CN212874552U - 燃料电池电堆 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种燃料电池电堆，其包括第一端板、第二端板、第一集流板、集流板结构及相分离布置第一电堆和第二电堆，第一集流板贴紧于第一电堆和第二电堆的第一侧，集流板结构贴紧于第一电堆和第二电堆的第二侧，第一端板与第二端板将第一集流板、第一电堆、第二电堆、集流板结构压紧装配成燃料电池电堆，第一电堆和第二电堆各包括多个循环交替叠加双极板和膜电极，集流板结构为一整体式结构或为一分体式结构，第一电堆的双极板与第二电堆的双极板在集流板结构为分体式结构时呈反向装配布置，第一电堆的双极板与第二电堆的双极板在集流板结构为整体式结构时呈同向装配布置。本实用新型的燃料电池电堆的结构紧凑且能保证反应正常进行。

Description

燃料电池电堆

技术领域

本实用新型涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池电堆。

背景技术

现有的燃料电池电堆主要由端板、集流板、双极板及膜电极等部件堆叠组装而成。双极板和膜电极形成的层合结构构成一个单电池，双极板两侧分别设有燃料流场和氧化剂流场，燃料流场侧为负极侧，氧化剂流场侧为正极侧，一个燃料电池是由多个单电池堆叠而成的，在电路上相当于单电池的串联，通过电堆两端的正、负集流板输出电能。由于燃料电池电堆所能串联的单电池数量受进出气口直径、进出气腔室大小、极板流场等限制，会有一个较为明显的数量限制。燃料电池电堆所串联的单电池超过所允许的最大数量后，便有可能造成局部燃料供应不足、气体分布不均、单电池排水不畅等问题，严重的还会损害电堆，大幅度降低燃料电堆的寿命。另外，由于当前的燃料电池结构庞大，不利于布置和转运。

因此，亟需要一种保证反应正常进行且结构紧凑的燃料电池电堆来克服上述缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种保证反应正常进行且结构紧凑的燃料电池电堆。

为实现上述目的，本实用新型的燃料电池电堆包括第一端板、第二端板、第一集流板、集流板结构及相分离布置第一电堆和第二电堆，所述第一集流板贴紧于第一电堆和所述第二电堆的第一侧，所述集流板结构贴紧于所述第一电堆和所述第二电堆的第二侧，所述第一端板与第二端板将所述第一集流板、第一电堆、第二电堆、集流板结构压紧装配成所述燃料电池电堆，所述第一电堆和所述第二电堆各包括多个循环交替叠加双极板和膜电极，所述集流板结构为一整体式结构或为一包括相分离布置的第二集流板和第三集流板的分体式结构，所述第二集流板贴紧于所述第一电堆的第二侧，所述第三集流板贴紧于所述第二电堆的第二侧，所述第一电堆的双极板与所述第二电堆的双极板在所述集流板结构为分体式结构时呈反向装配布置，所述第一电堆的双极板与所述第二电堆的双极板在所述集流板结构为整体式结构时呈同向装配布置。

较佳地，所述双极板的第一侧面设有燃料流道，所述双极板的第二侧面设有开放式的氧化剂流道。

较佳地，所述双极板的第一侧面设有多个首尾各与外界相连通的凹槽结构，所有所述凹槽结构共同形成所述氧化剂流道。

较佳地，所有所述凹槽结构沿所述双极板的长度方向间隔盘排列布置，所述凹槽结构为沿所述双极板的宽度方向延伸的直槽结构。

较佳地，所述双极板的第二侧面上设有多个呈蛇形弯折布置的蛇形槽孔结构，所有所述蛇形槽孔结构共同形成所述燃料流道。

较佳地，所有所述蛇形槽孔结构沿所述双极板的长度方向间隔排列布置。

较佳地，所述膜电极的两端各开设有燃料流入口和燃料流出口，所述双极板的两端各开设有燃料输入口和燃料输出口，所述蛇形槽孔结构第一端与所述燃料输入口连通，所述蛇形槽孔结构的另一端与所述燃料输出口连通，所述第一电堆上的所有燃料输入口与所述燃料流入口相互连通而形成第一输入通道，所述第一电堆上的所有燃料输出口与所述燃料流出口相互连通而形成第一输出通道，所述第二电堆上的所有燃料输入口与所述燃料流入口相互连通而形成第二输入通道，所述第二电堆上的所有燃料输出口与所述燃料流出口相互连通而形成第二输出通道。

