CN115224301A - 电堆单元及燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电堆单元及燃料电池堆，电堆单元(100)包括竖向叠置的上端板(110)、电池片组(120)和下端板(130)，上端板(110)的上端板顶面(1)与下端板(130)的下端板底面(2)均包括接口连接部(200)和导电连接部(300)，上端板和下端板上增设导电连接部并采用锯齿状的插接导电配合结构，既保证了相邻电堆单元之间的导电关联性，增大端板间接触面积，改善接触效果，降低接触电阻，增强导电效果；又为实现邻接电堆单元间的气体密封预留空间，防止阳极气体和阴极气体泄漏，避免潜在的燃烧风险，各电堆单元之间能够快速堆叠，操作简便，保证各电堆单元间的密封性和导电性，实现燃料电池堆的稳定运行。

Description

电堆单元及燃料电池堆

技术领域

本发明属于燃料发电技术领域，具体地，涉及一种电堆单元及燃料电池堆。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)作为第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。固体氧化物燃料电池具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优点，可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料。在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源，都有广阔的应用前景。

固体氧化物燃料电池单体主要组成部分由电解质、阳极或燃料极、阴极或空气极和连接体或双极板组成。燃料电池堆的稳定性是决定整个固体氧化燃料电池稳定运行的关键，平板式固定氧化物燃料电池堆，由多个相互堆叠的电堆单元组成，电堆单元呈箱状结构，多个电堆单元堆叠布置时，操作繁琐，且各电堆单元间关联性较差，不利于燃料电池堆的稳定运行。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷或不足，本发明提供了一种电堆单元及燃料电池堆，各电堆单元之间能够快速堆叠，操作简便，关联性高，保证各电堆单元间的密封性和导电性，实现燃料电池堆的稳定运行。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种电堆单元，所述电堆单元包括竖向叠置的上端板、电池片组和下端板，所述上端板的上端板顶面与所述下端板的下端板底面均包括接口连接部和导电连接部；

其中，所述导电连接部包括形成于所述上端板顶面的上端板导电连接部和形成于所述下端板底面的下端板导电连接部，所述上端板导电连接部能够与竖向邻接的所述下端板导电连接部形成插接导电配合。

在一些实施例中，所述上端板导电连接部和所述下端板导电连接部中的一者为从端部板面凸出的锯齿件，另一者为内凹于端板面的锯齿孔，所述锯齿件的锯齿高度大于所述锯齿孔的孔深，使得竖向邻接的所述上端板与所述下端板之间形成有端板间距。

在一些实施例中，所述接口连接部包括形成于所述上端板顶面的上端板接口连接部和形成于所述下端板底面的下端板接口连接部，所述端板间距形成在所述上端板接口连接部与相对的所述下端板接口连接部之间。

在一些实施例中，所述端板间距内填充有端板密封层，使得竖向邻接的所述上端板接口连接部与所述下端板接口连接部之间形成对外密封的流通气体密封通道。

在一些实施例中，所述流通气体密封通道包括用于导通进气的入口密封通道和用于导通出气的出口密封通道；

其中，所述上端板接口连接部上设置有用于形成所述电堆单元的气体进口的上端板进气端口和用于形成所述电堆单元的气体出口的上端板出气端口，所述下端板接口连接部上设置有用于形成所述电堆单元的气体进口的下端板进气端口和用于形成所述电堆单元的气体出口的下端板出气端口，使得所述上端板进气端口与相对的所述下端板进气端口之间形成为所述入口密封通道，所述上端板出气端口与相对的所述下端板出气端口之间形成为所述出口密封通道。

在一些实施例中，所述入口密封通道和所述出口密封通道分设于所述导电连接部的两侧。

在一些实施例中，所述端板密封层为耐高温材料。

在一些实施例中，所述上端板顶面与所述下端板底面之间还包括用于固定邻接的所述电堆单元的定位组件，所述定位组件包括设置于所述上端板顶面的上端板定位槽和设置于所述下端板底面的下端板定位槽，所述上端板定位槽与相对的所述下端板定位槽之间共同形成为用于容置定位件的定位槽体。

