CN115020730A - 一种大功率氢燃料电池堆及其组装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种大功率氢燃料电池堆，包括从上至下依次叠放布置的上端板、正极集流板、电池组、负极集流板、绝缘板、支撑板和下端板，并通过绑带紧固成一体，在上端板和下端板的外表面设置有与绑带相适配的卡槽；在上端板的左右两端设置有水气连接端口；所述电池组包含多个单电池组，单电池组包括膜电极和双极板，在膜电极和双极板之间设置有密封圈；所述双极板包括板体，在板体的两端设置有与水气连接端口对应连通的气液口；在板体上设置有工作流场区，在工作流场区的两端设置有流场分配区，在流场分配区内设置有若干个导流条。本发明通过对气流场分配区的合理布置，可减小整体气体流速差异，提高气流分布均匀性，进而提升燃料电池性能。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种大功率氢燃料电池堆，以及该电池堆的组装方法。
背景技术
氢燃料电池是一种不需要经过卡诺循环的电化学产电装置，其能量转化率高。氢气和氧气在燃料电池中发生电化学反应，产生电、热和水。在能量转化中，不产生污染物，所以氢燃料电池被认为是一种环境友好的能源装置。氢燃料电池电堆是燃料电池的核心装置，主要由膜电极组件、双极板、密封件等组装而成。随着燃料电池技术的发展，其应用领域也越来越广泛，在大型商用车、重卡、轮船等方面的潜力逐渐显现出来，这也意味着所需的燃料电池堆功率越来越大。大功率电堆有效面积大、组件多，其中双极板的结构设计是至关重要的，对最终电堆性能影响较大。双极板在燃料电池中起到支撑、收集电流、为冷却液提供通道、分隔氧化剂和还原剂等作用，更重要的是双极板的结构设计决定气流场分布，进而影响燃料电池的一致性、寿命及性能。传统的氢燃料电池双极板常采用平行直流道的形式，该结构易加工成本低，但其存在流场分布不均匀的现象；而且传统双极板活性面积大多小于300cm2，若要满足大功率要求，则需较多组件叠加，但是这会增加成本同时影响电堆产品一致性，不利于工业化应用。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提出一种大功率氢燃料电池堆及其组装方法。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种大功率氢燃料电池堆，包括上端板、正极集流板、电池组、负极集流板和下端板，正极集流板和负极集流板分别处于电池组的上下两端，上端板处于正极集流板的上方，下端板处于负极集流板的下方，在负极集流板和下端板之间还设置有绝缘板和支撑板；
上端板、正极集流板、电池组、负极集流板、绝缘板、支撑板和下端板从上至下依次叠放布置，并通过绑带紧固成一体，在上端板和下端板的外表面设置有与绑带相适配的卡槽；
在上端板的左右两端设置有水气连接端口；
所述电池组包含多个单电池组，单电池组包括膜电极和双极板，在膜电极和双极板之间设置有密封圈；
所述双极板包括板体，在板体的两端设置有与水气连接端口对应连通的气液口；在板体上设置有工作流场区，在工作流场区的两端设置有流场分配区，在流场分配区内设置有若干个导流条。
优选的，所述正极集流板和负极集流板的两侧均设置有折弯片，折弯片贴合上端板或支撑板的侧壁布置，并通过螺栓固定于上端板或支撑板上。
优选的，在支撑板与下端板之间设置有缓冲垫圈。
优选的，所述导流条包括依次连接的第一水平段体、竖直段体和第二水平段体，竖直段体的两端分别与第一水平段体和第二水平段体呈直角布置；所述第一水平段体、竖直段体和第二水平段体为连续状或间断状。
优选的，在工作流场区与流场分配区的交界处设置有若干个柱状凸起。
