CN212848508U - 一种质子交换膜燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种质子交换膜燃料电池堆。所述电池堆包括第一端板、第二端板、冷却机构及多个单电池，多个单电池设于所述第一端板和第二端板之间，且多个单电池堆叠设置，每个单电池包括阳极板、阴极板和设于所述阳极板和阴极板之间的膜电极，冷却机构包括冷却液进通道、冷却液出通道和冷却液流道，相邻两个单电池之间设有冷却液流道，每个冷却液流道均连通所述冷却液进通道和冷却液出通道。本实用新型能够提高电池堆效率及功率，提高电池堆的稳定性，并延长质子交换膜电池堆的使用寿命。

Description

一种质子交换膜燃料电池堆

技术领域

本实用新型属于质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种应用于船舶动力推进系统的质子交换膜燃料电池堆。

背景技术

随着国际海事组织在船舶排放方面制定越来越严格的标准，加上石油资源逐渐耗尽，内燃机将逐步退出历史舞台，而绿色环保的电力推进系统将成为未来船舶动力发展的方向。迄今为止的船舶电力推进，仍以热机发电为主，如以柴油发电机、汽轮发电机或燃气轮发电机为主。虽然热机电力推进(包括汽轮机电力推进)有不少优点，其应用也相当广泛，但其振动和噪音较大，并且会引起空气和水域的污染。

燃料电池用作电力推进的动力源，能够避免上述电力推进系统的缺点。燃料电池是一种能把化学能直接转换为电能的能量转化装置，燃料电池系统由电池本体、燃料、氧化剂及其存储器构成。燃料电池电力推进船，具有发电效率高、自动化程度高、船员人数少、营运成本降低的优点，对船员而言，船体振动小、噪音低、居住条件好、保养方便、工作压力及心理负担减小，同时，对社会而言，节能、废气公害少、环境保护好。对船厂今后的流程分析,生产系统化,模块化,省力,省工期，它的独特优点已被世界航运界所关注。

到目前为止，目前国内交通领域用燃料电池处于小规模应用阶段，商业化推广才刚起步；主流的电池堆以30-60kW的功率等级为主，主要面向市内交通用大巴、公司通勤小巴和轻型物流车等市场。适用于船舶及远途重载货运卡车的大功率的燃料电池电池堆，因为其功率大，从而所需膜电极面积大、体积大、组件多、技术复杂，目前存在功率密度低、散热差、稳定性差和寿命短等缺点。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种质子交换膜燃料电池堆，从而克服现有技术的不足。

为实现前述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案包括：一种质子交换膜燃料电池堆，所述质子交换膜燃料电池堆包括第一端板、第二端板、冷却机构及多个单电池，所述多个单电池设于所述第一端板和第二端板之间，且多个所述单电池堆叠设置，每个单电池包括阳极板、阴极板和设于所述阳极板和阴极板之间的膜电极，所述冷却机构包括冷却液进通道、冷却液出通道和冷却液流道，相邻两个单电池之间设有冷却液流道，每个冷却液流道均连通所述冷却液进通道和冷却液出通道。

优选地，每个单电池上均设有冷却液入口和冷却液出口，相邻两个单电池中，两个所述冷却液入口相连通，两个所述冷却液出口相连通，多个所述冷却液入口形成所述冷却液进通道，多个所述冷却液出口形成所述冷却液出通道，所述冷却液流道连通所述冷却液入口和冷却液出口。

优选地，相邻两个单电池中，一个单电池的阴极板上设有流道凹槽，该流道凹槽与另一个单电池的阳极板形成所述冷却液流道；或者

相邻两个单电池中，一个单电池的阳极板上设有流道凹槽，该流道凹槽与另一个单电池的阴极板形成所述冷却液流道；或者

相邻两个单电池中，一个单电池的阳极板上设有流道半槽，另一个单电池的阴极板上设有流道半槽，两个流道半槽形成所述冷却液流道。

优选地，所述阳极板和阴极板均为石墨材质制成的极板。

优选地，每个单电池上设有氢气进口、氢气出口及连通所述氢气进口和所述氢气出口的氢气流道，相邻两个单电池中，两个所述氢气进口相连通，两个所述氢气出口相连通，多个所述氢气进口连通形成氢气进通道，多个所述氢气出口连通形成氢气出通道。

优选地，每个单电池中，阳极板与膜电极相接触的端面上设置所述氢气流道。

优选地，每个单电池上设有空气进口、空气出口及连通所述空气进口和所述空气出口的空气流道，相邻两个单电池中，两个所述空气进口相连通，两个所述空气出口相连通，多个所述空气进口连通形成空气进通道，多个所述空气出口连通形成空气出通道。

