CN211929633U - 用于燃料电池的张力板 - Google Patents

Abstract

本申请公开了用于燃料电池的张力板。该张力板包括主体、下凸缘以及上凸缘；其中，下凸缘位于主体的下边缘；上凸缘位于主体的上边缘；单个燃料电池包括至少两个张力板，下凸缘向燃料电池的第一端板的底面施加压力，上凸缘向燃料电池的第二端板的顶面施加压力，从而为燃料电池的第一端板和第二端板之间提供夹持力。该实用新型通过对燃料电池的夹持设计的改进，提高了燃料电池的体积功率密度以及稳定性和可靠性，降低了生产成本，提高了部件的通用性，用于电动车辆中，则可提高车辆的可靠性和安全性。

Description

用于燃料电池的张力板

技术领域

本实用新型涉及燃料电池，更具体地，涉及一种用于燃料电池的张力板。

背景技术

燃料电池是通过甲醇或氢等燃料在膜电极组件的催化剂层与氧化气体发生电化学反应，获取电能的发电装置。燃料电池例如包括电解质膜以及位于电解质膜两侧表面的催化剂层、扩散层以及双极板。

在燃料电池工作期间，燃料流体通过双极板的阳极流场的流道被传递到膜电极组件表面，在膜电极组件内部的传递过程为燃料流体通过扩散层扩散到阳极催化层，并在催化剂层催化剂的作用下，放出电子形成阳离子。电子从催化剂表面经由扩散层传递到双极板，再从双极板传递到外部电路，再从外部电路传送到阴极极板，从阴极极板传递到扩散层，从扩散层传送至阴极催化剂层；阳离子则经由电解质膜传递到阴极侧催化剂层。氧化气体在阴极催化剂层上与从阳极传递过来的电子结合形成形成阴离子，阴离子与经由电解质膜迁移过来的阳离子结合生成水，从而形成完整的电子回路和离子回路。电解质膜兼有离子通道和阻挡气体以及电子的作用。

燃料流体包括气态的氢气，或者液态的甲醇或者甲醇溶液等燃料组成的流体。氧化气体可以是空气也可以是纯氧，冷却介质可以是液体也可以是气体。

燃料电池反应过程产生的反应产物为水，零排放，在反应过程中无需机械传动，直接把燃料中的化学能转化成电能，基本上没有噪音污染，因此，燃料电池作为发电装置具有发电效率高和绿色环保的优点。如图1所示，为了进一步提高燃料电池的输出功率和输出电压，传统技术是采用端板210将堆叠的多个重复部件压紧，用螺杆240紧固在一起形成电池堆。这种传统的螺杆紧固方式，通常是在电池堆重复部件的外部，用多个螺杆围绕电池堆对电池堆进行固定，增加了电池堆的总体积，相应也降低了电池堆和燃料电池系统的体积功率密度。

体积过大是限制燃料电池的大规模产业化应用的主要制约因素之一，为了提高电池堆的体积功率密度，增加电池堆的适应性和使用范围，需要进一步改善燃料电池的结构设计，以减少燃料电池堆的体积。取消定位和紧固用的螺杆，可以大幅降低电池堆的无用体积，提升电池堆的体积功率密度。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型的目的是改进燃料电池的夹持设计，其中，采用具有下凸缘和上凸缘的张力板为燃料电池的第一端板和第二端板之间提供夹持力，从而减少电池堆的无用体积，提高燃料电池的体积功率密度以及稳定性和可靠性。用于电动车辆中，则可提高车辆的可靠性和安全性。

本实用新型提供一种用于燃料电池的张力板，其特征在于，包括：主体；下凸缘，位于所述主体的下边缘；上凸缘，位于所述主体的上边缘；其中，单个燃料电池包括至少两个张力板，所述下凸缘向所述燃料电池的第一端板的底面施加压力，所述上凸缘向所述燃料电池的第二端板的顶面施加压力，从而为所述燃料电池的第一端板和第二端板之间提供夹持力。

