CN115117379A - 一种燃料电池及电池组 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池及电池组，通过在两块介电材料制成的极板之间设置多块电池单元形成平板结构的燃料电池，结构简单，易于加工，不需要大型配套制冷设备。通过单个燃料电池上电池单元的导电极耳，实现灵活的电压输出控制，并且根据应用场景，适宜性的变换多个燃料电池组装在一起的形状，可以贴紧载具的表面，节省载具内部空间，尤其适用于翼展较大的飞行器、便携电源或者电动车等对重量和空间敏感型装置。结合印刷电路板工艺，可以选择高分子材料作为极板，将极耳及导电层加工在极板上，降低了成本，有利于大规模量产，结合可组装的特点，拓展了适用范围。

Description

一种燃料电池及电池组

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种平板型氢燃料电池及电池组。

背景技术

燃料电池是一种将燃料中的化学能转化成电能的装置，其并不存储电能，而只充当能量的转化器。按照电解质划分，燃料电池分为碱性燃料电池、磷酸盐型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、固体氧化物型燃料电池和质子交换膜燃料电池。因主燃料电池主要产物为水，所以具有清洁无污染的特点，除此之外，还具有能量转化率快，运行质量高等优点。随着市场对新能源的需求，燃料电池同锂电池一样，广泛应用到电动汽车和移动电子设备等领域。

以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例，在原理上相当于实现水电解逆反应的装置，其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。在工作状态下，燃料电池相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极即电源正极。

现有质子交换膜燃料电池通常采用堆叠结构，结构复杂，体积大，在放入电动汽车、无人机等载具中充当动能设备时挤压载具内部空间。而且质子交换膜的工作温度在80℃，为了去掉氧化还原反应时多余的热量，需要配备冷却装置，使载具内本就狭小的空间更紧张。复杂的堆叠型燃料电池结构也不利于便携性，对于不同使用情形，燃料电池堆及配气系统都需要重新设计，大大限制了燃料电池的应用范围和普及程度。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种燃料电池，包括：

由介电材料制成的极板，所述极板上具有开孔的导电层；

位于两个所述极板之间的多个电池单元，所述电池单元具有扩散层和膜电极，且设置有导电极耳；

所述导电极耳和导电层电连接。

可选的，所述极板分为氢气侧的极板和空气侧的极板。

可选的，所述氢气侧的极板配置有气体盒，所述气体盒具有进气口和出气口。

可选的，所述出气口设置有气阀，用于控制尾气排放。

可选的，所述极板的氢气侧配置有蛇形或梳形流场。

可选的，所述氢气侧的极板和/或氧气侧极板为多孔结构。

可选的，所述空气侧的极板上方设置有气流控制结构和过滤结构。

可选的，还包括位于膜电极上下两侧的密封圈。

可选的，所述两个密封圈截面分别为圆形和方形。

可选的，多个所述电池单元的膜电极为一体化连接。

可选的，所述膜电极包括质子交换层和催化层，所述扩散层为碳纸。可选的，所述导电层表面设置有温控层。

可选的，所述导电层和导电极耳由铜溅射金或碳制成。

可选的，所述极板和导电层通过印制线路板工艺制成。

可选的，所述极板为高分子材料。

可选的，所述燃料电池还包括有连接结构，用于多块所述燃料电池之间的机械连接。

可选的，所述极板的中间区域设置有紧固结构。

可选的，所述紧固结构包括可以相互嵌套的上插接件和下插接件以及螺钉和螺母。

进一步的，本发明还提供了一种燃料电池组，包括上述任一所述的燃料电池，所述燃料电池之间通过所述极板相连。

本发明的优点在于：提供了一种燃料电池，通过在两块介电材料制成的极板之间设置多块电池单元形成平板结构的燃料电池，结构简单，易于加工，不需要大型配套制冷设备。通过单个燃料电池上电池单元的导电极耳，实现灵活的电压输出控制，并且根据应用场景，适宜性的变换多个燃料电池组装在一起的形状，可以贴紧载具的表面，节省载具内部空间，尤其适用于无人机或便携电源等对重量和空间敏感型装置。结合印刷电路板工艺，可以选择高分子材料作为极板，将极耳及导电层加工在极板上，降低了成本，有利于大规模量产，结合可组装的特点，拓展了适用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为质子交换膜燃料电池原理图；

