃料电池结构,属于氢燃料电池技术领域。
背景技术
锂离子动力电池作为一种储能装置在纯电动汽车中得到了推广应用，但由于其充电时间长、续驶里程短，使得纯电动汽车仅适用于个人短途交通出行，未来新能源汽车的终极解决方案可能聚焦于质子交换膜氢燃料电池系统。
随着新能源技术、材料技术的发展，制取、储存、运输氢气的瓶颈技术得以解决；催化剂的制备技术的进步，贵金属催化剂的应用担载量极大的降低，使得燃料电池的成本极大的降低；加上国家将燃料电池汽车作为我国重点发展的战略方向，燃料电池发展的局面很快出现。
燃料电池系统主要由燃料电池堆、冷却系统、燃料供给系统、氧气供给系统等组成，其核心为燃料电池堆。燃料电池堆基本由正极端板、双极板、膜电极、及其密封圈、负极端板靠螺栓的紧固力组合而成，其中，双极板多采用石墨、金属材料表面处理，导电方式主要是机械接触方式进行，其密封结构采用密封圈通过预紧力进行密封，密封效果不可靠，同时、由于机械接触传到电流，会增大电池电阻。。
发明内容
本发明专利，就是针对上述现有技术中的问题而提出的解决办法。本发明成本低、密封可靠、性能稳定。1、降低成本，取消传统燃料电池堆的中的双极板结构，代之以非金属材料的流场板，在燃料电池中只起到支撑膜电极以及分配氢氧气的功能，可选注塑工艺，加工工艺简单，较传统的双极板成本低；2、密封可靠，在燃料电池壳体内成型装配燃料电池单元的型腔，每个型腔之间相互独立，每个独立的腔体与氢气主通道之间有配流孔(进气孔、出气孔)，以及每个独立的腔体与氧气主通道之间有配流孔(进气孔、出气孔)且氢、氧气配流孔分别处在膜电极两侧，即避免了传统燃料电池结构，由于氢氧气主通道是由单个薄片孔通过密封圈串联起来形成而造成的与外部泄露，内部相互串漏的风险。3、稳定可靠，改变了传统燃料电堆单个电池堆叠由紧固螺栓紧固在一起的分体结构，代之以相邻两个电池单元的氢电极集流体与另一个单元的氧电极集流体直接连接，避免了螺栓紧固受到热胀冷缩对接触电阻的影响。本发明提出一种新型的质子交换膜燃料电池结构，包括燃料整体式电池外壳其外壳体内制作若干个容纳燃料电池单元的型腔，燃料电池单元由氧气流场板、膜电极以及氢气流场板组成，其形状与壳体内的腔体匹配，每个腔体由氧气配流孔、氢气配流孔与主氧气通道、氢气通道相同，区别于传统燃料电池堆由各个燃料电池单元上的孔组成的通道结构，避免了氢氧气的遗漏。
本申请提出了一种直插式整体型质子交换膜氢燃料电池结构，其特征在于，包括燃料电池壳体与若干燃料电池单元，其中燃料电池单元分别容纳在燃料电池壳体的型腔内，各个燃料电池单元的氧电极的集流体、氢电极的集流体依次相连。
前述直插式整体型质子交换膜氢燃料电池结构中，氧电极及其集流体、氢电极及其集流体以及隔膜、氧气流场板、氢流场板组成一个独立的燃料电池单元，相邻两个燃料电池单元通过将一个电池单元的氢电极的集流体与另一个燃料电池单元的氧电极集流体或焊接或缝制在一起，实现两个燃料电池单元的串联。或者两相邻的燃料电池单元中其中一个燃料电池单元的氢电极与另一个燃料电池单元的氧电极共用集流体，分别和隔膜、氢气流场板、氧气流场板组成燃料电池单元的组合体，实现若干燃料电池单元之间的串联。
进一步，集流体的材料可以是金属材料或者是传统的炭纸、碳布，燃料电池的密封采用灌封胶，其材料可以是有机硅基灌封胶、环氧树脂基、聚氨酯基、聚异丁烯基聚合物等。燃料电池壳体可以是金属制成或者为注塑成型，如为金属制品要在内外表面处理一层耐腐蚀的绝缘层，与燃料电池单元绝缘，燃料电池壳体上成型有若干个与燃料电池单元截面相匹配的腔体，燃料电池单元要装配到燃料电池壳体的腔体内，燃料电池单元的膜电极的边缘，刚好嵌进燃料电池壳体的腔体的细缝内，并用耐腐蚀灌封胶填实，燃料电池单元的上下部用灌封胶密封。
另外，前述直插式整体型质子交换膜氢燃料电池结构中，每个型腔之间相互独立，每个独立的腔体与氢气主通道之间进气孔、出气孔，以及每个独立的腔体与氧气主通道之间有进气孔、出气孔且氢、氧气配流孔分别处在膜电极两侧