优选地，所述上凸缘与所述下凸缘之间的距离不小于所述第一端板与第二端板之间夹持的部件在电池堆所需的夹持力下的厚度以及所述第一端板厚度和所述第二端板厚度之和。

优选地，单个燃料电池包括分别设置在所述燃料电池相对两侧的两个张力板。

优选地，所述主体呈板状、网格状中的至少一种。

优选地，所述主体设置有通孔，以减轻所述张力板的重量并增强散热能力。

优选地，所述通孔的形状为圆形、半圆形、椭圆形、腰圆形、扇形、多边形中的至少一种。

优选地，所述通孔上还设置有风扇，以加快所述张力板内外两侧的气体流动。

优选地，所述上凸缘和所述下凸缘中的至少一者还设置有多个螺孔，采用穿过所述多个螺孔的螺栓向所述第二端板的顶面和/或所述第一端板的底面施加附加压力，通过调整螺栓的旋进深度调整所述燃料电池的夹持力。

优选地，所述主体还设置有加强筋。

优选地，所述主体、所述上凸缘以及所述下凸缘为一体式设计，所述张力板的热膨胀系数与所述燃料电池中所述张力板所夹持的部件的热膨胀系数相近。

根据本实用新型实施例的张力板，采用下凸缘与上凸缘相配合的夹持结构，下凸缘向第一端板的底面施加压力，上凸缘向第二端板的顶面施加压力，从而为第一端板和第二端板之间提供夹持力。下凸缘和上凸缘上还设置有多个螺孔，当张力板通过自身尺寸产生的夹持力不足时，可采用穿过多个螺孔的螺栓向第二端板的顶面和/或第一端板的底面施加附加压力，从而保证燃料电池所需的夹持力。这种紧固方式，和传统的螺杆紧固方式相比，节省了螺杆所占用的无效体积，相比较于传统螺杆紧固方式，体积减小了20％至50％左右，从而提高了电池堆和燃料电池系统的体积功率密度，同时，紧固更加均匀，防止端板压紧后产生微变形而挤压反应物的进口通道，从而减小了反应物进口压力，也因此减少了空压机功率损耗，提高了燃料电池系统效率。

进一步地，张力板的主体上还可以设置通孔以降低重量、节省材料、降低成本，设置的通孔还将张力板的内外两侧相连通，以增强燃料电池的散热能力，减小了燃料电池的温度变化范围，增强了燃料电池的可靠性。

进一步地，可通过多组相对设置的张力板实现燃料电池所需的夹持力，相邻两组张力板之间可以具有间隔，这使得张力板的横向尺寸可以更小，根据燃料电池尺寸及型号的不同调整所需的成组的张力板的数量，使设计和加工制造更加简单高效，提高了张力板的通用性，有利于燃料电池的小型化。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1为传统技术的燃料电池结构示意图。

图2和图3分别示出根据本实用新型第一实施例的燃料电池的分解状态和组装状态的立体结构示意图。

图4示出根据本实用新型第一实施例的张力板的立体示意图。

图5示出根据本实用新型第二实施例的张力板的立体示意图。

图6示出根据本实用新型第三实施例的张力板的立体示意图。

图7示出根据本实用新型第四实施例的张力板的立体示意图。

图8示出根据图7中A-A截面线进行截取的截面示意图。

图9和图10分别示出本实用新型实施例的张力板的不同的设置方式。

附图标记

100 燃料电池

110 第一端板

120 第二端板

131 第一绝缘板

132 第一电流集流体

133 重复部件

134 第二电流集流体

135 第二绝缘板

140 张力板

140a 主体

140b 加强筋

141 下凸缘

142 上凸缘

143 螺孔

144 通孔

150 接口板

210 端板

240 螺杆

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。

下面，参照附图对本实用新型进行详细说明。

图2和3分别示出根据本实用新型第一实施例的燃料电池的分解状态和组装状态的立体结构示意图。燃料电池100包括彼此相对的第一端板110和第二端板120，在二者之间依次堆叠第一绝缘板131、第一电流集流体132、重复部件(repeat part)133、第二电流集流体134、第二绝缘板135。如下文所述，第一端板110兼用作配流装置，用于向重复部件133中的双极板分配燃料流体、氧化气体和冷却介质。