在一些实施例中，所述定位组件包括第一定位组件和第二定位组件，所述第一定位组件和所述第二定位组件分设于所述导电连接部的两侧且位于所述上端板的板面的边沿处。

另外，本发明还提供了一种燃料电池堆，所述燃料电池堆包括竖向堆叠的多个电堆单元，所述电堆单元为上述的电堆单元。

在本发明的电堆单元及燃料电池堆中，通过在上端板和下端板上增设导电连接部并采用锯齿状的插接导电配合结构，既保证了相邻电堆单元之间的导电关联性，增大上端板与下端板之间的接触面积，改善接触效果，降低接触电阻，增强导电效果；又为实现邻接电堆单元间的气体密封预留空间，防止阳极气体和阴极气体泄漏，避免潜在的燃烧风险，各电堆单元之间能够快速堆叠，操作简便，保证各电堆单元间的密封性和导电性，实现燃料电池堆的稳定运行。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为根据本发明的具体实施方式的电堆单元及燃料电池堆的结构示意图；

图2为图1的局部结构爆炸图，展示了上端板、邻接的下端板、接口连接部、导电连接部和端板密封层；

图3为图2中不同视角下的局部结构示意图，展示了上端板、锯齿件、端板密封层、流通气体密封通道和上端板定位槽；

图4为图1所示的上端板的俯视结构示意图，展示了上端板进气端口、上端板出气端口、锯齿件和上端板定位槽；

图5为图1所示的下端板的仰视结构示意图，展示了下端板进气端口、下端板出气端口、下端板定位槽和锯齿孔；以及

图6为图1所示的端板密封层的俯视结构示意图。

附图标记说明：

100 电堆单元

110 上端板 120 电池片组

130 下端板

200 接口连接部

210 上端板接口连接部 220 下端板接口连接部

300 导电连接部

310 上端板导电连接部 320 下端板导电连接部

400 流通气体密封通道

410 入口密封通道 420 出口密封通道

510 上端板定位槽 520 下端板定位槽

1 上端板顶面 2 下端板底面

3 锯齿件 4 锯齿孔

5 端板密封层 6 上端板进气端口

7 上端板出气端口 8 下端板进气端口

9 下端板出气端口 10 封盖板

L 端板间距 H1 锯齿高度

H2 锯齿孔的孔深

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

由于固体氧化物燃料电池具有化学能高效和环境友好性的特点，使得其具有广阔的应用前景，对于平板式固定氧化物燃料电池堆，一般由多个相互堆叠的电堆单元组成，电堆单元呈箱状结构，多个电堆单元堆叠布置时，操作繁琐，且各电堆单元间关联性较差，不利于燃料电池堆的稳定运行。

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种全新结构的电堆单元。参见图1至图6的具体实施方式，本发明提供了一种电堆单元，电堆单元100 包括竖向叠置的上端板110、电池片组120和下端板130，上端板110的上端板顶面1与下端板130的下端板底面2均包括接口连接部200和导电连接部300；

其中，导电连接部300包括形成于上端板顶面1的上端板导电连接部310 和形成于下端板底面2的下端板导电连接部320，上端板导电连接部310能够与竖向邻接的下端板导电连接部320形成插接导电配合。

在电堆单元中，电堆单元100可以包括竖向叠置的上端板110、电池片组120和下端板130，如图1所示。常规的上端板110和下端板130均为板状结构，上端板110与邻接的下端板130之间密封连接，以避免阴极气和阳极气向外泄漏，电堆单元间的密封可以采用密封件或者密封胶，但由于密封结构具有一定厚度，影响了邻接的电堆单元100间的导电性，因此，如何保证邻接的电堆单元100之间的导电性是值得关注的问题。

其中，针对现有设计中的上端板110和下端板130之间的密封性和导电性无法充分兼容的缺陷，本发明对电堆单元100的邻接处结构进行设计，在上端板110与下端板130之间增设导电连接部300，其中，在纵向堆叠时，上端板110的上端板顶面1可以作为第一邻接端面，下端板130的下端板底面2可以作为第二邻接端面，第一邻接端面与第二邻接端面之间可以具有保证二者导电关联性的导电连接部300。上端板导电连接部310与竖向邻接的下端板导电连接部320形成插接导电配合，其中，上端板导电连接部310可以为凸台结构，下端板导电连接部320可以形成有容纳凸台的凹槽结构，二者相互插接形成直接接触式连接关系，可以理解为，电流能够在上端板导电连接部310和下端板导电连接部320之间传递。需要说明的是，上端板导电连接部310与下端板导电连接部320均为导电材料，该导电材料可以为具有耐高温性能的金属导电材料或复合高分子导电材料，在此不做具体限定。