进一步，燃料电池壳体上设置有氧气主通道，氢气主通道，每个腔体的窄缝两侧分别与氧气主通道相通的第一进气孔、第一出气孔；以及与氢气主通道相通的第二进气孔，第二出气孔，以便给燃料电池单元的氧气流场板、氢气流场板给气或排气。
另外，燃料电池单元分别由膜电极、氧气流场板、氢气流场板组成，膜电极由质子交换膜、第一氧电极、第一氢电极组成，其中第一氧电极由多孔集流体以及涂覆其上的催化层、扩散成组成，集流体材料或者是金属或者为碳布或者为炭纸，起到支撑、集电流、承载催化物质的作用；流场板可注塑成型，起到支撑膜电极的作用。
进一步，两两燃料电池单元之间，采用复合电极。复合电极的左侧为第二氢电极、右侧为第二氧电极，并共用了集流体。
本申请具有如下的技术效果和优点：
1、取消了传统燃料电池的双极板结构，双极板由于要具有导电功能，一般为石墨材料，在其上加工流场、氢氧气孔、加工难度高，成本高；而本发明流场板仅起到流场分配氢氧气的作用，可以采用塑料材质注塑而成复杂的流场，因而成本低；
2、采用整体式电池壳体，与传统燃料电池，取消了将燃料电池单元串起来形成氧气、氢气、冷却液通道用螺栓紧固的传统结构，每个主通道独立，避免了漏气漏液的风险。
3、在燃料电池单元串联时，一个燃料电池单元的膜电极中氢电极集流体与另一个燃料电池单元的膜电极中的氧电极的集流体直接相连或共用，起到内部串联的作用，避免了传统燃料电池结构中，单元电池的串联靠双极板，而双极板与膜电极也是机械接触传递电子不稳定的弊端。
附图说明
图1(1)和1(2)为本申请的本发明的燃料电池结构的示意图，其中图1(1)为本发明的燃料电池结构的立体图，图1(2)为本发明的燃料电池结构的剖面图。
图2(1)-2(3)为本申请的燃料电池壳体的示意图，其中图2(1)为本申请的燃料电池壳体的立体图，图2(2)为本申请的燃料电池壳体的侧面图，图2(3)为本申请的燃料电池壳体的剖面图。
图3(1)和3(2)为本申请的燃料电池单元的示意图，其中图3(1)为展开图，图3(2)为组合图。
图4(1)和4(2)为本申请的膜电极的示意图，其中图4(1)为展开图，图4(2)为组合图。
图5(1)和5(2)为本申请的另一燃料电池单元的示意图，其中图5(1)为展开图，图5(2)为组合图。
图6(1)-6(3)为本申请的实施例1的的示意图，其中图6(1)为本申请的实施例1的的爆炸图，图6(2)为本申请的燃料电池单元的组成图，图6(3)为本申请的膜电极的组成图。
图7(1)-7(3.3)为本申请的实施例2的的示意图，其中图7(1)为本申请的实施例2的的爆炸图，图7(2)为本申请的复合电极和若干个氢气流场板、氧气流场板、一个质子交换膜、一个氢气电极、一个氢气流场板组成的示意图，图7(3.1)-7(3.3)为本申请的复合电极的示意图，其中图7(3.1)为平面图，图7(3.2)为侧面图，图7(3.3)为立体图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本申请的具体实施方式。以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。
在附图中，1为燃料电池壳体，2为燃料电池单体(单元)，1-1为腔体，1-2为冷却液通道，1-3为氧气主通道，1-4为氢气主通道，1-3-1为第一进气孔，1-3-2为第一出气孔，1-4-1为第二进气孔，1-4-2为第二出气孔，2-1为膜电极，2-2为氧气流场板，2-3为氢气流场板，2-1-1为质子交换膜，2-1-2为第一氧电极(氧电极及其集流体)，2-1-3为第一氢电极(氢电极及其集流体)，2-1-4为复合电极，2-1-4-2为第二氧电极，2-1-4-3为第二氢电极。