优选的，所述柱状凸起为圆角矩形柱状凸起或圆柱状凸起。
优选的，所述工作流场区内设置有流道，所述流道包括直行流道和波形流道，其中直行流道处于工作流场区两侧靠近流场分配区的区域，波形流道处于工作流场区的中间区域；
所述流道的宽度为0.6-1.2mm，相邻流道之间的间隔宽度为0.6-1.2mm，流道的沟深为0.3-0.5mm。
本发明还提供如上所述的一种大功率氢燃料电池堆的组装方法，包括以下步骤：
(1)将膜电极、密封圈和双极板组装形成单电池组，然后将多个单电池组上下叠放组装形成电池组；
(2)将上端板、正极集流板、电池组、负极集流板、绝缘板、支撑板和下端板从上至下依次叠放布置，将电池组上双极板的气液口对应与上端板的水气连接端口连通，然后通过绑带紧固成一体，绑带嵌入上端板和下端板外表面的卡槽中，组装形成电池堆。
优选的，将正极集流板两侧的折弯片贴合上端板的侧壁布置，将负极集流板两侧的折弯片贴合支撑板的侧壁布置，然后通过螺栓固定。
上述双极板气流场分配区采用的导流条形式，使得气体流过时分布均匀，减小整体气体流速差异；当气体继续流过流场分配区与工作流场区的交界处时，若干个柱状凸起起到扰流的作用，进一步分散进入工作流场区的气流。
本发明的有益技术效果是：
1、本发明大功率氢燃料电池堆中的双极板气流场分配区，采用间断直角导流条和连续直角导流条的形式，有利于减小整体气体流速差异，避免气体拥挤在局部造成电流密度增大情况，使气体能够有效地在下游区域分散，提高气流分布均匀性，进而提升燃料电池性能。
2、本发明大功率氢燃料电池堆中的双极板工作流场区内流道采用直形流道与波形流道结合，提高传质效率。
3、本发明大功率氢燃料电池堆中双极板气流场分配区与工作流场区连接处设置有柱状凸起，起到扰流的作用，进一步分散进入工作流场区的气流，同时柱状凸起还对膜电极起支撑作用。
4、本发明大功率氢燃料电池堆中支撑板起到支撑电堆组件的作用，支撑板下方放置有垫圈，可缓冲压力，减轻对下端板的压损。
5、本发明中上端板、正极集流板、电池组、负极集流板、下端板等叠放布置后，通过绑带固定，并在上端板和下端板的外表面设置有与绑带相适配的卡槽，以防止绑带左右窜动，组装方便，结构稳固。
6、本发明中正极集流板和负极集流板的两侧均设置有折弯片，并通过折弯片与上端板或支撑板固定，进一步提高了电池堆中各组件的连接紧密性。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为本发明大功率氢燃料电池堆的结构原理示意图；
图2为本发明大功率氢燃料电池堆中双极板的结构原理示意图；
图3为本发明大功率氢燃料电池堆中双极板流场分配区部分的局部结构示意图。
具体实施方式
结合附图，一种大功率氢燃料电池堆，包括上端板1、正极集流板2、电池组3、负极集流板4和下端板5，正极集流板2和负极集流板4分别处于电池组3的上下两端。正负极集流板起到输入和输出电流、输出电压的作用。上端板1处于正极集流板2的上方，下端板5处于负极集流板4的下方，在负极集流板4和下端板5之间还设置有绝缘板6和支撑板7，绝缘板起到绝缘隔离的作用，支撑板起到支撑电堆组件的作用。上端板1、正极集流板2、电池组3、负极集流板4、绝缘板6、支撑板7和下端板5从上至下依次叠放布置组装，并通过若干个绑带9紧固成一体。在上端板1和下端板5的外表面设置有与绑带9相适配的卡槽10，通过卡槽10可对绑带9进行限位。上端板1具有绝缘的作用，在上端板1的左右两端设置有水气连接端口11。所述电池组包含多个单电池组，单电池组包括膜电极12和双极板13，在膜电极12和双极板13之间设置有密封圈14，密封圈14起到密封的作用。密封圈材质采用硅橡胶、氟橡胶。所述双极板13包括板体，在板体的两端设置有与水气连接端口11对应连通的气液口15，进一步的气液口15可分为阳极气体进出口、阴极气体进出口和液体进出口。在板体上设置有工作流场区16，在工作流场区16的两端设置有流场分配区17，在流场分配区17内设置有若干个导流条18。