重复部件133包括双极板(bipolar plate)以及夹在双极板之间的膜电极组件。双极板包括阳极极板和阴极极板以及夹在阳极极板和阴极极板中间的冷却层。燃料电池的电池堆例如包括堆叠在一起且彼此电连接的多个重复部件133以提高输出电压。

膜电极组件包括电解质膜，以及在电解质膜的第一表面(燃料流体侧)上依次堆叠的阳极催化剂层、阳极扩散层，在电解质膜的第二表面(氧化气体侧)上依次堆叠的阴极催化剂层、阴极扩散层。膜电极组件大致为矩形形状，在矩形的侧边部分形成沿堆叠方向延伸的燃料流体通道、氧化气体通道和冷却介质通道。阳极极板的第一表面与膜电极组件的阳极扩散层相对，在第一表面中形成有与燃料流体通道连接且横向延伸的流场，在与第一表面彼此相对的第二表面中形成有与冷却介质通道连接且横向延伸的流场。阴极极板的第一表面与膜电极组件的阴极扩散层相对，在第一表面中形成有与氧化气体通道连接且横向延伸的流场，在与第一表面彼此相对的第二表面中形成有与冷却介质通道连接且横向延伸的流场。

电解质膜是输送质子且具有使电子绝缘的功能的一种选择性渗透膜。电解质膜通过构成材料即离子交换树脂的种类，大体分为氟系电解质膜和烃系电解质膜。其中，氟系电解质膜因为具有C－F键(C－F结合)，所以耐热性或化学稳定性优异。例如，作为电解质膜，广泛使用以Nafion(注册商标，杜邦有限公司)的商品名得知的全氟磺酸膜。

阳极催化剂层含有担载有催化剂成分的电极催化剂及聚合物。电极催化剂具有促进将氢解离成质子及电子的反应(氢氧反应)的功能。电极催化剂例如具有在由碳等构成的导电性载体的表面担载有铂等催化剂成分的构造。

阴极催化剂层含有担载有催化剂成分的电极催化剂及聚合物。电极催化剂具有促进由质子和电子和氧生成水的反应(氧还原反应)的功能。电极催化剂例如具有在由碳等构成的导电性载体的表面担载有铂等催化剂成分的构造。

阳极扩散层和阴极扩散层分别由多孔疏松导电材料组成，例如多孔碳纸材料,阳极扩散层和阴极扩散层分别将燃料流体和氧化气体从流场的流道中均匀扩散到电解质膜催化层的两侧表面上，使燃料流体和氧化气体分别与阳极催化剂层和阴极催化剂层接触。

阳极极板的第一表面与膜电极组件的阳极扩散层接触，在第一表面中形成与燃料流体通道连接且横向延伸的流场流道，在与第一表面彼此相对的第二表面中形成有与冷却介质通道连接且横向延伸的流场流道。阳极极板的流场流道将燃料流体传送至膜电极组件的第一表面。阴极极板的第一表面与膜电极组件的阴极扩散层接触，在第一表面中形成与氧化气体通道连接且横向延伸的流场，在与第一表面彼此相对的第二表面中形成有与冷却介质通道连接且横向延伸的流场。阴极极板的流场流道将氧化气体传送至膜电极组件的第二表面。

在膜电极组件的阳极侧，燃料流体在膜电极组件的阳极催化剂层上通过电化学反应产生阳离子和电子，阳离子经由电解质膜迁移至阴极侧催化剂层，电子则经由阳极扩散层传导至阳极极板，然后经由外部电路从阳极侧传送至阴极侧，之后电子经由阴极极板传导至阴极扩散层，然后传导至阴极催化剂层，氧化气体在阴极催化剂层上与从阳极传递过来的电子结合形成形成阴离子，阴离子又与经由电解质膜迁移过来的阳离子结合生成水，从而形成电流回路。