在相互堆叠的电堆单元100之间，为了在保证导电连接的基础上尽可能提高导电效果，本发明中对导电连接部300进行结构设计，参见图1和图2，上端板导电连接部310和下端板导电连接部320中的一者为从端部板面凸出的锯齿件3，另一者为内凹于端板面的锯齿孔4，例如，锯齿件3位于上端板导电连接部310上，锯齿孔4位于下端板导电连接部320上；或者，锯齿孔4位于上端板导电连接部310上，锯齿件3位于下端板导电连接部320上。锯齿件3上可以形成有间隔分布的多个锯齿，锯齿孔4内可以形成有间隔分布的多个锯齿，两锯齿结构相互咬合，通过该锯齿状电连接结构，可以增大上端板110与下端板130之间的接触面积，改善接触效果，并且可以降低接触电阻，增强导电效果，与此同时，锯齿状插接结构可以进一步提高邻接电堆单元100之间的定位效果，提高各电堆单元100之间的堆叠效率。

可选的，如图2所示，锯齿件3的锯齿高度为H1，锯齿孔4的孔深为 H2，为了使得锯齿件3与锯齿孔4相咬合时上端板110与邻接的下端板130 之间存在间隙，锯齿件3的锯齿高度大于锯齿孔4的孔深，使得竖向邻接的上端板110与下端板130之间形成有端板间距L，如图1所示。如此设置既保证了上端板110与下端板130之间的直接接触，即导电性能，又为实现邻接电堆单元100间的导气密封预留一定空间，结构简单，可操作性强。

在保证导电性的基础上，进一步对密封结构进行设计，在一种实施例中，如图1和图2所示，接口连接部200可以包括形成于上端板顶面1的上端板接口连接部210和形成于下端板底面2的下端板接口连接部220，端板间距 L形成在上端板接口连接部210与相对的下端板接口连接部220之间，可以理解为上端板顶面1和下端板底面2均为非平面，上端板接口连接部210与相对的下端板接口连接部220形成的间距为端板间距L，该端板间距L可以用于填充密封材料，使得电堆单元100之间的气体不向外泄漏。

由于燃料电池堆的反应温度很高，可以高达600至800℃，因此为了保证良好的密封性，对端板间距L内的填充密封材料进行设计，具体地，如图 2、图3和图5所示，在一种实施例中，端板间距L内可以填充有端板密封层5，使得竖向邻接的上端板接口连接部210与下端板接口连接部220之间形成对外密封的流通气体密封通道400，其中，端板密封层5可以采用耐高温的材料，如玻璃或陶瓷等，在此不做具体限定。如图6所示，该端板密封层5可以为板状结构，结构简单，易于操作，其下端面与上端板接口连接部210密封相连，其上端面与下端板接口连接部220密封相连，既可以理解为，端板密封层5的形状结构与端板间距L的形状间距相适配，通过填充端板密封层5，防止阳极气体和阴极气体泄漏，避免潜在的燃烧风险。此外，为了保证阳极气体与阴极气体在电堆单元100之间传递，在端板密封层5上可以形成流通气体密封通道400，可以理解为在端板密封层5上形成有通孔，使得端板密封层5为外部密封内部可流通的结构。

由于燃料电池堆中包含阳极燃料气和阴极空气，其中各电堆单元100之间阳极燃料气可以采用贯通式气道结构进行传递，阴极空气可以采用贯通式气道结构，也可以采用开放式气道结构，因此，流通气体密封通道400可以包括用于导通进气的入口密封通道410即燃料气和空气的流通通道，和用于导通出气的出口密封通道420即阳极和阴极尾气的流通通道。

