CN212517258U - 风冷燃料电池单元 - Google Patents

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王科锋
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Abstract

本实用新型涉及风冷燃料电池单元，包括由下至上依次叠设的第一双极板、膜电极组件、第二双极板、第三双极板，第一双极板的下侧面设有第一散热流道，上侧面设有与所述膜电极组件配合的氢气流场；第二双极板的下侧面设有氧气流场，上侧面设有第二散热流道；第三双极板的上侧面设有与另一膜电极组件配合的氢气流场，下侧面设有第三散热流道，第三散热流道与第二散热流道相对设置以形成供空气流通的散热通道。本实用新型将反应所需的空气与散热所需的空气的通道隔离开设置，含有杂质的空气仅作为散热用，不再与质子交换膜接触，避免对质子交换膜产生影响。

Description

风冷燃料电池单元
技术领域
本实用新型涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种风冷燃料电池单元。
背景技术
燃料电池是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化成电能的化学装置。按电解质性质，燃料电池可细分为有碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固态氧化物燃料电池(SOFC)。其中，质子交换膜燃料电池发电是直接将燃料的化学能转变为电能，步骤少、效率高，近年来发展迅速。
质子交换膜燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池包括阳极、阴极和质子交换膜，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，质子交换膜作为传递氢离子的介质，只允许氢离子通过，而H2失去的电子则从导线通过。工作时相当于一直流电源，阳极即电源负极，阴极即电源正极。
如授权公告号CN104157895B的中国发明专利公开的一种聚合物电解质膜燃料电池轻型电堆及其制造方法，该电堆包括金属双极板及膜电极，两金属双极板之间放置一膜电极。金属双极板采用一片金属波纹板和一片金属平板连接成，金属波纹板和金属平板上均无冲压流场，依靠波纹板的隆起构成阴极空气的流道，同时通过空气对流兼顾散热目的，这也即是风冷式燃料电池。
申请公布号CN106848362A的中国发明专利公开了一体化金属石墨复合双极板燃料电池轻型电堆及其制造方法，针对上一专利的电堆中平板金属板无流场存在的一些问题，进行了优化设计。该专利的电堆主要包括膜电极、双极板、端板、燃料气体进出管道，双极板为金属波纹板和石墨板构成的一体化金属-石墨复合双极板，金属波纹板为阴极板，其上设有氧气流场，凸起的脊同时兼顾散热肋片；石墨板作为阳极板，其一侧设有氢气流场。
上述专利涉及的电堆，其中波纹板一侧与膜电极接触，既能通过空气提供氧气，又能起到散热作用。但是，由于空气中含有较多杂质，特别是大气污染严重的地区。空气直接与膜电极接触以提供氧气，空气质量会严重影响质子交换膜的使用寿命，而膜电极组件又是燃料电池的核心部件，且价格昂贵。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种风冷燃料电池单元，以解决供氧和散热所需空气都在同一流道导致空气质量影响质子交换膜使用寿命的问题。
为实现上述目的，本实用新型风冷燃料电池单元采用如下技术方案：风冷燃料电池单元，包括由下至上依次叠设的第一双极板、膜电极组件、第二双极板、第三双极板，第一双极板的下侧面设有第一散热流道，上侧面设有与所述膜电极组件配合的氢气流场；
第二双极板的下侧面设有氧气流场，上侧面设有第二散热流道；
第三双极板的上侧面设有与另一膜电极组件配合的氢气流场，下侧面设有第三散热流道，第三散热流道与第二散热流道相对设置以形成供空气流通的散热通道。
进一步的，所述第一散热流道、第二散热流道、第三散热流道均是包括有数个沿前后贯通的长槽。
进一步地，所述长槽为矩形槽。
进一步地，所述氢气流场包括氢气流道及连通氢气流道两端头的氢气进孔、氢气出孔。
进一步地，氢气进孔、氢气出孔在相应的双极板上对角分布，且分别用于连通氢气进气管、氢气出气管。
进一步地，所述氧气流场包括氧气流道及连通氧气流道两端头的氧气进孔、氧气出孔，氧气进孔、氧气出孔在相应的双极板上对角分布，且与氢气进孔、氢气出孔错开布置。
进一步地，第一双极板、第二双极板及第三双极板是石墨板或金属板。
本实用新型的有益效果：本实用新型的电池单元，膜电极组件设置在第一双极板和第二双极板之间，第一双极板靠近膜电极组件的一侧设置氢气流场，第二膜电极组件靠近膜电极组件的一侧设置氧气流场，第三双极板和第二双极板之间不再放置另一膜电极组件，而是形成空气通道，以进行散热。反应所需的空气与散热所需的空气，经由两个不同的通道，含有杂质的空气仅作为散热用，不再与质子交换膜接触，避免对质子交换膜产生影响。
附图说明
图1是本实用新型的实施例1的立体结构示意图；
图2是本实用新型的实施例1的主视示意图；
图3是图1中第一双极板的结构示意图；
图4是图1中第二双极板的结构示意图。
图中各标记对应的名称：1、第一双极板，11、第一散热流道，2、膜电极组件，3、第二双极板，31、第二散热流道，32、氧气进孔，33、氧气出孔，4、第三双极板，41、第三散热流道，42、氢气进孔，43、氢气流道，44、氢气出孔，5、散热通道。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型的实施例1：如图1-图4所示，实施例中各不同对象是按适于说明的比例、尺寸、变形量或位移量而描绘，而非按实际组件的比例予以绘制。
风冷燃料电池单元，包括由下至上依次叠设的第一双极板1、膜电极组件2、第二双极板3、第三双极板4，膜电极组件属于现有技术，其包括质子交换膜、电极、催化剂。第一双极板1、第二双极板3及第三双极板4采用金属板，金属板可以是不锈钢薄板，铝合金薄板等。
第一双极板1的下侧面设有第一散热流道11，上侧面设有与所述的膜电极组件配合的氢气流场。
第二双极板3的下侧面设有氧气流场，上侧面设有第二散热流道31；
第三双极板4的上侧面设有与另一膜电极组件(图中未示出)配合的氢气流场，下侧面设有第三散热流道41，第三散热流道41与第二散热流道31相对设置以形成多个供空气流通的散热通道5。第三双极板4与第一双极板1结构相同。
第一散热流道11、第二散热流道31、第三散热流道41均是包括有数个沿前后贯通的长槽，长槽为矩形槽，散热流道所在一侧的造型类似瓦楞板。金属的散热流道可以机械加工制得，例如铣槽，或者冲压成型等。
氢气流场包括氢气流道43及连通氢气流道43两端头的氢气进孔42、氢气出孔44。氢气流场可以是平直流场、蛇形流场等，氢气流道43的造型设计不是本实用新型的创新点。氢气进孔42、氢气出孔44在相应的双极板上对角分布，且分别用于连通氢气进气管、氢气出气管。将本实施例的数个电池单元串联组装起来，形成电堆后，才会用到氢气进气管、氢气出气管，反应所需氢气通过氢气进气管分流进入到氢气流场，反应多余的氢气从氢气出孔44排出。这个原理与现有技术相同。
氧气流场包括氧气流道及连通氧气流道两端头的氧气进孔32、氧气出孔33，氧气进孔32、氧气出孔33在相应的双极板上对角分布，且与氢气进孔42、氢气出孔44错开布置。所谓的错开分布，也即从整个电池单元的竖向的投影图上看，氢气进孔42、氢气出孔44、氧气进孔32、氧气出孔33呈矩形分布，分别位于矩形的一角。氧气进孔32、氧气出孔33分别用于连通氧气进气管、氧气出气管。氧气进气管、氧气出气管类似氢气进气管、氢气出气管，原理一样，只不过是通过不同的气体。
为便于理解，本实用新型现对于现有技术，就是把第二双极板3上的本来朝向膜电极组件2的第二散热流道31，朝向第三双极板4的第三散热流道41设置。然后在第二双极板3另一侧面设置氧气流场(本来这一侧是设置的与另一个膜电极组件配合的氢气流场)，进一步设置氧气进孔32、氧气出孔33，通过氧气进气管可以提供过滤后的干净空气或氧气，供反应所需，反应后的空气或氧气通过氧气出孔33排出。散热所需的空气，是经过各散热通道5流通。这样设置，使得反应所需的空气与散热所需的空气，经由两个不同的通道，含有杂质的空气不再与质子交换膜接触，避免对质子交换膜产生影响。
本实施例以一个电池单元说明，将数个该单元叠放串联起来，即可组装成一个电堆，数量根据电压需求而定。当然，本实用新型这样设置以后，在相同电压情况下，电堆厚度会增大些，这种类型的电堆主要用在汽车等领域。
本实用新型的实施例2：
本实施例与实施例1的区别仅在于，双极板材质不同，本实施例中，双极板采用石墨板，石墨板上的氢气流场或氧气流场以及散热流道的造型，通过模压工艺成型。
上述实施例中的双极板是一体的金属板或石墨板。当然，其他实施例中，也可采用金属-石墨复合的双极板。
其他实施例中，双极板上的散热流道也可采用其他造型，来代替数个矩形槽，例如波纹板型。