本发明大功率氢燃料电池堆中的双极板气流场分配区，通过采用导流条18的合理排布，使来自进口处的气体均匀的分散至工作流场区，避免气体拥挤，造成局部电密升高，提高燃料电池性能。另外，本发明大功率氢燃料电池堆中支撑板起到支撑电堆组件的作用，支撑板下方放置有垫圈，可缓冲压力，减轻对下端板的压损。本发明中上端板、正极集流板、电池组、负极集流板、下端板等叠放布置后，通过绑带固定，并在上端板和下端板的外表面设置有与绑带相适配的卡槽，以防止绑带左右窜动，组装方便，结构稳固。
作为对本发明的进一步设计，所述正极集流板2和负极集流板4的两侧均设置有折弯片19，折弯片19贴合上端板1或支撑板7的侧壁布置，并通过螺栓固定于上端板或支撑板上。本发明中正极集流板和负极集流板的两侧均设置有折弯片，并通过折弯片与上端板或支撑板固定，进一步提高了电池堆中各组件的连接紧密性。
更进一步的，在支撑板7与下端板5之间设置有缓冲垫圈20。在支撑板的下方设置有用于放置缓冲垫圈的圆环卡槽。本发明大功率氢燃料电池堆中支撑板起到支撑电堆组件的作用，支撑板下方放置有垫圈，可缓冲压力，减轻对下端板的压损。
进一步的，所述导流条18包括依次连接的第一水平段体、竖直段体和第二水平段体，竖直段体的两端分别与第一水平段体和第二水平段体呈直角布置。所述第一水平段体、竖直段体和第二水平段体为连续状或间断状。即大功率燃料电池双极板气流场分配区，采用间断直角导流条和连续直角导流条的形式，有利于进一步减小整体气体流速差异，避免气体拥挤在局部造成电流密度增大情况，使气体能够有效地在下游区域分散，提高气流分布均匀性，进而提升燃料电池性能。
上述间断直角导流条和连续直角导流条宽度相同，优选为0.6-1.0mm。间断直角导流条和连续直角导流条间隔排布，导流条间间距相同，优选为0.6-1.2mm。
进一步的，在工作流场区16与流场分配区17的交界处设置有若干个柱状凸起21。所述柱状凸起21为圆角矩形柱状凸起或圆柱状凸起。圆角矩形柱状凸起与相邻的直角导流条平行。圆角矩形柱状凸起的宽度为0.8-1.2mm，长度为1.0-1.8mm。圆角矩形柱状凸起和圆柱状凸起的高度与工作流场区流道的脊高大致相同。本发明大功率氢燃料电池堆中双极板气流场分配区与工作流场区连接处设置有柱状凸起，起到扰流的作用，配合导流条，进一步分散进入工作流场区的气流，同时柱状凸起21还对膜电极起支撑作用。
上述大功率燃料电池双极板气流场分配区的圆角矩形柱状凸起的长度和圆柱状凸起的直径与导流条、工作流场区之间形成的空白区域大小相关，空白区域大，圆角矩形柱状凸起长度长，圆柱状凸起的直径大。
更进一步的，所述工作流场区内设置有流道，所述流道包括直行流道22和波形流道8，其中直行流道22处于工作流场区两侧靠近流场分配区的区域，波形流道8处于工作流场区的中间区域。所述流道的宽度为0.6-1.2mm，相邻流道之间的间隔宽度为0.6-1.2mm，流道的沟深为0.3-0.5mm。本发明大功率氢燃料电池堆中的双极板工作流场区内流道采用直形流道与波形流道结合，提高传质效率。
上述双极板工作流场区包括若干条流道，流场分配区与工作流场连通，气体经流场分配区均流分散，均匀流入工作流场区。
本发明还提供如上所述的一种大功率氢燃料电池堆的组装方法，包括以下步骤：
(1)将膜电极12、密封圈14和双极板13组装形成单电池组，然后将多个单电池组上下叠放组装形成电池组。
(2)将上端板1、正极集流板2、电池组3、负极集流板4、绝缘板6、支撑板7和下端板5从上至下依次叠放布置，将电池组上双极板的气液口对应与上端板的水气连接端口连通，然后通过绑带9紧固成一体，绑带嵌入上端板和下端板外表面的卡槽10中，组装形成电池堆。