图2为本发明一个燃料电池实施例结构的爆炸图；

图3A-3B为本发明的燃料电池之间连接方式示意图；

图4A为本发明的燃料电池的极板内侧通孔局部放大图；

图4B为本发明的燃料电池气体盒配置示意图；

图5为本发明的燃料电池密封圈结构位置示意图；

图6为本发明的燃料电池空气侧结构示意图

图7为本发明的燃料电池禁固结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

图1为质子交换膜燃料电池原理示意图。其中氢气通过扩散层1接触催化层2，因为质子交换膜3不允许电子通过，所以氢分子在质子交换膜3的一侧分解成电子和氢离子，氢离子越过质子交换膜3，电子则通过导电引线来到质子交换膜3的另一侧和在该侧的氧气、氢离子反应生成水。利用被分离电子的单独路径实现化学能到电能的转换。发生的主要化学反应如下所示：

阳极(电池负极)：2H₂–4e＝4H+

阴极(电池正极)：O₂+4e+4H+＝2H₂O

在实际应用的燃料电池中，还需要在扩散层外侧覆盖金属板用于电子的导通，通常金属板上还设置有流场，使反应气体可以均匀接触质子交换膜3，提高反应效率。为了获得足够的电压，现有技术中，采取将多个电池单元堆叠在一起形成电池堆的方式，反应气体沿着垂直电池单元的面入射，电流同样沿着垂直电池单元的面流动。最终形成的燃料电池堆为一立方体形状，加上电池堆两端的金属夹板，在重量和体积上都对应用场景提出了较高的要求。此外，为了能让气体充分反应，需要较大的气体压力，同时，为了保持质子交换膜的工作温度，要配备冷却系统，例如冷却气体循环来保证夹在中间的电池单元不会因为长时间反应而升温。

图2为本发明的一个实施例，包括上下两块极板210，在两块极板210中间设置有多块独立工作的电池单元，每块电池单元从上到下依次为扩散层220，膜电极230和扩散层220。在图2中，示例包括6个独立电池单元，在两块极板210之间沿单层排列。其中极板210的主要作用是维持整个燃料电池的结构刚性，为独立电池单元提供保护，极板210为介电材料，相对于堆叠式燃料电池的金属外壳具有更好的柔软性能，易于加工成不同形状，且在空气中化学性质更稳定，在工作状态下，不会被空气氧化和腐蚀，具有更长的寿命。对于使用燃料电池供电的装置，极板210可以覆盖其表面或填充其内部的缝隙，以达到空间的有效利用。

极板210表面设置有导电层211，每个电池单元具有导电极耳212，导电极耳212与导电层211电连接，可以直接将导电层211从极板210延伸出形成导电极耳212，也可以通过线路将导电极耳212和导电层211连接，介电材料制成的极板210可以和导电层211实现更好的贴合，并且当对极板210进行弧度加工时，可以对内部导电层211进行相同弧度的塑形，因为有介电材料的极板210对电池单元进行保护，导电层211可以做成很薄，而不用担心导电层会被环境中的硬质物体碰撞发生形状改变或厚度损失。每个电池单元具有上下两个导电极耳212，在同一个燃料电池中，每个电池单元可以通过导电极耳212互相串联或并联。也可以通过导电极耳212实现不同燃料电池之间的电连接。在一些实施例中，本发明的燃料电池可以加工成不限于具有6个独立电池单元，燃料电池的形状也可以进行改变，在同一块燃料电池中，多个电池单元形状可以不同。通过几种基础形状的燃料电池之间的互相组合，可以适应大部分应用场景，极板210可以具有较小的弧度，以达到与诸如无人机机翼表面贴合的目的。极板210可以选择高分子材料，例如玻璃纤维增强树脂，实现较高的硬度和较轻的重量，同时具有较好的性价比。