Claims (7)

1.风冷燃料电池单元，其特征在于：包括由下至上依次叠设的第一双极板、膜电极组件、第二双极板、第三双极板，第一双极板的下侧面设有第一散热流道，上侧面设有与所述膜电极组件配合的氢气流场；
第二双极板的下侧面设有氧气流场，上侧面设有第二散热流道；
第三双极板的上侧面设有与另一膜电极组件配合的氢气流场，下侧面设有第三散热流道，第三散热流道与第二散热流道相对设置以形成供空气流通的散热通道。
2.根据权利要求1所述的风冷燃料电池单元，其特征在于：所述第一散热流道、第二散热流道、第三散热流道均是包括有数个沿前后贯通的长槽。
3.根据权利要求2所述的风冷燃料电池单元，其特征在于：所述长槽为矩形槽。
4.根据权利要求1所述的风冷燃料电池单元，其特征在于：所述氢气流场包括氢气流道及连通氢气流道两端头的氢气进孔、氢气出孔。
5.根据权利要求4所述的风冷燃料电池单元，其特征在于：氢气进孔、氢气出孔在相应的双极板上对角分布，且分别用于连通氢气进气管、氢气出气管。
6.根据权利要求5所述的风冷燃料电池单元，其特征在于：所述氧气流场包括氧气流道及连通氧气流道两端头的氧气进孔、氧气出孔，氧气进孔、氧气出孔在相应的双极板上对角分布，且与氢气进孔、氢气出孔错开布置。
7.根据权利要求1至6任一项所述的风冷燃料电池单元，其特征在于：第一双极板、第二双极板及第三双极板是石墨板或金属板。
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