进一步的，将正极集流板两侧的折弯片贴合上端板的侧壁布置，将负极集流板两侧的折弯片贴合支撑板的侧壁布置，然后通过螺栓固定。
上述双极板气流场分配区采用的导流条结构布置形式，使得气体流过时分布均匀，减小整体气体流速差异；当气体继续流过流场分配区与工作流场区的交界处时，若干个柱状凸起起到扰流的作用，进一步分散进入工作流场区的气流。
上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种大功率氢燃料电池堆，其特征在于：包括上端板、正极集流板、电池组、负极集流板和下端板，正极集流板和负极集流板分别处于电池组的上下两端，上端板处于正极集流板的上方，下端板处于负极集流板的下方，在负极集流板和下端板之间还设置有绝缘板和支撑板；
上端板、正极集流板、电池组、负极集流板、绝缘板、支撑板和下端板从上至下依次叠放布置，并通过绑带紧固成一体，在上端板和下端板的外表面设置有与绑带相适配的卡槽；
在上端板的左右两端设置有水气连接端口；
所述电池组包含多个单电池组，单电池组包括膜电极和双极板，在膜电极和双极板之间设置有密封圈；
所述双极板包括板体，在板体的两端设置有与水气连接端口对应连通的气液口；在板体上设置有工作流场区，在工作流场区的两端设置有流场分配区，在流场分配区内设置有若干个导流条。
2.根据权利要求1所述的一种大功率氢燃料电池堆，其特征在于：所述正极集流板和负极集流板的两侧均设置有折弯片，折弯片贴合上端板或支撑板的侧壁布置，并通过螺栓固定于上端板或支撑板上。
3.根据权利要求1所述的一种大功率氢燃料电池堆，其特征在于：在支撑板与下端板之间设置有缓冲垫圈。
4.根据权利要求1所述的一种大功率氢燃料电池堆，其特征在于：所述导流条包括依次连接的第一水平段体、竖直段体和第二水平段体，竖直段体的两端分别与第一水平段体和第二水平段体呈直角布置；所述第一水平段体、竖直段体和第二水平段体为连续状或间断状。
5.根据权利要求1所述的一种大功率氢燃料电池堆，其特征在于：在工作流场区与流场分配区的交界处设置有若干个柱状凸起。
6.根据权利要求5所述的一种大功率氢燃料电池堆，其特征在于：所述柱状凸起为圆角矩形柱状凸起或圆柱状凸起。
7.根据权利要求1所述的一种大功率氢燃料电池堆，其特征在于：所述工作流场区内设置有流道，所述流道包括直行流道和波形流道，其中直行流道处于工作流场区两侧靠近流场分配区的区域，波形流道处于工作流场区的中间区域。
8.如权利要求1-7中任一权利要求所述的一种大功率氢燃料电池堆的组装方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将膜电极、密封圈和双极板组装形成单电池组，然后将多个单电池组上下叠放组装形成电池组；
(2)将上端板、正极集流板、电池组、负极集流板、绝缘板、支撑板和下端板从上至下依次叠放布置，将电池组上双极板的气液口对应与上端板的水气连接端口连通，然后通过绑带紧固成一体，绑带嵌入上端板和下端板外表面的卡槽中，组装形成电池堆。
9.根据权利要求8所述的一种大功率氢燃料电池堆的组装方法，其特征在于：将正极集流板两侧的折弯片贴合上端板的侧壁布置，将负极集流板两侧的折弯片贴合支撑板的侧壁布置，然后通过螺栓固定。
10.根据权利要求8所述的一种大功率氢燃料电池堆的组装方法，其特征在于：双极板气流场分配区采用的导流条形式，使得气体流过时分布均匀，减小整体气体流速差异；当气体继续流过流场分配区与工作流场区的交界处时，若干个柱状凸起起到扰流的作用，进一步分散进入工作流场区的气流。
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