较佳地，所述第一端板上开设有第一燃料进气口、第一废料出口、第二燃料进气口及第二废料出口，所述第二集流板上开设有第一流通口和第二流通口，所述第三集流板上开设有第三流通口和第四流通口，所述第一燃料进气口、第一流通口及第一输入通道相互连通，所述第一废料出口、第二流通口及第一输出通道相互连通，所述第二燃料进气口、第三流通口及第二输入通道相互连通，所述第二废料出口、第四流通口及第二输出通道相互连通。

较佳地，所述第一端板上开设有第一燃料进气口、第一废料出口、第二燃料进气口及第二废料出口，整体式的所述集流板结构上开设有第五流通口、第六流通口、第七流通口及第八流通口，第一燃料进气口、第五流通口及第一输入通道相互连通，第一废料出口、第六流通口及第一输出通道相互连通，第二燃料进气口、第七流通口及第二输入通道相互连通，第二废料出口、第八流通口及第二输出通道相互连通。

较佳地，所述第一电堆与所述第二电堆呈相邻并排布置，所述集流板结构、第一电堆、第二电堆及第一集流板层叠粘合成一体结构。

与现有技术相比，由于第一电堆的双极板与第二电堆的双极板是反向装配的，因此若第一电堆的燃料流场是朝上布置的，则第二电堆的氧化剂流场也是朝上布置的，第一集流板作为第一电堆和第二电堆的共用集流板，共用的第一集流板既成为第一电堆的负极，也成为第二电堆的正极，从而实现了第一电堆和第二电堆的串联连接，使第一电堆和第二电堆串联成一“整体电堆”。因此，虽然第一电堆与第二电堆共同形成了一个“整体电堆”，但实际上组成“整体电堆”的第一电堆和第二电堆是相分离的，第一电堆和第二电堆内所形成的单电池数量有限，从而能够保证有足够的燃料供应到第一电堆和第二电堆内。燃料在第一电堆和第二电堆内也能得到均匀分布，同时未反应的燃料和废水也能够顺畅地排出，保证反应正常进行，最终使燃料电池电堆突破所能装配的单电池的数量限制，令燃料电池电堆能够输出更大的功率，提高燃料电池电堆的使用寿命。另外，因组成“整体电堆”的第一电堆和第二电堆是相分离的，令燃料电池电堆的高度得到优化，故本实用新型的燃料电池电堆的结构更紧凑。

