CN116742038B - 电池单元、电池模组以及供电系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供电池单元、电池模组以及供电系统，包括：单极板模块；支撑框相对阳极板和/或阴极板设置有进气口与出气口；阴极板与膜电极组件之间形成有一个或多个阴极腔，阳极板与膜电极组件之间形成有一个或多个阳极腔，支撑框上设置有阳极进气通道、阴极进气通道、阳极出气通道和阴极出气通道，阴极进气通道通过阴极腔连接阴极出气通道，阳极进气通道通过阳极腔连接阳极出气通道。在支撑框上直接形成阳极进气通道和阴极进气通道，无需在阳极板或阴极板上通过冲压的形式或者其他的工序将阳极板和阳极板变形，形成进气通道，减少了对单极板的加工工序，并防止阳极板或阴极板的尺寸出现误差，使组装后的电池单元的尺寸公差变大。

Description

电池单元、电池模组以及供电系统

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，具体涉及电池单元、电池模组以及供电系统。

背景技术

燃料电池的本质是通过氢气与氧气发生电化学反应并产生电能，且常采用双极板形式，双极板燃料电池在装配时金属双极板组件与膜电极组件间隔堆叠，在双极板的两侧分别通过，在双极板一侧通过密封件抵接膜电极接触形成氢气腔，在双极板另一侧同样通过密封件抵接膜电极形成氧气腔。

但现有的双极板燃料电池模组常具有如下不足：

现有的电池单元的双极板和膜电极采用直接连接的方式密封连接，需要在双极板上分别采用冲压工序形成进气通道，冲压容易导致双极板变形，从而导致双极板在组装之前的尺寸和形状出现误差，从而在组装过后的整体尺寸公差累加，导致电池单元公差增大，电池模组公差增大。

因此，现有技术中亦可采用单极板方式对燃料电池进行组装。

现有公开专利CN113594491A，公开了一种用于氢燃料电池的膜电极硬质边框，包括边框本体，边框本体的腔体内从上至下依次设置有阳极气体通气口、冷却剂通孔和阴极气体通气口，边框本体上对应阴极气体通气口和阳极气体通气口的位置均设有多个腰型通槽，阴极气体通气口的腰型通槽的顶端和底端均设有阴极贴片，阳极气体通气口的腰型通槽的顶端和底端均设有阳极贴片。腰型通槽开设在阴极贴片或阳极贴片上，在连接时，将阴极贴片和阳极贴片分别贴在硬质边框的两侧。此种装配方式将会导致装配的累计公差增大，并导致电池单元装配公差增大，以及组装后的电池模组公差增大，同时增大电池单元的泄露风险。

基于此，仍需要电池单元、电池模组以及供电系统，以解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本说明书实施例提供电池单元和电池组，电池单元采用在膜电极的两侧分别粘合单极板形成单元电池的方案，减小累计公差，结构更紧凑。

本说明书实施例提供以下技术方案：

本发明在第一方面提供了电池单元，所述电池单元包括：

单极板模块，所述单极板模块包括：阳极板和阴极板；

支撑框；

膜电极组件；

所述阴极板与所述膜电极之间形成有一个或多个阴极腔，所述阳极板与所述膜电极之间形成有一个或多个阳极腔；

所述膜电极组件分别与阳极板和阴极板通过粘结胶粘接；

所述支撑框的进气口和出气口相对所述阳极板和/或阴极板的一侧一体形成若干间隔设置的凸台，所述凸台分别与所述阳极板和/或阴极板配合形成阳极进气通道，和/或，阴极进气通道，和/或，阳极出气通道，和/或，阴极出气通道，所述阴极进气通道通过所述阴极腔连接所述阴极出气通道，所述阳极进气通道通过所述阳极腔连接所述阳极出气通道。

优选地，所述支撑框对应所述阴极进气通道处设置有阴极公共入口，所述支撑框对应所述阴极出气通道处设置有阴极公共出口，和/或，所述支撑框对应所述阳极进气通道处设置有阳极公共入口，所述支撑框对应所述阳极出气通道处设置有阳极公共出口。