如图1(1)和1(2)所示，本发明的燃料电池结构主要有两大部分组成，燃料电池壳体1与若干燃料电池单体2组成，其中燃料电池单元2分别容纳在燃料电池壳体1的型腔内，各个燃料电池单元2的氧电极及其集流体、氢电极及其集流体依次相连，如图1(1)中所示的2-1-2的集流体与2-1-3的集流体分别是两个相邻电池单元2的氧电极集流体、氢电极集流体。本发明有两种结构，方案一：氧电极及其集流体、氢电极及其集流体以及隔膜、氧气流场板、氢流场板组成一个独立的燃料电池单元2，相邻两个燃料电池单元2通过将一个电池单元的氢电极的集流体与另一个燃料电池单元2的氧电极集流体或焊接或缝制在一起，实现两个电池单元的串联(如实施例1)；方案二，两相邻的燃料电池单元2中其中一个燃料电池单元的氢电极与另一个燃料电池单元的氧电极共用集流体，分别和隔膜、氢气流场板、氧气流场板组成燃料电池单元2的组合体，实现若干燃料电池单元2之间的串联(如实施例2)。其中集流体材料可以是金属材料或者是传统的炭纸、碳布。燃料电池的密封采用灌封胶，其材料可以是有机硅基灌封胶、环氧树脂基、聚氨酯基、聚异丁烯基聚合物等，如图1(2)所示。总正、总负分别位于燃料电池的两端。
如图2(1)-2(3)所示，燃料电池壳体1可以是金属制成或者为注塑成型，如为金属制品要在内外表面处理一层耐腐蚀的绝缘层，与燃料电池单元2绝缘。燃料电池壳体1上成型有若干个与燃料电池单元2截面相匹配的腔体1-1，燃料电池单元2(如图3(1)和3(2)所示)要装配到燃料电池壳体1的1-1腔体内，燃料电池单元2的膜电极2-1的边缘，刚好嵌进燃料电池壳体1的腔体1-1的细缝内，并用耐腐蚀灌封胶填实，燃料电池单元2的上下部用灌封胶密封，如图1(1)灌封胶所示部分。燃料电池壳体1上设置有氧气主通道1-3，氢气主通道1-4，每个腔体1-1的窄缝两侧分别与氧气主通道相通的第一进气孔1-3-1、第一出气孔1-3-2；以及与氢气主通道1-4相通的第二进气孔1-4-1，第二出气孔1-4-2，以便给燃料电池单元2的氧气流场板2-2、氢气流场板2-3给气或排气。
如图3(1)和3(2)所示，为燃料电池单元2，分别由膜电极2-1、氧气流场板2-2、氢气流场板2-3组成。如图4(1)和4(2)，膜电极2-1由质子交换膜2-1-1、第一氧电极2-1-2、第一氢电极2-1-3组成，其中第一氧电极2-1-2由多孔集流体以及涂覆其上的催化层、扩散成组成，集流体材料或者是金属或者为碳布或者为炭纸，起到支撑、集电流、承载催化物质的作用；流场板2-2、2-3可注塑成型，起到支撑膜电极2-1的作用。
另外，如图5(1)和5(2)所示，燃料电池单元2的组成不变，但两两燃料电池单元2之间，采用复合电极2-1-4结构取代独立的第一氢电极2-1-3、第一氧电极2-1-2的功能。如图7(3.1)-7(3.3)所示，即可以共用同一个集流体，即其中一个燃料电池单元的第二氧电极2-1-4-2(对应第一氧电极2-1-2)与另一个燃料电池单元2的第二氢电极2-1-4-3(对应第一氢电极2-1-3)使用同一个集流体，这样可以使得若干燃料电池单元2之间直接串联而不用进行任何焊接或机械连接的方法进行连接，提高了连接的可靠性，降低了电池内阻。同时，也解决了目前采用碳布或炭纸作为集流体不能焊接而带来的弊端。这样将组装好的如图5(1)和5(2)的组件，可装配到燃料电池壳体1内。
实施例1：
如图6(1)所示为实施例1的爆炸图，其中包括燃料电池壳体1以及若干个燃料电池单元2组成。而燃料电池单元2又由膜电极2-1，氧气流场板2-2，氢气流场板2-3组成，如图6(2)而膜电极2-1由氧电极及其集流体2-1-2、质子交换膜2-1-1、氢电极及其集流体2-1-3组成如图6(3)。燃料电池单元2之间的串联方式，是其中一个燃料电池单元的氢电极集流体与后一个燃料电池单元的氧电极集流体连接，连接方法可以是焊接或者缝制在一起。
实施例2