第一电流集流体132与重复部件133的阳极极板彼此接触，二者均由导电材料组成，从而形成阳极侧的导电路径。第二电流集流体134与重复部件133的阴极极板彼此接触，二者均由导电材料组成，从而形成阴极侧的导电路径。第一电流集流体132和第二电流集流体134，可使用紫铜板、铝等导电性强的材料制成。在该实施例中，重复部件133的阳极极板和阴极极板兼有反应物流场装置、散热板、导电、支撑结构的作用，从而可以生产简化燃料电池的结构且减小燃料电池的体积。

第一绝缘板131位于第一电流集流体132和第一端板110之间，第二绝缘板135位于第二电流集流体134和第二端板120之间，从而将重复部件和电流集流体与第一端板110和第二端板120彼此隔离。在燃料电池100包括多个重复部件的情形下，多个重复部件堆叠在第一电流集流体132和第二电流集流体134之间。第一绝缘板131和第一电流集流体132的侧边部分分别形成有多个开口，与重复部件133的侧边部分的多个开口对齐，共同形成燃料流体通道、氧化气体通道和冷却介质通道。

燃料电池100进一步包括与第一端板110和第二端板120形成夹持装置的两个张力板140。两个张力板140位于燃料电池100的相对侧面，分别包括下凸缘141和上凸缘142。张力板140的下凸缘141与第一端板110的底面边缘接触，上凸缘142与第二端板120的顶面边缘接触，从而形成夹持装置，利用张力板140的上下凸缘向第一端板和第二端板施加压力，将第一绝缘板131、第一电流集流体132、重复部件133、第二电流集流体134、第二绝缘板135固定在一起。优选地，张力板140的上凸缘142具有多个螺孔143，采用穿过多个螺孔143的螺栓向第二端板120的表面施加附加的压力。优选地，在堆叠的各层之间设置密封垫，从而在固定堆叠各层的同时形成堆叠各层的密封。

在该实施例中，第一端板110兼用作配流装置。在第一端板中形成用于提供燃料流体的流入和流出通道的第一对歧管、用于提供氧化气体的流入和流出通道的第二对歧管、以及用于提供冷却介质的流入和流出通道的第三对歧管。在第一端板110和第二端板120固定在一起的情形下，第一端板110中的第一对歧管的顶开口端与重复部件133中的膜电极组件中的燃料流体通道对齐，第一端板110中的第二对歧管的顶开口端与重复部件133中的膜电极组件中的氧化气体通道对齐，第一端板110中的第三对歧管的顶开口端与重复部件133中的膜电极组件中的冷却介质通道对齐。第一端板110的端面上形成第一对歧管、第二对歧管和第三对歧管的侧开口端。

燃料电池100进一步与第一端板110的端面连接的两个接口板150。两个接口板150分别包括用于连接多个外部管路的多个管路接口。接口板150中的多个管路接口的开口端与第一端板110中的第一对歧管、第二对歧管和第三对歧管的开口端彼此对齐，从而实现彼此的连通。

根据第一实施例的燃料电池100，第一端板110不仅作为配流装置的部件，而且兼用作夹持装置的部件，张力板140不仅用于燃料电池100的侧面保护部件，而且兼用作夹持装置的部件，利用张力板的上下凸缘向第一端板110和第二端板120施加压力以固定燃料电池100的内部堆叠层，起到紧固作用，从而保证燃料电池所需的夹持力。此外，重复部件133的双极板兼有反应物流场装置、散热板、导电、支撑结构的作用。因此，根据第一实施例的燃料电池100可以减少燃料电池100中的部件数量。由于燃料电池100的部件数量减少以及结构设计优化，该实施例的燃料电池100可以减小燃料电池100的高度尺寸和横向尺寸，有利于燃料电池100的小型化以及提高可靠性。