优选地，所述支撑框还设置有冷却流体公共入口和冷却流体公共出口。

优选地，所述支撑框与所述阴极板和/或所述阳极板对应连接位置处设有密封件。

优选地，所述密封件通过注塑方式形成或通过胶膜直接粘接。

优选地，所述密封件的材质为硅胶、EPDM、氟橡胶中的一种或多种之组合。

本发明在第二方面提供了电池模组包括：模组壳体；

至少两个如上述任意一项所述的电池单元；

冷却流体密封件；

至少两个所述电池单元堆叠设置于所述模组壳体内，且相邻两个电池单元的阳极板和阴极板之间对应形成冷却腔，所述冷却腔通过所述冷却流体密封件形成密封结构，所述冷却腔具有相对的入口和出口。

优选的，所述冷却流体密封件上还形成有进液槽和输出槽，所述进液槽通过冷却腔连通所述输出槽，用于通过冷却液流动使所述电池单元降温。

本发明在第三方面提供电池模组，包括：

模组壳体；

至少两个如上述的电池单元；

冷却流体密封件；

至少两个所述电池单元堆叠设置于所述模组壳体内，且相邻两个电池单元的阳极板和阴极板之间形成冷却腔，所述冷却腔通过所述冷却流体密封件形成密封结构，所述冷却腔具有相对的入口和出口，所述入口和所述出口分别与所述冷却流体公共入口和冷却流体公共出口对应连接。

优选的，所述冷却流体密封件上还形成有进液槽和输出槽，所述进液槽通过冷却腔连通所述输出槽，用于通过冷却液流动使所述电池单元降温。

本发明第四方面供电系统，包括用电负载及上述任一项所述的电池模组，所述电池模组为所述用电负载提供电能。

优选的，所述用电负载包括汽车、游艇、无人机中中的任意一种。

与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：

1、在支撑框上设置进气通道，并在进气通道和支撑框一体成形设置凸台，直接形成在支撑框上的凸台无需通过工序和支撑框装配在一起，降低装配公差，防止装配后的电池单元累计公差较大，容易泄露。凸台另一方面将进入的气体分流成多股，流量稳定，使得气体参与后续的反应均匀。

2、在支撑框上直接形成阳极进气通道和阴极进气通道，无需在阳极板或阴极板上通过冲压的形式或者其他的工序将阳极板和阴极板变形，形成进气通道，减少了对单极板的加工工序，并防止阳极板或阴极板的尺寸出现误差，使组装后的电池单元的尺寸公差变大。

3、在膜电极的两侧分别直接粘合单极板，每一侧的单极板和对应位置的扩散层之间形成气体反应腔，在膜电极的两侧分别粘合单极板，并且弹性密封件形成在电极框上，相较于双极板和膜电极依次通过密封件连接的方式，本申请在膜电极的两侧分别粘合连接的单极板组成的电池单元公差较小，结构紧凑。

4、采用在支撑框上直接形成阳极进气通道和阴极进气通道的电池单元组成的电池模组能够缩减累计的尺寸公差，结构紧凑，防止漏气和冷却液泄露。

5、设置公共口无需在电池单元上设置额外的气流通道，节约工序，并且结构紧凑。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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它的附图。

图1是本申请实施例一的电池单元组装状态示意图；

图2是本申请实施例一的电池单元结构爆炸图；

图3是本申请实施例一的电池模组结构示意图；

图4是本申请实施例二的电池单元组装状态局部结构图；

图5是图4的A处局部放大图；

图6是图4的B处局部放大图；

图7是本申请实施例二的电池单元一侧的局部结构爆炸图；

图8是本申请实施例二的电池单元另一侧的局部结构爆炸图；

图9是本申请实施例三的电池单元阳极侧的结构图。

1、阳极板；11、阳极腔；2、阴极板；21、阴极腔；3、支撑框；31、凸台；32、阳极进气通道；33、阴极公共入口；34、阴极公共出口；35、阴极进气通道；36、阳极公共入口；37、阳极公共出口；38、阳极出气通道；4、膜电极组件；41、第一扩散层；42、第二扩散层；43、质子膜；5、冷却流体密封件；51、冷却腔；52、冷却流体公共入口；53、冷却流体公共出口；54、进液槽；6、密封件。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

参照图7和8，本申请提供的电池单元包括：单极板模块、支撑框3、膜电极组件4。在加工支撑框3时，优选采用塑料作为支撑框3的形成材料，但应该理解的是，塑料作为优选实施例，不应理解为对权利要求保护范围的限定。所述支撑框相对所述阳极板1和/或阴极板2设置有进气口与出气口。

