CN115207429A - 一种复合边框燃料电池一体化封装的单电池短堆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合边框燃料电池一体化封装的单电池电堆，包括依次叠放的阳极端板、上进气板、单电池集成封装电堆、下进气板和阴极端板；单电池集成封装电堆主要由多个单电池依次堆叠进行一体化封装而成，单电池内形成有用于燃料气体进行反应的燃料电池活性腔；相邻的单电池通过各自的金属传导板进行电连接，且相邻的单电池之间形成了流通有冷却液的冷却流场。本发明通过单电池一体化封装对燃料电池短堆进行改进，并且对单片电池内部结构进行优化，以提高燃料电池电堆的装配精度、功率密度、使用寿命，降低其维护成本。

Description

一种复合边框燃料电池一体化封装的单电池短堆
技术领域
本发明涉及了燃料电池领域的一种单电池短堆结构，尤其涉及一种复合边框燃料电池一体化封装的单电池电堆。
背景技术
21世纪以来，随着化石能源的逐渐枯竭，人们不断寻找和开发清洁可再生的能源。在当前的新能源中，氢能具有燃烧热值高、污染低、可再生等优势，是化石燃料的理想替代能源。
氢燃料电池是氢能利用的主要方式之一。它是一种高效的发电装置，不受卡诺循环的限制，具有能量转化效率高，且反应产物清洁的优点。
目前氢能经济的发展，燃料电池电堆的装堆成本大，能量密度难以进一步提高，电堆内部每一节电池的健康检测较难，并且维护成本极高，一旦中途某一节电池发生损坏需要对整个燃料电池电堆进行拆卸维修。不仅能量密度较低、检测和维修的效率低下，同时需要在装堆、拆卸的过程中花费大量的人力物力成本。所以需要设计开发一种单电池一体化封装结构的燃料电池电堆。
申请号为202111205957.6的中国发明专利公开了一种燃料电池电堆，通过反应流场和连通反应流场的燃料槽口相对并连通以构成主流道，同时主流道内设有网筛或/和多孔管，能够有效提高燃料电池电堆的反应效率。
申请号为202111668392.5的中国发明专利公开了一种并联燃料电池电堆，包括多个串联连接的燃料电池单元，该结构能够有效降低电堆的接触电阻和线路电阻，欧姆阻抗和体积。
然而目前已公开的燃料电池电堆结构设计，对各个单电池之间的一致性存在着设计上的欠缺，通过传统层叠组装的方式制造会导致各单电池之间性能不一致，电堆可维护性差。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种复合边框燃料电池一体化封装的单电池电堆，通过单电池一体化封装对燃料电池短堆进行改进，并且对单片电池内部结构进行优化，以提高燃料电池电堆的装配精度、功率密度、使用寿命，降低其维护成本。
本发明采用的技术方案是：
包括自上而下依次叠放的阳极端板、阳极绝缘片、阳极集流板、上进气板、单电池集成封装电堆、下进气板、阴极集流板、阴极绝缘片和阴极端板；所述单电池集成封装电堆主要由多个单电池依次堆叠进行一体化封装组成，所述单电池主要由阳极复合极板、膜电极、和阴极复合极板自上而下依次紧密贴合组成；所述阳极复合极板与阴极复合极板结构相同，且阳极复合极板与阴极复合极板以膜电极为中心对称分布在膜电极的两侧；所述阳极复合极板主要由冲压金属薄板和3D打印树脂框架组成；所述冲压金属薄板通过金属-树脂粘接胶紧密贴合在3D打印树脂框架的顶端面上；所述冲压金属薄板的中部加工成横截面呈波浪形的金属传导板，且所述金属传导板的波峰高于3D打印树脂框架的顶端面；所述3D打印树脂框架的顶端面在中部开设有矩形槽，所述冲压金属薄板的金属传导板正好覆盖在3D打印树脂框架的矩形槽之上在3D打印树脂框架内部形成燃料电池活性腔；所述燃料电池活性腔包括导气孔和出气孔，且燃料电池活性腔的导气孔和出气孔成对角分布。