优选地，每个单电池中，阴极板与膜电极相接触的端面上设置所述空气流道。

优选地，所述第一端板与相邻的单电池之间设有第一集流板和第一绝缘件，所述第一集流板与第一端板之间设有所述第一绝缘件，所述第二端板与相邻的单电池之间设有第二集流板和第二绝缘件，所述第二集流板与第二端板之间设有第二绝缘件。

优选地，所述膜电极包括碳纸、质子交换膜和封边边框，所述质子交换膜的两侧分别设有阳极催化剂和阴极催化剂，所述封边边框环绕质子交换膜的周边设置，且所述封边边框夹住涂布有催化剂的质子膜的四周边缘，所述碳纸设于质子交换膜的两侧，并且质子交换膜被封边边框环绕、涂有催化剂的位置处设置所述碳纸。

与现有技术相比较，本实用新型的有益效果至少在于：

(1)本实用新型所述的质子交换膜燃料电池堆，通过采用高效膜电极提高了电池堆效率及功率。

(2))本实用新型所述的质子交换膜燃料电池堆，通过在电池堆内部采用冷却结构，对电池堆起到加热或冷却的作用，以保证电池堆工作温度的稳定，提高电池堆效率和寿命。

(3)本实用新型所述的质子交换膜燃料电池堆，采用导电性好，性质稳定的石墨双极板，避免双极板腐蚀，有效延长了质子交换膜电池堆的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实用新型中记载的一些实施例，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他的附图。

图1是本实用新型的爆炸示意图；

图2是图1中阳极板的一端面示意图；

图3是图2中阳极板的相对端面示意图；

图4是图1中阴极板的一端面示意图；

图5是图4中阴极板的相对端面示意图。

具体实施方式

通过应连同所附图式一起阅读的以下具体实施方式将更完整地理解本实用新型。本文中揭示本实用新型的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本实用新型的示范性，本实用新型可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本实用新型的代表性基础。

如图1所示，为本实用新型所揭示的一种质子交换膜燃料电池堆，包括第一端板1、第二端板12和多个单电池，其中，第一端板1和第二端板12间隔设置，多个单电池位于第一端板1和第二端板12之间，并且多个单电池堆叠设置，形成单电池组9，单电池的数量可依据目标电池堆功率决定。第一端板1和第二端板12可对单电池组进行支撑，并通过连接第一端板1和第二端板12的螺杆或者金属绑带实现第一端板1、单电池组9和第二端板12组成一个整体，即质子交换膜燃料电池堆。本实施例中，第一端板1和第二端板12用于固定支撑电池组，以形成稳定的电池堆，其可以由金属材质制成，金属包括但不限于不锈钢、铝合金、铜，当然，其也可以由非金属制成，非金属包括但不限于陶瓷或高分子聚合物，如PP、PC、PVC、POM、ABS、PTFE等。

进一步地，当第一端板1和第二端板12采用金属材质制成时，第一端板1与相邻的单电池之间设有第一绝缘件2，第二端板12与相邻的单电池之间设有第二绝缘件11，第一绝缘件2和第二绝缘件11起到绝缘作用，防止质子交换膜燃料电池堆漏电及断路。当然，当第一端板1和第二端板12采用非金属材质时，第一端板1与相邻的单电池之间、第二端板12与相邻的单电池之间同样也可以设置绝缘件。本实施例中，第一绝缘件2和第二绝缘件11均采用绝缘材料制成，绝缘材料包括但不限于陶瓷或者高分子聚合物，可根据实际需求进行选择。

更进一步地，第一端板1与相邻的单电池之间还设有第一集流板3，第一集流板3与第一端板1之间设有所述第一绝缘件2，第二端板12与相邻的单电池之间设有第二集流板10，第二集流板10与第二端板12之间设有第二绝缘件11，第一集流板3和第二集流板10均用于收集电流，如第一集流板3与电池组的阳极板4相接触，收集阳极板4形成的电流，第二集流板10与电池组的阴极板8相接触，收集阴极板8形成的电流，起到电池组正负极的作用，方便外接电路。本实施例中，第一集流板3和第二集流板10均采用金属材质制成，金属包括但不限于铜、铝和合金。