如下文所述，本发明人进一步对张力板进行了详述及优化设计，以进一步适应各种结构及尺寸的燃料电池100的夹持需求，以提高燃料电池系统的体积功率密度。

图4中可见，本实用新型第一实施例的张力板采用了一体式设计，包括主体140a、下凸缘141和上凸缘142，具体地，主体140a例如为板状，下凸缘141和上凸缘142例如均与主体140a相垂直，下凸缘141和上凸缘142上具有多个螺孔143，螺孔143垂直于下凸缘141和上凸缘142，下凸缘141与上凸缘142之间的距离不小于燃料电池中第一端板110与第二端板120之间夹持的部件(第一绝缘板131、第一电流集流体132、重复部件133、第二电流集流体134、第二绝缘板135)在电池堆所需的夹持力下的厚度以及第一端板110厚度和第二端板120厚度之和。

进一步地，重复部件133中的双极板可以兼做集流体，重复部件133中的密封垫可以兼做绝缘板，从而可以省去第一绝缘板131、第一电流集流体132、第二电流集流体134、第二绝缘板135中的至少一个，从而进一步减少燃料电池100的部件数量，进一步优化燃料电池100的结构，有助于减小燃料电池100的高度尺寸和横向尺寸，有利于燃料电池100的小型化，提升其功率密度。

结合图3，采用相对设置的两个张力板140将燃料电池夹紧，当张力板140的下凸缘141与上凸缘142之间的距离恰好等于燃料电池中第一端板110与第二端板120之间夹持的部件在电池堆所需的夹持力下的厚度以及第一端板110厚度和第二端板120厚度之和时，该张力板通过下凸缘141与燃料电池中的第一端板110的底面边缘接触，上凸缘142与燃料电池中的第二端板120的顶面边缘接触，通过张力板140自身的尺寸，采用下凸缘141向所述第一端板110的底面施加压力，以及上凸缘142向所述第二端板120的顶面施加压力，为第一端板110和第二端板120之间提供夹持力。

当下凸缘141与上凸缘142之间的距离略大于燃料电池中第一端板110与第二端板120之间夹持的部件在电池堆所需的夹持力下的厚度以及第一端板110厚度和第二端板120厚度之和，靠张力板140自身尺寸无法提供足够的夹持力时，可采用穿过多个螺孔143的螺栓向第二端板120的顶面和/或第一端板110的底面施加附加的压力以保证第一端板110和第二端板120之间的夹持力，并可通过调整螺栓的旋进深度调整附加压力的大小。

主体140a上还设置有多个通孔144，通孔144例如为圆形，均匀排布在主体140a上，通过设置通孔144可以减轻张力板140的重量，并使得张力板140的内外两侧相连通，有利于燃料电池的散热。

图5和图6分别示出了本实用新型第二实施例以及第三实施例的张力板的示意图，其与第一实施例相同的部分在此不再赘述，第二实施例中的通孔144为矩形，类似地，通孔144的形状除了圆形、矩形外还可以为椭圆形、腰圆形、半圆形、扇形、三角形、多边形等其他形状，相应的，通孔144的数量以及排列方式也可根据具体情况进行变换，当通孔144足够多且密时，张力板140的主体140a即变为网格状，相比于板状结构具有更好的散热能力。参见第三实施例的张力板可见，下凸缘141与上凸缘142之间的距离H发生了变化，且相应的通孔144数量也发生了变化；具体地，如果燃料电池中包含的重复部件的数量不同，其需要夹持的部件的厚度也会不同，因此，张力板的下凸缘141与上凸缘142之间的距离需要根据燃料电池的实际情况进行调整，优选地，下凸缘141与上凸缘142之间的距离等于在所需夹持力下的夹持部件的厚度。

图7和8分别示出了本实用新型第四实施例的张力板的立体示意图和截面示意图，从截面图中可见，该第四实施例的张力板的内侧还设置有加强筋140b，通过设置加强筋140b，可以在保证主体140a强度的情况下，进一步降低主体140a的厚度，减轻重量的同时还可降低材料成本，进一步地，加强筋140b还可复用为散热鳍片，增强散热能力，还可在通孔144上设置风扇(图中未示出)，加强张力板内外两侧的气体流动。当然地，加强筋140b也可设置在主体140a的外侧，可根据实际情况调整加强筋140b的设置位置及数量等。