所述单电池集成封装电堆中相邻的单电池之间均通过各自的金属传导板进行电连接，且相邻的单电池利用冷却液密封条进行紧密固定连接，所述冷却液密封条环绕在单电池的冲压金属薄板的外周，使得相邻的冲压金属薄板以及冷却液密封条之间形成冷却流场，所述冷却流场包括进液孔和出液孔，且冷却流场内流通有冷却液。
所述上进气板的一侧间隔开设有氧气出入孔和冷却液出入孔，所述上进气板的另一侧开设有氢气出入孔；所述下进气板与上进气板的结构相同，且下进气板的氢气出入孔与上进气板的氧气出入孔在同一侧；使得氢气通过上进气板的氢气出入孔进入单电池的阳极复合极板中的燃料电池活性腔，后通过下进气板的氢气出入孔排出；氧气通过下进气板的氧气出入孔进入单电池的阴极复合极板中的燃料电池活性腔，后通过上进气板的氧气出入孔排出；冷却液通过上进气板的冷却液出入孔流入单电池电堆中的冷却流场，后通过下进气板的冷却液出入孔流出。
所述阳极复合极板和阴极复合极板均是通过热熔胶与膜电极固定连接。
所述膜电极采用PET边框的复合膜电极，所述膜电极主要由阳极扩散层、阳极PET边框、催化剂涂覆的质子交换膜、阴极PET膜和阴极扩散层自上而下依次连接组成；所述阳极扩散层和阴极扩散层的尺寸分别大于阳极PET边框的内框和阴极PET膜的内框；所述催化剂涂覆的质子交换膜的催化剂负载区域小于PET边框的内框；催化剂涂覆的质子交换膜、阳极PET边框和阴极PET膜的边缘均设置有热固胶。
所述膜电极及单电池均是通过热压一体成型。
所述上进气板的氧气出入孔、冷却液出入孔和氢气出入孔以及下进气板的氧气出入孔、冷却液出入孔和氢气出入孔均为弯通直角结构。
所述阳极扩散层和阴极扩散层均为方形的碳纸或碳布材料。
3D打印树脂框架的底端面在燃料电池活性腔区域加工有气体分配肋条。
所述阴极端板的两个对角处均竖直安装有垂直于阴极端板上表面的定位销，使得阳极端板、阳极绝缘片、阳极集流板、上进气板、单电池集成封装电堆、下进气板、阴极集流板和阴极绝缘片均通过自身两个对角处开设的销孔依次紧密固定在阴极端板上。
本发明的有益效果是：
燃料电池电堆的装堆成本大，能量密度难以进一步提高，电堆内部每一节电池的健康检测较难，并且维护成本极高的问题，本发明提供了一种复合边框燃料电池一体化封装单电池短堆，可以在提高能量密度的同时，大幅降低后期检测与维护成本。
附图说明
图1是本发明电堆的左右二等角轴测爆炸图；
图2是本发明一体化封装单电池的左右二等角轴测爆炸图；
图3是本发明燃料电池复合极板的左右二等角轴测爆炸图；
图4是本发明3D打印树脂框架的后视图；
图5是本发明上进气板的左右二等角轴测图；
图6是本发明膜电极的左右二等角轴测爆炸图；
图7是是本发明冷却水流场示意图；
图8是本发明的阳极氢气流场示意图；
图9是本发明的阴极氧气流场示意图。
图中：1、阳极端板，2、加热孔，3、阳极绝缘片，4、阳极集流板，5、上进气板，6、单电池集成封装电堆，7、定位销，8、下进气板，9、阴极集流板，10、绝缘板，11、测温孔，12、阴极端板，13、冷却液密封条，14、气体密封条，15、阳极复合极板，16、阳极侧密封胶，17、膜电极，18、阴极侧密封胶，19、阴极复合极板，20、冲压金属薄板，21、金属-树脂粘结胶，22、3D打印树脂框架，23、密封槽，24、气体分配肋条，25、氧气出入孔，26、冷却水出入孔，27、氢气出入孔，28、阳极扩散层，29、阳极PET边框，30、催化剂涂覆的质子交换膜，31、热固胶，32、阴极PET膜，33、阴极扩散层。