结合图1～图3所示，每个单电池包括阳极板4、阴极板8和膜电极6，膜电极6设于阳极板4和阴极板8之间，阳极板4与膜电极6之间、阴极板8与膜电极6之间均设有密封件(分别记为第一密封件5和第二密封件7)，以提高单电池的密封性。为提高质子交换膜燃料电池堆的使用寿命，阳极板4和阴极板8均采用石墨材质制成的极板，其形状和尺寸可根据不同的工况和功率针对设计。

进一步地，每个单电池上设有氢气进口a、氢气出口b及连通氢气进口a和氢气出口b的氢气流道M，氢气流道M呈波浪形，最终可形成氢气流场。相邻两个单电池中，两个氢气进口a相连通，两个氢气出口b相连通，多个氢气进口a连通形成氢气进通道，多个氢气出口b连通形成氢气出通道，第一端板或第二端板上设有分别与氢气进通道和氢气出通道相连通的氢气入接口和氢气出接口。实施时，氢气通过氢气入接口通入氢气进通道中，氢气进通道中的氢气通过氢气进口a进入相应的单电池内部，使得每个单电池内部的氢气流道中均存在氢气，氢气进一步均匀分布在膜电极6阳极侧的催化剂层上，并在催化剂的作用下分解成氢离子和电子，而未反应的氢气则汇集到氢气出通道中并通过氢气出接口排出。

本实施例中，每个单电池中，单电池的边缘位置处设置氢气进口a和氢气出口b，如单电池的一端设置氢气进口a，相对端设置氢气出口b，当然，在其他实施例中，可根据实际需求设置氢气进口a和氢气出口b的位置；阳极板4与膜电极6相接触的端面上设置所述波浪形的氢气流道，相对端面为光洁平面，氢气流道的两端汇集到氢气进通道和氢气出通道。

进一步地，每个单电池上设有空气进口c、空气出口d及连通空气进口c和空气出口d的空气流道N，空气流道N呈波浪形，最终可形成空气流场。相邻两个单电池中，两个空气进口c相连通，两个空气出口d相连通，多个空气进口c连通形成空气进通道，多个空气出口d连通形成空气出通道，第一端板或第二端板上设有分别与空气进通道和空气出通道相连通的空气入接口和空气出接口。实施时，空气通过空气入接口空通入空气进通道中，空气进通道中的空气通过空气进口c进入相应的单电池内部，使得每个单电池内部的空气流道中均存在空气，空气进一步均匀分布在膜电极6阴极侧的催化剂层上，其中的氧气与在膜电极6阳极侧的催化剂层上产生、经质子交换膜传导到阴极的氢离子反应，形成水。而未反应的空气汇集到空气出通道中并通过空气出接口排出，同时带走一部分反应形成的水。

本实施例中，每个单电池中，单电池的边缘位置处设置空气进口c和空气出口d，如单电池的一端设置空气进口c，相对端设置空气出口d，当然，在其他实施例中，可根据实际需求设置空气进口c和空气出口d的位置；阴极板8与膜电极6相接触的端面上设置所述波浪形的空气流道，空气流道的两端汇集到氢气进通道和氢气出通道。

结合图1、图4和图5所示，为了提高质子交换膜燃料电池堆的稳定性，在质子交换膜燃料电池堆内设有冷却机构，冷却机构可对质子交换膜燃料电池堆进行加热或者冷却处理，也就是说冷却机构并不限于向质子交换膜燃料电池堆内通入冷却液，以对质子交换膜燃料电池堆进行降温处理也可以向交换膜燃料电池堆内通入加热液，以对质子交换膜燃料电池堆进行升温处理，进而保证质子交换膜燃料电池堆工作温度的稳定，提高质子交换膜燃料电池堆的效率。具体地，冷却机构包括冷却液进通道、冷却液出通道和冷却液流道，相邻两个单电池之间设有冷却液流道，每个冷却液流道均连通冷却液进通道和冷却液出通道。实施时，将冷却液通入冷却液进通道中，冷却液进一步进入每个冷却液流道中，在每个冷却液流道中流经后流入冷却液出通道中，在冷却液通道中汇集，最终通过冷却液出通道排出。

进一步地，每个单电池上均设有冷却液入口e和冷却液出口f，相邻两个单电池中，两个冷却液入口e相连通，两个冷却液出口f相连通，多个冷却液入口e形成冷却液进通道，多个冷却液出口f形成冷却液出通道，第一端板或第二端板上设有分别与冷却液进通道和冷却液出通道相连通的冷却液入接口和冷却液出接口。相邻两个单电池中，冷却液流道的一端与冷却液入口e连通，相对端与冷却液出口f连通，以实现冷却液流道连通冷却液进通道和冷却液出通道。