其中，上端板接口连接部210上设置有用于形成电堆单元100的气体进口的上端板进气端口6和用于形成电堆单元100的气体出口的上端板出气端口7，下端板接口连接部220上设置有用于形成电堆单元100的气体进口的下端板进气端口8和用于形成电堆单元100的气体出口的下端板出气端口9，使得上端板进气端口6与相对的下端板进气端口8之间形成为入口密封通道 410，上端板出气端口7与相对的下端板出气端口9之间形成为出口密封通道420。可以理解为，如图1、图4和图5所示，上端板进气端口6与相对的下端板进气端口8各为两个，上端板进气端口6的一者与相对的下端板进气端口8的之间形成有燃气进气管路，另一者之间形成有空气进气管路，燃气进气管路和空气进气管路包裹于入口密封通道410内，实现进气管路的密封；上端板出气端口7与相对的下端板出气端口9各为两个，上端板出气端口7的一者与相对的下端板出气端口9之间形成有阳极尾气管路，另一者之间形成有阴极尾气管路，阳极尾气管路和阴极尾气管路包裹于出口密封通道 420内，实现尾气管路的密封。进一步地，如图2所示，入口密封通道410 和出口密封通道420可以分设于导电连接部300的两侧。防止气体向外泄漏，保证各气路稳定流通。

为了更方便地对多个电堆单元100进行堆叠设置，使得下端板接口连接部220的各气体端口之间精准对齐，本实施例中进一步对电堆单元100的定位结构进行设计，如图3和图4所示，上端板顶面1与下端板底面2之间还包括用于固定邻接的电堆单元100的定位组件，定位组件可以包括设置于上端板顶面1的上端板定位槽510和设置于下端板底面2的下端板定位槽520，上端板定位槽510与相对的下端板定位槽520之间共同形成为用于容置定位件的定位槽体。可以理解为，定位组件由上端板定位槽510、下端板定位槽 520和定位件组成，定位件容置于上端板定位槽510内，堆叠设置时，邻接的电堆单元100的下端板130叠置于底部的上端板110上，下端板定位槽520 罩扣在定位件上，可以对邻接的电堆单元100的大致位置进行限定，此时通过导电连接部300的锯齿状结构对电堆单元100做二次定位，进行小范围的微调，保证锯齿结构的咬合面积，通过定位组件的一次定位和导电连接部300的二次定位，使得电堆单元100形成的堆塔呈纵向箱体结构，保证下端板接口连接部220的各气体端口之间精准对齐，提高配气的有效性。

进一步地，为了保证定位组件的定位效果，如图3所示，定位组件可以包括第一定位组件和第二定位组件，第一定位组件和第二定位组件分设于导电连接部300的两侧且位于上端板110的板面的边沿处，可以理解为第一定位组件和第二定位组件分散布置且位于上端板110板面的外框处，提高其定位效果，进一步保证各气体端口的精准对齐。

另外，本发明还提供了一种燃料电池堆，燃料电池堆包括竖向堆叠的多个电堆单元100，电堆单元100为上述的电堆单元，该燃料电池堆还可以包括阴极气体管道和阳极气体管道，图中未展示，下方的电堆单元100的顶部与上方的电堆单元100的底部衔接，阳极气体管道和阴极气体管道是从电堆单元100的从底部贯通至顶部，每个电堆单元100可以不需要单独的供气装置，阴极气体管道和阳极气体管道中的进气管道可以包裹在入口密封通道410，出气管道可以包裹在出口密封通道420内，该贯通式气道的堆塔相比于非贯通式气道的堆塔更简便。

具体地，如图1所示，多个电堆单元100堆叠时可以包括以下步骤：在底部的电堆单元100的上端板110的上端板接口连接部210处对应放置端板密封层5，在底部的电堆单元100的上端板定位槽510内放置定位件，并保持定位件竖直，将邻接的电堆单元100与底部的电堆单元100堆叠时，使得定位件插入下端板定位槽520内，此时邻接的电堆单元100放置于底部的电堆单元100上，然后对邻接的电堆单元100的位置进行微调，使得底部的电堆单元100的锯齿件3插入邻接的电堆单元100的锯齿孔4内，二者紧闭接触且相咬合，保证底部电堆单元100的正极与邻接的电堆单元100的负极相连，完成两个电堆单元100的串联，同时，端板密封层5紧贴两电堆单元100，保证两电堆串联时，上端板进气端口6与下端板进气端口8、上端板出气端口7与下端板出气端口9一一对应且与外界密封良好，重复上述步骤即可继续堆叠电堆单元，最终，在顶部的电堆单元100的上端板110上设置封盖板 10，其中封盖板10上没有气体通道，位于整个堆塔的顶部，对顶部的上端板进气端口6与下端板进气端口8径向封堵，避免燃料气和空气向外泄漏，在整个堆叠过程中相邻的电堆单元100之间无导电胶，避免发生因导电胶高温干化后而引起的电堆单元粘接难以拆卸的问题，同时杜绝了导电胶的残留，使得电堆单元可重复使用。