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明包括自上而下依次叠放的阳极端板1、阳极绝缘片3、阳极集流板4、上进气板5、单电池集成封装电堆6、下进气板8、阴极集流板9、阴极绝缘片10、阴极端板12；如图2所示，单电池集成封装电堆6主要由多个单电池依次堆叠进行一体化封装组成，单电池主要由阳极复合极板15、膜电极17、和阴极复合极板19自上而下依次紧密贴合组成；阳极复合极板15与阴极复合极板19结构相同，且阳极复合极板15与阴极复合极板19以膜电极17为中心对称分布在膜电极17的两侧；具体的，阳极复合极板15通过阳极侧密封胶16紧密贴合在膜电极17的顶端面上，阴极复合极板19通过阴极侧密封胶18紧密贴合在膜电极17的底端面上，阳极复合极板15与阴极复合极板19起到支撑与传导电流的作用。如图3所示，阳极复合极板15主要由冲压金属薄板20和3D打印树脂框架22组成；冲压金属薄板20通过金属-树脂粘接胶21紧密贴合在3D打印树脂框架22的顶端面上；冲压金属薄板20的中部加工成横截面呈波浪形的金属传导板，且金属传导板的波峰高于3D打印树脂框架22的顶端面；金属传导板是利用对压机对金属薄板进行流道冲压而成，金属传导板起到支撑与传导电流的作用；金属-树脂粘接胶21呈回字形，外轮廓与冲压金属薄板20相同。
3D打印树脂框架22的顶端面在中部开设有矩形槽，冲压金属薄板20的金属传导板正好覆盖在3D打印树脂框架22的矩形槽之上在3D打印树脂框架22内部形成密封的燃料电池活性腔；燃料电池活性腔包括导气孔和出气孔，且燃料电池活性腔的导气孔和出气孔成对角分布，具体的，3D打印树脂框架22的顶端面的两侧分别间隔开设有多个导气孔和多个出气孔，3D打印树脂框架22的导气孔和出气孔均与燃料电池活性腔连通。导气孔和出气孔处均设置有气体密封条14，用于对不同层之间的单电池气体出入孔处进行密封，防止氢气或氧气发生泄漏，同时起到平衡冷却液密封条13所产生的应力的作用。
单电池集成封装电堆6中相邻的单电池之间均通过各自的金属传导板进行电连接，且相邻的单电池利用冷却液密封条13进行紧密固定连接，冷却液密封条13环绕在单电池的冲压金属薄板20的外周，使得相邻的冲压金属薄板20以及冷却液密封条13之间形成冷却流场，冷却流场包括进液孔和出液孔，且冷却流场内流通有冷却液。具体的，单电池的3D打印树脂框架22的顶端面上在冷却液密封条13内侧的两端均分别开设有进液孔和出液孔，3D打印树脂框架22的进液孔和出液孔均与冷却流场连通，用于冷却液的流进与流出；单电池用于把氢气与氧气内包含的化学能转化为电能，单电池之间通过阳极端板1与阴极端板12共同施加压力压紧冷却液密封条13进行线密封。
如图5所示，上进气板5的一侧间隔开设有氧气出入孔25和冷却液出入孔26，上进气板5的另一侧开设有氢气出入孔27；下进气板8与上进气板5的结构相同，且下进气板8的氢气出入孔与上进气板5的氧气出入孔25在同一侧。上进气板5的氧气出入孔25和氢气出入孔27以及下进气板8的氧气出入孔和氢气出入孔均通过单电池的导气孔或出气孔与每个单电池内的燃料电池活性腔连通，上进气板5的冷却液出入孔26和下进气板8的冷却液出入孔通过单电池的进液孔或出液孔均与单电池集成封装电堆6内的每个冷却流场连通。上进气板5与下进气板8功能相同，主要用于反应气体、冷却液的供给与排出，但是两者的分布结构具有左右镜像的特点。