图9和10分别示出本实用新型实施例的张力板的不同的设置方式，如图8所示，若燃料电池的尺寸过长，可选用多组相对设置的张力板对燃料电池的需夹持部件进行夹持，相邻两组张力板邻接设置。同样地，如图9所示，燃料电池通过多组相对设置的张力板进行夹持，相邻两组张力板之间可具有一定间隙，该间隙可增强散热能力；此种设置方式使得同一张力板可适用于多种不同尺寸的燃料电池中，具有更强的通用性。进一步地，相邻两组的张力板还可交叉设置，使得在燃料电池侧面观察，相邻两张力板呈X形。由于燃料电池在工作状态和非工作状态时的温差较大，为了保证夹持不会因热胀冷缩失效发生泄漏，故张力板的材料选用热膨胀系数与燃料电池中张力板所夹持的部件的电池堆热膨胀系数相近的材料，以增强燃料电池的可靠性，防止泄漏发生。

在上述实施例中，描述了燃料电池100的张力板，张力板通过与端板进行配合，共同对燃料电池进行紧固，以实现电池堆所需要的夹持力，此种紧固方式与传统螺杆紧固方式相比，节省了螺杆所占用的无效体积，使得燃料电池的体积得以减小20％至50％，从而提高了电池堆和燃料电池系统的体积功率密度。

进一步地，使用本实用新型的张力板进行紧固，可以获得更加均匀的夹持力，可以有效防止端板压紧后发生微变形而挤压反应物的进口通道，使得反应物进口压力减小，也因此减少了空压机功率损耗，从而提高了燃料电池的系统效率。

应当说明的是，在本实用新型的描述中，所含术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非对实施例的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池的张力板，其特征在于，包括：

主体；

下凸缘，位于所述主体的下边缘；

上凸缘，位于所述主体的上边缘；

其中，单个燃料电池包括至少两个张力板，所述下凸缘向所述燃料电池的第一端板的底面施加压力，所述上凸缘向所述燃料电池的第二端板的顶面施加压力，从而为所述燃料电池的第一端板和第二端板之间提供夹持力。

2.根据权利要求1所述的张力板，其特征在于，所述上凸缘与所述下凸缘之间的距离不小于所述第一端板与第二端板之间夹持的部件在电池堆所需的夹持力下的厚度以及所述第一端板厚度和所述第二端板厚度之和。

3.根据权利要求1所述的张力板，其特征在于，单个燃料电池包括分别设置在所述燃料电池相对两侧的两个张力板。

4.根据权利要求1所述的张力板，其特征在于，所述主体呈板状、网格状中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的张力板，其特征在于，所述主体设置有通孔，以减轻所述张力板的重量并增强散热能力。

6.根据权利要求5所述的张力板，其特征在于，所述通孔的形状为圆形、半圆形、椭圆形、腰圆形、扇形、多边形中的至少一种。

7.根据权利要求5所述的张力板，其特征在于，所述通孔上还设置有风扇，以加快所述张力板内外两侧的气体流动。

8.根据权利要求1所述的张力板，其特征在于，所述上凸缘和所述下凸缘中的至少一者上还设置有多个螺孔，采用穿过所述多个螺孔的螺栓向所述第二端板的顶面和/或所述第一端板的底面施加附加压力，通过调整螺栓的旋进深度调整所述燃料电池的夹持力。

9.根据权利要求1所述的张力板，其特征在于，所述主体还设置有加强筋。

10.根据权利要求1所述的张力板，其特征在于，所述主体、所述上凸缘以及所述下凸缘为一体式设计，所述张力板的热膨胀系数与所述燃料电池中所述张力板所夹持的部件的热膨胀系数相近。

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