扩散层220可以选择碳纸或碳布，并经聚四氟乙烯和炭黑处理后构成,厚度约为0.2-0.3mm。在扩散层中，被聚四氟乙烯覆盖的大孔是憎水孔，未被覆盖的为亲水孔。膜电极230包括质子交换层和催化层，质子交换层是一种厚度为50-180um的薄膜片。它为质子传递提供通道，同时作为隔膜将阳极的燃料和阴极的氧化剂隔开，兼具隔膜和电解质的作用，其只容许氢离子(氢质子)透过，而不容许氢分子及其他离子透过，通常采用酚醛树脂磺酸型膜、聚苯乙烯磺酸型膜、聚三氟苯乙烯磺酸型膜和全氟磺酸型膜，优选全氟磺酸型膜和聚四氟乙烯组成的复合膜，其中聚四氟乙烯是起强化作用的微孔介质，而全氟磺酸材料则在微孔中形成质子传递通道。催化层起到加快电化学反应速度的效果，因为本发明的燃料电池工作温度低于100℃，所以通常选用铂系或非铂系金属，才能对氢气氧化和氧气还原都具有非常好的催化能力。在一些实施例中，同一燃料电池多块电池单元共用一片质子交换层，这样可以实现更高的电压输出，在质子交换层上分布式涂布多个催化层，并在每个催化层上覆盖碳纸，最后通过具有导电层211的两块极板封装。导电层211和极耳212可以选择铜作为主材料，为了防腐，在其上溅射金或碳材料。

每个电池单元对应的导电层211与极板210可以通过集成电路的印刷版工艺制成一体结构，介电材料的极板210与导电层211可以通过该工艺更紧密的贴合在一起，当上下极板合并在一起时，尽可能减小了导电层211和极板210之间的缝隙，可以在保证燃料电池能发挥作用的情况下达到最小的厚度。相对于现有技术中，极板和外部保护结构需要分别加工后再组装到一起的技术方案，本发明的燃料电池有利于量产的效率提高，且适用于在平面配置电池的应用场景。

如图3A所示，为本发明的燃料电池之间串联的电连接方式，图3B为不同燃料电池之间并联的连接方式。可以在燃料电池中增加机械连接结构，例如插接孔和插接脚，不同的燃料电池之间通过连接结构形成稳定结构，再根据不同的电压需求，通过电线300将不同的燃料电池串联或并联。

本发明的另一实施例如图4A-4B所示，图4A为极板局部放大图，极板410分为氢气侧的极板和空气侧的极板，极板410上开有多个通孔415，用于允许氢气或氧气流入膜电极参加反应，并将反应后的产物水经通孔排出，通孔415贯穿导电层411，通过介电材料的极板410提供支撑作用，导电层411上对应的通孔可以密集排布成蜂窝状，即起到气体更均匀充分参加反应的效果，又不会因孔与孔之间距离太小而发生断裂。如图4B所示，在一些实施例中，氢气侧的极板410下方设置有气体盒440，其设置有一进气口和出气口，因氢气通过高压输入，所以气体盒440可以对高压输入的气体起到一定的缓冲作用，使氢气从气体盒440中可以均匀的向上运动到膜电极处，而空气侧因为是在常压下输气，所以不需要相同作用的气体盒。不同的燃料电池之间可以通过进气口和出气口依次连接，这样只需要一个气源既可以供应多个燃料电池。为了使气体更高效的与膜电极反应，可以在氢气侧的极板410上朝向气体盒440的一侧，加工出蛇形或梳形的流场用于对氢气流的重新分配，也可以在气体盒440中设置单独的流场与极板410组装在一起，或者在氢气盒440上加工出流场。气体盒440也具有收集反应过程生成的水的作用。气体盒440可以使用塑料材质，兼顾强度与柔性以及性价比。在另一些实施例中，出气口上设置有气阀，可以通过对气阀进行开关时间及频率设置，形成间歇式的控制氢气尾气的排放。氢气侧的极板410和气体盒440之间设置有密封环441，用于维持气体盒440内的气压，防止氢气沿着边缘泄露，使氢气集中向膜电极方向运动。