使得氢气通过上进气板5的氢气出入孔27进入单电池的阳极复合极板15中的燃料电池活性腔，后通过下进气板8的氢气出入孔排出；氧气通过下进气板8的氧气出入孔进入单电池的阴极复合极板19中的燃料电池活性腔，后通过上进气板5的氧气出入孔25排出；使得阴极的氧气和阳极的氢气在单电池集成封装电堆6内方向交叉的相向流动，以取得燃料电池更好的性能。冷却液通过上进气板5的冷却液出入孔26流入单电池电堆中的冷却流场，后通过下进气板8的冷却液出入孔流出。冷却流场中的冷却液沿着冲压金属薄板20的波纹进行流通。具体如图7、图8和图9所示。
阳极复合极板15和阴极复合极板19均是通过热熔胶与膜电极17固定连接。可实现膜电极17与阳极复合极板15和阴极复合极板19的粘连与密封，粘连后单电池内部为面密封，可实现氢气与氧气的密封的同时，增强单电池的抗弯、抗扭强度。
如图6所示，膜电极17采用PET边框的复合膜电极，膜电极17主要由阳极扩散层28、阳极PET边框29、催化剂涂覆的质子交换膜30、阴极PET膜32和阴极扩散层33自上而下依次连接组成；阳极扩散层28和阴极扩散层33的尺寸分别大于阳极PET边框29的内框和阴极PET膜32的内框；催化剂涂覆的质子交换膜30的催化剂负载区域小于PET边框的内框1mm；催化剂涂覆的质子交换膜30周围的空白区域的宽度为5mm；催化剂涂覆的质子交换膜30、阳极PET边框29和阴极PET膜32的边缘均设置有用于固定连接的热固胶31，同时增加膜电极17的刚度。
优选的，膜电极17及单电池均是通过热压一体成型。
优选的，上进气板5的氧气出入孔25、冷却液出入孔26和氢气出入孔27均为弯通直角结构。
优选的，阳极扩散层28和阴极扩散层33均为方形的碳纸或碳布材料。
优选的，如图4所示，3D打印树脂框架22的底端面在燃料电池活性腔区域加工有气体分配肋条24，用于气体分配与支撑。
优选的，阳极端板1的侧面开设有加热孔2，且下进气板8的侧面还开设有测温孔11。
优选的，阴极端板12的两个对角处均竖直安装有垂直于阴极端板12上表面的定位销，使得阳极端板1、阳极绝缘片3、阳极集流板4、上进气板5、单电池集成封装电堆6、下进气板8、阴极集流板9和阴极绝缘片10均通过自身两个对角处开设的销孔依次紧密固定在阴极端板12上。通过定位销和销孔实现单电池电堆在水平面上的限位。

Claims (10)

1.一种复合边框燃料电池一体化封装的单电池电堆，其特征在于：包括自上而下依次叠放的阳极端板(1)、阳极绝缘片(3)、阳极集流板(4)、上进气板(5)、单电池集成封装电堆(6)、下进气板(8)、阴极集流板(9)、阴极绝缘片(10)和阴极端板(12)；所述单电池集成封装电堆(6)主要由多个单电池依次堆叠进行一体化封装组成，所述单电池主要由阳极复合极板(15)、膜电极(17)、和阴极复合极板(19)自上而下依次紧密贴合组成；所述阳极复合极板(15)与阴极复合极板(19)结构相同，且阳极复合极板(15)与阴极复合极板(19)以膜电极(17)为中心对称分布在膜电极(17)的两侧；所述阳极复合极板(15)主要由冲压金属薄板(20)和3D打印树脂框架(22)组成；所述冲压金属薄板(20)通过金属-树脂粘接胶(21)紧密贴合在3D打印树脂框架(22)的顶端面上；所述冲压金属薄板(20)的中部加工成横截面呈波浪形的金属传导板，且所述金属传导板的波峰高于3D打印树脂框架(22)的顶端面；所述3D打印树脂框架(22)的顶端面在中部开设有矩形槽，所述冲压金属薄板(20)的金属传导板正好覆盖在3D打印树脂框架(22)的矩形槽之上在3D打印树脂框架(22)内部形成燃料电池活性腔；所述燃料电池活性腔包括导气孔和出气孔，且燃料电池活性腔的导气孔和出气孔成对角分布。