需要特别说明的是，根据本发明实施例中的电堆单元及燃料电池堆的其它构成以及作用对于本领域的普通技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，此处不做赘述。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，例如对端板密封层的形状、厚度和材质变化，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.电堆单元，其特征在于，所述电堆单元(100)包括竖向叠置的上端板(110)、电池片组(120)和下端板(130)，所述上端板(110)的上端板顶面(1)与所述下端板(130)的下端板底面(2)均包括接口连接部(200)和导电连接部(300)；

其中，所述导电连接部(300)包括形成于所述上端板顶面(1)的上端板导电连接部(310)和形成于所述下端板底面(2)的下端板导电连接部(320)，所述上端板导电连接部(310)能够与竖向邻接的所述下端板导电连接部(320)形成插接导电配合。

2.根据权利要求1所述的电堆单元，其特征在于，所述上端板导电连接部(310)和所述下端板导电连接部(320)中的一者为从端部板面凸出的锯齿件(3)，另一者为内凹于端板面的锯齿孔(4)，所述锯齿件(3)的锯齿高度大于所述锯齿孔(4)的孔深，使得竖向邻接的所述上端板(110)与所述下端板(130)之间形成有端板间距(L)。

3.根据权利要求2所述的电堆单元，其特征在于，所述接口连接部(200)包括形成于所述上端板顶面(1)的上端板接口连接部(210)和形成于所述下端板底面(2)的下端板接口连接部(220)，所述端板间距(L)形成在所述上端板接口连接部(210)与相对的所述下端板接口连接部(220)之间。

4.根据权利要求3所述的电堆单元，其特征在于，所述端板间距(L)内填充有端板密封层(5)，使得竖向邻接的所述上端板接口连接部(210)与所述下端板接口连接部(220)之间形成对外密封的流通气体密封通道(400)。

5.根据权利要求4所述的电堆单元，其特征在于，所述流通气体密封通道(400)包括用于导通进气的入口密封通道(410)和用于导通出气的出口密封通道(420)；

其中，所述上端板接口连接部(210)上设置有用于形成所述电堆单元(100)的气体进口的上端板进气端口(6)和用于形成所述电堆单元(100)的气体出口的上端板出气端口(7)，所述下端板接口连接部(220)上设置有用于形成所述电堆单元(100)的气体进口的下端板进气端口(8)和用于形成所述电堆单元(100)的气体出口的下端板出气端口(9)，使得所述上端板进气端口(6)与相对的所述下端板进气端口(8)之间形成为所述入口密封通道(410)，所述上端板出气端口(7)与相对的所述下端板出气端口(9)之间形成为所述出口密封通道(420)。

6.根据权利要求5所述的电堆单元，其特征在于，所述入口密封通道(410)和所述出口密封通道(420)分设于所述导电连接部(300)的两侧。

7.根据权利要求4所述的电堆单元，其特征在于，所述端板密封层(5)为耐高温材料。

8.根据权利要求1～7中任意一项所述的电堆单元，其特征在于，所述上端板顶面(1)与所述下端板底面(2)之间还包括用于固定邻接的所述电堆单元(100)的定位组件，所述定位组件包括设置于所述上端板顶面(1)的上端板定位槽(510)和设置于所述下端板底面(2)的下端板定位槽(520)，所述上端板定位槽(510)与相对的所述下端板定位槽(520)之间共同形成为用于容置定位件的定位槽体。

9.根据权利要求8所述的电堆单元，其特征在于，所述定位组件包括第一定位组件和第二定位组件，所述第一定位组件和所述第二定位组件分设于所述导电连接部(300)的两侧且位于所述上端板(110)的板面的边沿处。

10.燃料电池堆，其特征在于，所述燃料电池堆包括竖向堆叠的多个电堆单元(100)，所述电堆单元(100)为根据权利要求1～9中任意一项所述的电堆单元。

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