在另一实施例中，与上述实施例的区别在于，如图5所示为极板510与膜电极530之间的密封圈示意图，空气侧的极板510与膜电极530之间设置有第一密封圈551，空气侧的极板510与膜电极530之间设置有第二密封圈552，其中第一密封圈551和第二密封圈552的截面不同，例如，可以如图5，第一密封圈551的截面为圆形，第二密封圈552的截面为方形，当两侧极板510向中心施压时，第二密封圈552的平面结构可以对膜电极530施加更大的压力，下侧的压力也可以更容易传到第一密封圈551，而第一密封圈551因与极板510和膜电极530的接触面积都较小，所以可以有更大的形变趋势一增加与上下两个平面的接触面积，这样可以实现更好的密封效果，防止反应气体在膜电极530的缝隙泄露。图5只示出了一种密封圈的配置，也可以选择第一密封圈551的截面是方形而第二密封圈552的截面是圆形，或者其他可以达到相同效果的密封圈截面。

在另一实施例中，与上述实施例的区别在于，图6为空气侧的极板610空气控制结构示意图。在极板610与膜电极相反的一侧设置有过滤结构651，参与质子交换发电反应的是氢气和氧气，将空气作为反应气体源之一需要进行杂质的去除，过滤结构651可以除去空气中的腐蚀性气体以及影响反应的其他物质，一方面可以防止对燃料电池内部结构，例如催化层、质子交换层和扩散层的破坏；一方面可以提高氧气的含量促进反应的效率，过滤结构可以使用多孔结构并掺杂阻隔特定物质的材料。与过滤结构651同侧还可以设置气流控制结构652，用于调节空气的流量，空气侧因为采用常压供气可能会存在反应不充分的情况，通过气流控制结构652对空气流量的提高，促进反应的进行，可以保证稳定的电压输出，并且，当不同燃料电池的电池单元形状或者接入电路的数量不同时，可以定制化的通过改变气流控制结构652的参数，达到实时的调整，例如当在同一块燃料电池中，接入电路的电池单元由6块变为4块时，可以减小空气的流量。气流控制结构652同样可以通过改变其内部形貌，来控制空气进入极板的角度，同样可以起到提高气体利用率的效果。在一些实施例中，气流控制结构652可以选择能够沿轴旋转的多个扇叶或沿不同方向轴旋转的多个扇叶的组合。

在一些实施例中，导电层表面还设置有温控层，例如可通电的变温膜。质子交换膜的理想工作温度是80℃左右，但是受反应时产生热量以及环境变化的影响，质子交换膜不能维持稳定温度，例如当持续氧化还原反应后温度会上升，或者当本发明的燃料电池应用在无人机表面时，无人机进行高空飞行，周围环境温度会降低。因本发明的燃料电池是单层结构，与现有堆叠结构的燃料电池相比，温度更容易调节，所以在不同情况下，可以通过温控层使燃料电池维持在合适的工作温度，达到最高效的反应速率。