如图5所示，相邻两个单电池中，一个单电池的阴极板8上设有呈环形的流道凹槽P，该流道凹槽P与另一个单电池的阳极板4的光洁平面紧密贴合，形成封闭的冷却液流道，避免冷却液在冷却液流道之间的反混以及冷却液的泄漏，或者一个单电池的阳极板4上设有呈环形的流道凹槽，该流道凹槽与另一个单电池的阴极板8的光洁平面紧密贴合，形成封闭的冷却液流道，避免冷却液在冷却液流道之间的反混以及冷却液的泄露，或者一个单电池的阳极板4上设有流道半槽，另一个单电池的阴极板8上设有流道半槽，两个流道半槽形成所述冷却流道。实施时，可根据实际需求进行选择。本实施例中，以阴极板8上设置流道凹槽为最佳。

如图1所示，膜电极6包括碳纸(图未示)、质子交换膜(图未示)和封边边框(图未示)，质子交换膜的两侧分别设有阳极催化剂和阴极催化剂，其中，阳极催化剂和阴极催化剂采用精密涂布技术或者超声喷涂技术，均匀分布在质子交换膜上，质子交换膜的面积和形状与氢气流道形成的氢气流场或氧气流道形成的氧气流场相对应。

封边边框用于对质子交换膜进行封边处理，其包括两片贴合在一起的薄膜边框，实施时，封边边框环绕质子交换膜的周边设置，并且两片薄膜边框的内缘，夹住涂布有催化剂的质子膜的四周边缘，并贴合在一起形成一个整体，对涂布有催化剂的质子膜起到支撑的作用，封边边框的外边缘与阳极板4/阴极板8外边缘形状相同。另外，在封边边框上，对应阳极板4、阴极板8上氢气、空气、冷却液进出通道的位置，开有相同形状和大小的孔。本实施例中，封边边框采用高分子聚合物膜，高分子聚合物膜包括但不限于PI膜、PU膜、PET膜、硅橡胶膜等。

碳纸设于质子交换膜的两侧，并且质子交换膜被封边边框环绕、涂有催化剂的位置处设置所述碳纸，碳纸与质子交换膜贴合于一起，用于气体分布、水传导和导电。

本实用新型所述的质子交换膜燃料电池堆在装配时，所述的质子交换膜电池堆从一端开始，按装配顺序为：第一端板1、第一绝缘件2、第一集流板3、多个堆叠设置的单电池(单电池包括依次设置的阳极板4、密封圈、膜电极6、密封圈和阴极板8)、第二集流板10、第二密封件和第二端板12，所有部件经过压合、测漏后，由连接第一端板1和第二端板12的螺杆或者金属绑带实现第一端板1、多个单电池和第二端板12组成一个整体，即质子交换膜燃料电池堆。质子交换膜燃料电池堆在使用时，氢气经氢气进通道进入每一片阳极板4的氢气流场，均匀分布在整个膜电极6的阳极侧催化剂层上，在阳极催化剂的催化作用下，分解成氢离子和电子，未反应的氢气汇集到氢气出通道排出。空气经空气进通道进入每一片石墨阴极板8的空气流场，均匀分布在整个膜电极6的阴极侧催化剂层上，其中的氧气与在膜电极6的阳极侧催化剂层上产生的、经质子交换膜传导到阴极侧催化剂层的氢离子反应形成水，未反应的氢气汇集到空气出口d通道排出，同时带走一部分反应形成的水。冷却液经冷却液入通道，进入每两个单电池之间的冷却液流道，对电池堆起到加热或冷却的作用，以保证电池堆工作温度的稳定，提高电池堆效率和寿命。

本实用新型所述的质子交换膜燃料电池堆在实施时，第一端板1和第二端板12采用铝合金材质制成的端板，尺寸优选440mm×75mm×10mm(L×W×T)，第一绝缘件2和第二绝缘件11采用POM(聚甲醛树脂)材质制成，尺寸为450mm×75mm×10mm(L×W×T)，阳极板4尺寸为450mm×75mm×1mm(L×W×T)，阴极板8尺寸为450mm×75mm×1.5mm(L×W×T)，膜电极6尺寸为450mm×75mm(L×W)，每片有效面积为200cm²。整个电池堆包含165组单电池，按照顺序将第一端板1、第一绝缘件2、第一集流板3、多个堆叠设置的单电池、第二集流板10、第二密封件和第二端板12依次堆叠，形成质子交换膜燃料电池堆。电池堆的总功率可达40kw，总体积为13.5L。当然，可根据实际所需的总功率，通过设置相应数量的单电池，以达到相应总功率。