所述单极板模块包括：阳极板1和阴极板2。阳极板1和阴极板2分别连接在膜电极组件4的两侧，其中阳极板1和阴极板2分别是两个金属壳体，支撑框3为绝缘材料组成的框架。

所述阴极板2与所述膜电极组件4之间形成有一个或多个阴极腔21，所述阳极板1与所述膜电极组件4之间形成有一个或多个阳极腔11。

所述支撑框3的进气口和出气口至少之一相对所述阳极板1和/或阴极板2的一侧形成有若干间隔设置的凸台31，所述凸台31分别与所述阳极板1和/或阴极板2配合形成阳极进气通道32，和/或，阴极进气通道35，和/或，阳极出气通道38，和/或，阴极出气通道。所述阴极进气通道35通过所述阴极腔21连接所述阴极出气通道，所述阳极进气通道32通过所述阳极腔11连接所述阳极出气通道38。直接形成在支撑框3上的通道以及构成通道的凸台31，无需在单极板上通过额外的冲压或其他工序改变单极板的形状形成进气通道，防止单极板的尺寸发生偏差，造成组装后的电池单元公差累计较大，从而降低电池单元的气密性以及工作效率。

所述凸台31优选是直接形成在阴极进气通道35或阳极进气通道32内，所述凸台31将阴极进气通道35和/或阳极进气通道32分隔成多条分支气路，防止对应类型的气体在通过阴极进气通道35和所述阳极进气通道32时发生气流紊乱与局部团聚，导致电池单元内的电流供应不稳定、工作效率低。此外，所述凸台31的顶部抵接阳极板1或阴极板2，对所述阳极板1和/或阴极板2起到支撑作用，防止组装后的阴极板2或阳极板1在外力作用下出现变形，导致阴极进气通道35和/或所述阳极进气通道32堵塞。

参照图9，在加工时，直接在支撑框3的两侧对应位置处形成凸台31，凸台31的形状直接形成在支撑框3上，在加工时采用一体成形的技术直接注塑形成在支撑框3上，和支撑框3一体设计，无需在阳极板1或阴极板2的内侧对应需要开设阳极出气通道38和阴极出气通道的位置处，通过冲压或其他热加工的方式弯曲变形金属材质的阳极板1或阴极板2。防止阳极板1和阴极板2在加工阳极出气通道38和阴极出气通道时出现弯曲、翘边、变形，导致阴极板2和阳极板1的尺寸误差增大。

在一个实施例中，如图7所示，支撑框3在加工时，可采用3d打印、注塑、激光注塑的等技术直接形成所述阴极进气通道35和/或所述阳极进气通道32，形成的所述阴极进气通道35和/或所述阳极进气通道32与所述支撑框3一体成型，无需在支撑框3，或阳极板1和阴极板2上通过其他工序的方式形成进气通道，减少加工或制作工序。并且直接在支撑框3上形成进气通道，能够防止单极板因冲压引起的结构变形或尺寸变化，从而避免阴极板2或阳极板1上的误差增大，致使由该阴极板2和阳极板1组装后的电池模组公差增大。

其中阴极进气通道35和所述阳极进气通道32，例如是分别形成在支撑框3两侧且低于表面0.1-0.4mm的凹槽，凹槽优选为条形。

在一个实施例中，如图8所示，所述阴极进气通道35和/或所述阳极进气通道32内设置有若干凸台31。

在一个实施方式中，如图4-8所示，所述支撑框3对应所述阴极进气通道35处设置有阴极公共入口33，所述支撑框3对应所述阴极出气通道处设置有阴极公共出口34，和/或，所述支撑框3对应所述阳极进气通道32处设置有阳极公共入口36，所述支撑框3对应所述阳极出气通道38处设置有阳极公共出口37。阴极公共出口34和阳极公共出口37均为形成在电极边框上的通孔，当需要将多个电池单元层叠连接时，阴极反应气体通过相同的阴极公共入口33进入，然后分别进入到对应位置的电池单元反应后，通过相同的阴极公共出口34输出。并且阳极反应气体通过阳极公共入口36进入，然后经过阳极腔11反应后通过共同的阳极公共出口37输出。优选的，所述阴极气流和阳极气流呈对角线布置，呈对角线设置的气流方向，能够使阴极气和阳极气在反应时稳定汇集在膜电极的两侧，保证反应的顺利进行。在工作时，无需在电池单元上外置或外设气流通道，节约工序，并且结构紧凑。