如图7所示，为本发明的另一个实施例，在该实施例中增加有紧固结构，用于将上下两层极板710中间的间隙压缩到合适距离，以使中间区域电池单元的功能层可以紧密结合在一起。考虑到极板710制作过程的差异，可能会导致不同的电池单元之间的功能层接触程度不均一，例如燃料电池中间区域导电层、扩散层和膜电极的接触程度弱于边缘区域的接触程度，由此可能出现不同电池单元输出电压值相差较大的情况，不利于燃料电池的重量控制，为电池组组合时额定输出电压的计算带来困难。在一些实施例中，紧固结构包括上插接件713，下插接件714，两种插接件为内径不同的管状结构，可以将内径较小的插接件插入内径较大的插接件，如图7中所示，上插接件713内径较小，下插接件714内径较大，但插接件结构并不限于实施例中的结构。两种插接件的作用是为贯通其间的螺钉761和螺母762提供通道，也可以采用其他可调的部件贯通插接件的通道来夹紧极板710。在另外一些实施例中，插接件可以和极板一体化加工。插接件除了为螺钉提供通道起到稳定作用外，还可以阻隔电池单元内反应气体的泄露，为了进一步密封，插接件的位置通常避开单个电池单元的位置，优选的选在密封圈所在位置。

在使用本发明的燃料电池时，先根据应用环境选择燃料电池的使用数量，所需考虑的因素包括应用目标放置燃料电池的空间，例如是内部还是表面，除此之外还包括考虑所需的电压，以此为依据，设计燃料电池的连接方式，将多个燃料电池的进气口和出气口连接形成整块燃料电池组的框架，将多个燃料电池的导电极耳按需连接在一起形成可发电的电池组，从一侧通入氢气，从另一侧通入空气，并调整气流使燃料电池处于工作状态，同时注意产物的排出。

本发明提供了一种燃料电池，通过在两块介电材料制成的极板之间设置多块电池单元形成平板结构的燃料电池，结构简单，易于加工，不需要大型配套制冷设备。通过单个燃料电池上电池单元的导电极耳，实现灵活的电压输出控制，并且根据应用场景，适宜性的变换多个燃料电池组装在一起的形状，可以贴紧载具的表面，节省载具内部空间，尤其适用于无人机或便携电源等对重量和空间敏感型装置。结合印刷电路板工艺，可以选择高分子材料作为极板，将极耳及导电层加工在极板上，降低了成本，有利于大规模量产，结合可组装的特点，拓展了适用范围。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (19)

1.一种燃料电池，其特征在于，包括：

由介电材料制成的极板，所述极板上具有开孔的导电层；

位于两个所述极板之间的多个电池单元，所述电池单元具有扩散层和膜电极，且设置有导电极耳；

所述导电极耳和导电层电连接。

2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述极板分为氢气侧的极板和空气侧的极板。

3.如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述氢气侧的极板配置有气体盒，所述气体盒具有进气口和出气口。

4.如权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，所述出气口设置有气阀，用于控制尾气排放。

5.如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述极板的氢气侧配置有蛇形或梳形流场。

6.如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述氢气侧的极板和/或氧气侧极板为多孔结构。

7.如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述空气侧的极板上方设置有气流控制结构和过滤结构。

8.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，还包括位于膜电极上下两侧的密封圈。

9.如权利要求8所述的燃料电池，其特征在于，所述两个密封圈截面分别为圆形和方形。

10.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，多个所述电池单元的膜电极为一体化连接。

11.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述膜电极包括质子交换层和催化层，所述扩散层为碳纸。

12.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述导电层表面设置有温控层。

13.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述导电层和导电极耳由铜溅射金或碳制成。

14.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述极板和导电层通过印制线路板工艺制成。

15.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述极板为高分子材料。

16.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池还包括有连接结构，用于多块所述燃料电池之间的机械连接。

17.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述极板的中间区域设置有紧固结构。

18.如权利要求17所述的燃料电池，其特征在于，所述紧固结构包括可以相互嵌套的上插接件和下插接件以及螺钉和螺母。

19.一种燃料电池组，其特征在于，包括多个如权利要求1-18任一所述的燃料电池，所述燃料电池之间通过所述极板相连。

Images