如图7(1)为实施例2的爆炸图，燃料电池结构由燃料电池壳体1与燃料电池单元组构成。如图所示该燃料电池单元组从左到右分别由一个氧气流场板2-2、一个氧电极以及集流体2-1-2、一个质子交换膜2-1-1、如干个如图7(2)所示的2-1-4的复合电极和若干个氢气流场板2-2、氧气流场板2-2、一个质子交换膜2-1-1、一个氢气电极2-1-3、一个氢气流场板2-3组成。所谓复合电极即如图7(3.1)-7(3.3)所示，左侧为第二氢电极2-1-4-3、右侧为第二氧电极2-1-4-2，并共用了集流体。本实施例2与实施例1的主要区别为，共用集流体的复合电极，其优点为燃料电池单元2之间直接串联，而省去了两相邻燃料电池单元2之间通过焊接或缝制将氢氧电极的集流体连接起来，减少了电池组连接的内阻。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直插式整体型质子交换膜氢燃料电池结构，其特征在于，包括燃料电池壳体与若干燃料电池单元，其中燃料电池单元分别容纳在燃料电池壳体的型腔内，各个燃料电池单元的氧电极的集流体、氢电极的集流体依次相连。
2.根据权利要求1所述的直插式整体型质子交换膜氢燃料电池结构，其特征在于，氧电极及其集流体、氢电极及其集流体以及隔膜、氧气流场板、氢流场板组成一个独立的燃料电池单元，相邻两个燃料电池单元通过将一个电池单元的氢电极的集流体与另一个燃料电池单元的氧电极集流体或焊接或缝制在一起，实现两个燃料电池单元的串联。
3.根据权利要求1所述的直插式整体型质子交换膜氢燃料电池结构，其特征在于，两相邻的燃料电池单元中其中一个燃料电池单元的氢电极与另一个燃料电池单元的氧电极共用集流体，分别和隔膜、氢气流场板、氧气流场板组成燃料电池单元的组合体，实现若干燃料电池单元之间的串联。
4.根据权利要求1或2或3所述的直插式整体型质子交换膜氢燃料电池结构，其特征在于，集流体的材料可以是金属材料或者是传统的炭纸、碳布等，燃料电池的密封采用灌封胶，其材料可以是有机硅基、环氧树脂基、聚氨酯基、聚异丁烯基聚合物等灌封胶。
5.根据权利要求1或2或3所述的直插式整体型质子交换膜氢燃料电池结构，其特征在于，燃料电池壳体可以是金属制成或者为注塑成型，如为金属制品要在内外表面处理一层耐腐蚀的绝缘层，与燃料电池单元绝缘，燃料电池壳体上成型有若干个与燃料电池单元截面相匹配的腔体，燃料电池单元要装配到燃料电池壳体的腔体内，燃料电池单元的膜电极的边缘，刚好嵌进燃料电池壳体的腔体的细缝内，并用耐腐蚀灌封胶填实，燃料电池单元的上下部用灌封胶密封。
6.根据权利要求1或2或3所述的直插式整体型质子交换膜氢燃料电池结构，其特征在于，每个型腔之间相互独立，每个独立的腔体与氢气主通道之间进气孔、出气孔，以及每个独立的腔体与氧气主通道之间有进气孔、出气孔且氢、氧气配流孔分别处在膜电极两侧。
7.根据权利要求6所述的直插式整体型质子交换膜氢燃料电池结构，其特征在于，燃料电池壳体上设置有氧气主通道，氢气主通道，每个腔体的窄缝两侧分别与氧气主通道相通的第一进气孔、第一出气孔；以及与氢气主通道相通的第二进气孔，第二出气孔，以便给燃料电池单元的氧气流场板、氢气流场板给气或排气。
8.根据权利要求6所述的直插式整体型质子交换膜氢燃料电池结构，其特征在于，燃料电池单元分别由膜电极、氧气流场板、氢气流场板组成，膜电极由质子交换膜、第一氧电极、第一氢电极组成，其中第一氧电极由多孔集流体以及涂覆其上的催化层、扩散成组成，集流体材料或者是金属或者为碳布或者为炭纸，起到支撑、集电流、承载催化物质的作用；流场板可注塑成型，起到支撑膜电极的作用。
9.根据权利要求3所述的直插式整体型质子交换膜氢燃料电池结构，其特征在于，两两燃料电池单元之间，采用复合电极。
10.根据权利要求9所述的直插式整体型质子交换膜氢燃料电池结构，其特征在于，复合电极的左侧为第二氢电极、右侧为第二氧电极，并共用了集流体。
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