在一个实施例中，如图6所示，所述支撑框3还设置有冷却流体公共入口52和冷却流体公共出口53。冷却流体例如是水、冷却液、或者其他冷却流体，在此不一一列举。冷却流体入口和冷却流体出口之间形成在支撑框3上，无需设置额外的流体管路或通道，结构紧凑，节约工序。

在一个实施例中，如图2所示，所述支撑框3上与所述阴极板2和/或所述阳极板1对应连接位置处设有密封件6。所述密封件6连接在支撑框3上能够对电池单元起到气密封的作用，防止在工作时，反应气体经过支撑框3和阴极板2或阳极板1之间的间隙泄露。其中，所述密封件6通过注塑方式形成或通过胶膜直接粘接。密封件6可以通过注塑形式直接形成在支撑框3上，减小密封件6连接在支撑框3上的尺寸装配误差。也可以采用胶膜将密封件6连接在支撑框3上。且所述密封件6材质为硅胶、EPDM、氟橡胶、中的一种或多种之组合。具有一定弹性形变能力的密封件6填充在支撑框3和阴极板2或阳极板1之间的间隙中，能够防止气体泄露。

膜电极组件4包括：第一扩散层41、第二扩散层42、质子膜43，所述第一扩散层41和第二扩散层42分别连接在所述质子膜43的两侧。其中第一扩散层41和第二扩散层42分别是连接在质子膜43两侧的层状结构，其中第一扩散层41和第二扩散层42可以选用碳纸，并且碳纸的外部还连接有导线，当氢气和空气分别进入到第一扩散层41和第二扩散层42时，在扩散层的催化下形成离子，离子穿过质子膜43流动，外部的电子通过导线共同形成电流回路。

参照图1和图2，所述膜电极组件4分别与阴极板2、阳极板1通过粘结胶粘接。所述粘接胶优选是胶水，通过将胶水涂覆在支撑框3的边缘，再将一侧的阴极板2或阳极板1覆盖在支撑框3上。直接涂覆的胶水可起到密封作用，防止阴极腔21或阳极腔11发生气体泄露，导致电池单元失效。

本发明在第二方面还提供了一种电池模组，包括模组壳体，至少一个如上述实施例所述的电池单元和冷却流体密封件5，至少两个所述电池单元堆叠设置于所述模组壳体内，且相邻的两个电池单元的所述阳极板1和阴极板2之间形成冷却腔51，所述冷却腔51通过所述冷却流体密封件5形成密封结构，所述冷却腔51具有相对的入口和出口。冷却流体密封件5的材质例如是硅胶、EPDM或氟橡胶，设置在电池单元之间的冷却流体密封件5能够阻挡流体从相邻的单极板之间泄露，并且将流体的流动路径限制固定，在流动时带走电池单元反应所发出的热量，使电池单元降温，保证良好的工作效率。

参照图6，所述冷却流体密封件5上还形成有进液槽54和输出槽，所述进液槽54通过冷却腔51连通所述输出槽(图中未示出)，用于通过冷却液流动使所述电池单元降温。冷却流体密封件5上直接形成的进液槽54和输出槽，分别在冷却流体密封件5上两侧呈对称分布。

直接在密封件6上开设的凹槽形成进液槽54，同样无需在阴极板2或阳极板1上通过工序加工出槽，用于冷却液经过。避免经过冲压或其他方式加工阳极板1或阴极板2，导致阳极板1或阴极板2局部翘曲变形，影响组装后电池模组的尺寸和精度。

本申请还提供了电池模组，如图1和图2所示，所述电池模组包括模组壳体；至少两个上述实施例所涉及的电池单元；和冷却流体密封件5，至少两个所述电池单元堆叠设置于所述模组壳体内，且相邻两个电池单元的阳极板1和阴极板2之间形成冷却腔51，所述冷却腔51通过所述冷却流体密封件5形成密封结构，所述冷却腔51具有相对的入口和出口，所述入口和所述出口分别优选与所述支撑框3上设置的冷却流体公共入口52和冷却流体公共出口53对应连接。在工作时，由于多个层叠的电池单元堆叠设置，冷却液通过一个冷却流体公共入口52进入后，在每两个电池单元的冷却腔51开始分流，进入不同的冷却腔51体后，通过一个冷却流体公共出口53流出，无需在多个电池单元中设置额外的管路，用来分别传输冷却流体。并且该电池模组的尺寸公差较小，结构紧凑。但应该理解的是，该冷却流体公共入口52和冷却流体公共出口53并非必须之结构，本领域技术人员也可根据需要针对每层冷却流体设置单独的冷却流体入口及出口，其不能成为对权利要求保护范围之限制。