本实用新型所述的质子交换膜燃料电池堆，通过采用高效膜电极6提高电池堆效率及功率，并采用电池堆内部冷却结构，提高电池堆的稳定性，同时采用导电性好，性质稳定的石墨双极板，以增加延长质子交换膜电池堆的使用寿命。

本实用新型的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本实用新型，本实用新型的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本实用新型的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。

在本实用新型案中标题及章节的使用不意味着限制本实用新型；每一章节可应用于本实用新型的任何方面、实施例或特征。

在本实用新型案通篇中，在将组合物描述为具有、包含或包括特定组份之处或者在将过程描述为具有、包含或包括特定过程步骤之处，预期本实用新型教示的组合物也基本上由所叙述组份组成或由所叙述组份组成，且本实用新型教示的过程也基本上由所叙述过程步骤组成或由所叙述过程步骤组组成。

除非另外具体陈述，否则术语“包含(include、includes、including)”、“具有(have、has或having)”的使用通常应理解为开放式的且不具限制性。

尽管已参考说明性实施例描述了本实用新型，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本实用新型的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本实用新型的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本实用新型的教示。因此，本文并不打算将本实用新型限制于用于执行本实用新型的所揭示特定实施例，而是打算使本实用新型将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。此外，除非具体陈述，否则术语第一、第二等的任何使用不表示任何次序或重要性，而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池堆包括第一端板、第二端板、冷却机构及多个单电池，所述多个单电池设于所述第一端板和第二端板之间，且多个所述单电池堆叠设置，每个单电池包括阳极板、阴极板和设于所述阳极板和阴极板之间的膜电极，所述冷却机构包括冷却液进通道、冷却液出通道和冷却液流道，相邻两个单电池之间设有冷却液流道，每个冷却液流道连通所述冷却液进通道和冷却液出通道。

2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，每个单电池上均设有冷却液入口和冷却液出口，相邻两个单电池中，两个所述冷却液入口相连通，两个所述冷却液出口相连通，多个所述冷却液入口形成所述冷却液进通道，多个所述冷却液出口形成所述冷却液出通道，所述冷却液流道连通所述冷却液入口和冷却液出口。

3.根据权利要求1或2所述的质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，相邻两个单电池中，一个单电池的阴极板上设有流道凹槽，该流道凹槽与另一个单电池的阳极板形成所述冷却液流道；或者

相邻两个单电池中，一个单电池的阳极板上设有流道凹槽，该流道凹槽与另一个单电池的阴极板形成所述冷却液流道；或者

相邻两个单电池中，一个单电池的阳极板上设有流道半槽，另一个单电池的阴极板上设有流道半槽，两个流道半槽形成所述冷却液流道。

4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，所述阳极板和阴极板均为石墨材质制成的极板。

5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，每个单电池上设有氢气进口、氢气出口及连通所述氢气进口和所述氢气出口的氢气流道，相邻两个单电池中，两个所述氢气进口相连通，两个所述氢气出口相连通，多个所述氢气进口连通形成氢气进通道，多个所述氢气出口连通形成氢气出通道。

6.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，每个单电池中，阳极板与膜电极相接触的端面上设置所述氢气流道。

7.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，每个单电池上设有空气进口、空气出口及连通所述空气进口和所述空气出口的空气流道，相邻两个单电池中，两个所述空气进口相连通，两个所述空气出口相连通，多个所述空气进口连通形成空气进通道，多个所述空气出口连通形成空气出通道。

8.根据权利要求7所述的质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，每个单电池中，阴极板与膜电极相接触的端面上设置所述空气流道。

9.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，所述第一端板与相邻的单电池之间设有第一集流板和第一绝缘件，所述第一集流板与第一端板之间设有所述第一绝缘件，所述第二端板与相邻的单电池之间设有第二集流板和第二绝缘件，所述第二集流板与第二端板之间设有所述第二绝缘件。

10.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，所述膜电极包括碳纸、质子交换膜和封边边框，所述质子交换膜的两侧分别设有阳极催化剂和阴极催化剂，所述封边边框环绕质子交换膜的周边设置，且所述封边边框夹住涂布有催化剂的质子膜的四周边缘，所述碳纸设于质子交换膜的两侧，并且质子交换膜被封边边框环绕、涂有催化剂的位置处设置所述碳纸。

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