2.根据权利要求1所述的一种复合边框燃料电池一体化封装的单电池电堆，其特征在于：所述单电池集成封装电堆(6)中相邻的单电池之间均通过各自的金属传导板进行电连接，且相邻的单电池利用冷却液密封条(13)进行紧密固定连接，所述冷却液密封条(13)环绕在单电池的冲压金属薄板(20)的外周，使得相邻的冲压金属薄板(20)以及冷却液密封条(13)之间形成冷却流场，所述冷却流场包括进液孔和出液孔，且冷却流场内流通有冷却液。
3.根据权利要求2所述的一种复合边框燃料电池一体化封装的单电池电堆，其特征在于：所述上进气板(5)的一侧间隔开设有氧气出入孔(25)和冷却液出入孔(26)，所述上进气板(5)的另一侧开设有氢气出入孔(27)；所述下进气板(8)与上进气板(5)的结构相同，且下进气板(8)的氢气出入孔与上进气板(5)的氧气出入孔(25)在同一侧；使得氢气通过上进气板(5)的氢气出入孔(27)进入单电池的阳极复合极板(15)中的燃料电池活性腔，后通过下进气板(8)的氢气出入孔排出；氧气通过下进气板(8)的氧气出入孔进入单电池的阴极复合极板(19)中的燃料电池活性腔，后通过上进气板(5)的氧气出入孔(25)排出；冷却液通过上进气板(5)的冷却液出入孔(26)流入单电池电堆中的冷却流场，后通过下进气板(8)的冷却液出入孔流出。
4.根据权利要求1所述的一种复合边框燃料电池一体化封装的单电池电堆，其特征在于：所述阳极复合极板(15)和阴极复合极板(19)均是通过热熔胶与膜电极(17)固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种复合边框燃料电池一体化封装的单电池电堆，其特征为：所述膜电极(17)采用PET边框的复合膜电极，所述膜电极(17)主要由阳极扩散层(28)、阳极PET边框(29)、催化剂涂覆的质子交换膜(30)、阴极PET膜(32)和阴极扩散层(33)自上而下依次连接组成；所述阳极扩散层(28)和阴极扩散层(33)的尺寸分别大于阳极PET边框(29)的内框和阴极PET膜(32)的内框；所述催化剂涂覆的质子交换膜(30)的催化剂负载区域小于PET边框的内框；催化剂涂覆的质子交换膜(30)、阳极PET边框(29)和阴极PET膜(32)的边缘均设置有热固胶(31)。
6.根据权利要求1所述的一种复合边框燃料电池一体化封装的单电池电堆，其特征为：所述膜电极(17)及单电池均是通过热压一体成型。
7.根据权利要求3所述的一种复合边框燃料电池一体化封装的单电池电堆，其特征为：所述上进气板(5)的氧气出入孔(25)、冷却液出入孔(26)和氢气出入孔(27)以及下进气板(8)的氧气出入孔、冷却液出入孔和氢气出入孔均为弯通直角结构。
8.根据权利要求5所述的一种复合边框燃料电池一体化封装的单电池电堆，其特征为：所述阳极扩散层(28)和阴极扩散层(33)均为方形的碳纸或碳布材料。
9.根据权利要求1所述的一种复合边框燃料电池一体化封装的单电池电堆，其特征为：3D打印树脂框架(22)的底端面在燃料电池活性腔区域加工有气体分配肋条(24)。
10.根据权利要求1所述的一种复合边框燃料电池一体化封装的单电池电堆，其特征为：所述阴极端板(12)的两个对角处均竖直安装有垂直于阴极端板(12)上表面的定位销，使得阳极端板(1)、阳极绝缘片(3)、阳极集流板(4)、上进气板(5)、单电池集成封装电堆(6)、下进气板(8)、阴极集流板(9)和阴极绝缘片(10)均通过自身两个对角处开设的销孔依次紧密固定在阴极端板(12)上。
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