所述冷却流体密封件5上还优选形成有进液槽54和输出槽，所述进液槽54通过冷却腔51连通所述输出槽，用于通过冷却液流动使所述电池单元降温。此处的进液槽54和输出槽与上述实施例中的进液槽54和输出槽的形状、位置以及功能相同，在此不再赘述。

本申请在第三方面还提供了供电系统，包括用电负载及上述实施例所涉及的电池模组，所述电池模组为所述用电负载提供电能。电池模组由于堆叠设计后的尺寸公差累计较小，结构紧凑，不易泄露气体和液体，可靠性高。能够持续稳定的为用电负载提供电能。

进一步地，所述用电负载包括汽车、游艇、无人机中中的任意一种。

本说明书中，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于后面说明的实施例而言，描述比较简单，相关之处参见前述实施例的部分说明即可。

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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.电池单元，所述电池单元包括：

单极板模块，所述单极板模块包括：阳极板和阴极板；

支撑框，所述支撑框相对所述阳极板和/或阴极板设置有进气口与出气口；

膜电极组件；

所述阴极板与所述膜电极组件之间形成有一个或多个阴极腔，所述阳极板与所述膜电极组件之间形成有一个或多个阳极腔；

所述膜电极组件分别与阳极板和阴极板通过粘结胶粘接；

其特征在于，所述支撑框的进气口和出气口相对所述阳极板和/或阴极板的一侧一体形成有若干间隔设置的凸台，所述凸台分别与所述阳极板和/或阴极板配合形成阳极进气通道，和/或，阴极进气通道，和/或，阳极出气通道，和/或，阴极出气通道，所述阴极进气通道通过所述阴极腔连接所述阴极出气通道，所述阳极进气通道通过所述阳极腔连接所述阳极出气通道。

2.根据权利要求1所述的电池单元，其特征在于，所述支撑框对应所述阴极进气通道处设置有阴极公共入口，所述支撑框对应所述阴极出气通道处设置有阴极公共出口，和/或，所述支撑框对应所述阳极进气通道处设置有阳极公共入口，所述支撑框对应所述阳极出气通道处设置有阳极公共出口。

3.根据权利要求1或2所述的电池单元，其特征在于：所述支撑框还设置有冷却流体公共入口和冷却流体公共出口。

4.根据权利要求1所述的电池单元，其特征在于：所述支撑框与所述阴极板和/或所述阳极板对应连接位置处设有密封件。

5.根据权利要求4所述的电池单元，其特征在于：所述密封件通过注塑方式形成或通过胶膜直接粘接。

6.根据权利要求5所述的电池单元，其特征在于：所述密封件的材质为硅胶、EPDM、氟橡胶中的一种或多种之组合。

7.电池模组，其特征在于，包括：

模组壳体；

至少两个如权利要求1-2任意一项所述的电池单元；

冷却流体密封件；

至少两个所述电池单元堆叠设置于所述模组壳体内，且相邻两个电池单元的阳极板和阴极板之间对应形成冷却腔，所述冷却腔通过所述冷却流体密封件形成密封结构，所述冷却腔具有相对的入口和出口。

8.根据权利要求7所述的电池模组，其特征在于，所述冷却流体密封件上还形成有进液槽和输出槽，所述进液槽通过冷却腔连通所述输出槽，用于通过冷却液流动使所述电池单元降温。

9.电池模组，其特征在于，包括：

模组壳体；

至少两个如权利要求3所述的电池单元；

冷却流体密封件；

至少两个所述电池单元堆叠设置于所述模组壳体内，且相邻两个电池单元的阳极板和阴极板之间形成冷却腔，所述冷却腔通过所述冷却流体密封件形成密封结构，所述冷却腔具有相对的入口和出口，所述入口和所述出口分别与所述冷却流体公共入口和冷却流体公共出口对应连接。

10.根据权利要求9所述的电池模组，其特征在于，所述冷却流体密封件上还形成有进液槽和输出槽，所述进液槽通过冷却腔连通所述输出槽，用于通过冷却液流动使所述电池单元降温。

11.供电系统，其特征在于，包括用电负载及权利要求7-9任一项所述的电池模组，所述电池模组为所述用电负载提供电能。

12.如权利要求11所述的供电系统，其特征在于，所述用电负载包括汽车、游艇、无人机中的任意一种。