附图说明

图1是本实用新型第一实施例的燃料电池电堆的立体结构示意图。

图2是图1的燃料电池电堆的立体分解示意图。

图3是本实用新型第二实施例的燃料电池电堆的立体结构示意图。

图4是图3的燃料电池电堆的立体分解结构示意图

图5是本实用新型的双极板的立体结构示意图。

图6是图5中双极板的另一角度的立体结构示意图。

具体实施方式

为了详细说明本实用新型的技术内容、构造特征，以下结合实施方式并配合附图作进一步说明。

如图1和2所示，本实用新型的燃料电池电堆100包括第一端板10、第二端板20、第一集流板30、集流板结构40及相分离布置第一电堆50和第二电堆 60。第一集流板30贴紧于第一电堆50和第二电堆60的第一侧，集流板结构40 贴紧于第一电堆50和第二电堆60的第二侧。第一端板10与第二端板20将第一集流板30、第一电堆50、第二电堆60、集流板结构40压紧装配成燃料电池电堆100。其中第一电堆50和第二电堆60包括多个循环交替叠加的双极板71 和膜电极72。于本实施例中，集流板结构40为包括相分离布置的第二集流板 41和第三集流板42的分体式结构，第二集流板41贴紧于第一电堆50的第二侧，第三集流板42贴紧于第二电堆60的第二侧。第一电堆50的双极板71与第二电堆60的双极板71呈反向装配布置。如此，由于第一电堆50的双极板71与第二电堆60的双极板71是反向装配的，因此若第一电堆50的燃料流场是朝上布置的，则第二电堆60的氧化剂流场也是朝上布置的，第一集流板30作为第一电堆50和第二电堆60的共用集流板，共用的第一集流板30既成为第一电堆50的负极，也成为第二电堆60的正极，从而实现了第一电堆50和第二电堆60 的串联连接，使第一电堆50和第二电堆60串联成一“整体电堆”。因此，虽然第一电堆50与第二电堆60共同形成了一个“整体电堆”，但实际上组成“整体电堆”的第一电堆50和第二电堆60是相分离的，第一电堆50和第二电堆60 内所形成的单电池数量有限，从而能够保证有足够的燃料供应到第一电堆50和第二电堆60内。燃料在第一电堆50和第二电堆60内也能得到均匀分布，同时未反应的燃料和废水也能够顺畅地排出，保证反应正常进行，最终使燃料电池电堆100突破所能装配的单电池的数量限制，令燃料电池电堆100能够输出更大的功率，提高燃料电池电堆100的使用寿命。另外，因组成“整体电堆”的第一电堆50和第二电堆60是相分离的，令燃料电池电堆100的高度得到优化，故本实用新型的燃料电池电堆100的结构更紧凑。具体地，第二集流板41、第三集流板42、第一电堆50、第二电堆60及第一集流板30层叠粘合成一体结构。举例而言，第二集流板41、第三集流板42、第一电堆50、第二电堆60及第一集流板30通过注塑、焊接或粘合等工艺形成一体结构，但不限于此。为了使燃料电池电堆100的结构更紧凑，第一电堆50和第二电堆60呈相间隔并排布置。需要指出的是，两双极板71的反向装配，是指两双极板71中的一者朝上装配布置，且两双极板71中的另一者则朝下装配布置，即一正一反布置。以下结合图1、图2、图5和图6对上述提及的第一电堆50和第二电堆60的结构作进一步详细的说明。

如图1、图2、图5和图6所示，双极板71的第一侧面各设有燃料流道711，双极板71的第二侧面各设有开放式的氧化剂流道712。设置的燃料流道711便于燃料(如氢气)流通从而在膜电极72上进行反应。开放式的氧化剂流道712 能便于氧化剂(如空气或氧气)流通，使得空气流过氧化剂流道712时为第一电堆50和第二电堆60提供氧化剂的同时也一并带走反应所产生的热量。具体地，双极板71的第一侧面设有多个首尾各与外界相连通的凹槽结构713，所有凹槽结构713共同形成氧化剂流道712。因此，氧化剂流道712的结构简单，易于加工布置。更具体地，所有凹槽结构713沿双极板71的长度方向间隔盘排列布置，凹槽结构713为沿双极板71的宽度方向延伸的直槽结构。设置的凹槽结构713相互平行。从而能够快速有序地引导外界空气在氧化剂流道712中进行流通。

如图1、图2、图5和图6所示，双极板71的第二侧面上各设有多个呈蛇形弯折布置的蛇形槽孔结构714，所有蛇形槽孔结构714共同形成燃料流道711。蛇形槽孔结构714是呈蛇形弯折布置的，因此使燃料在蛇形槽孔结构714内停留的时间得到延长，令燃料充分扩散至膜电极72处进行反应，提高反应效率。具体地，所有蛇形槽孔结构714沿双极板71的长度方向间隔排列布置，以在双极板71上布置多个蛇形槽孔结构714。

如图1、图2、图5和图6所示，膜电极72的两端各开设有燃料流入口721 和燃料流出口722。双极板71的两端各开设有燃料输入口715和燃料输出口716，蛇形槽孔结构714第一端与燃料输入口715连通，蛇形槽孔结构714的另一端与燃料输出口716连通。第一电堆50上的所有燃料输入口715与燃料流入口721 相互连通而形成第一输入通道73，第一电堆50上的所有燃料输出口716与燃料流出口722相互连通而形成第一输出通道74。第二电堆60上的所有燃料输入口 715与燃料流入口721相互连通而形成第二输入通道75，第二电堆60上的所有燃料输出口716与燃料流出口722相互连通而形成第二输出通道76。燃料输入到第一输入通道73和第二输入通道75中时，燃料通过蛇形槽孔结构714能够扩散到膜电极72处进行反应，反应的未反应的燃料和废水通过第一输出通道74 和第二输出通道76排出。具体地，第一端板10上开设有第一燃料进气口11、第一废料出口12、第二燃料进气口13及第二废料出口14。第二集流板41上开设有第一流通口411和第二流通口412，第三集流板42上开设有第三流通口421 和第四流通口422。第一燃料进气口11、第一流通口411及第一输入通道73相互连通，第一废料出口12、第二流通口412及第一输出通道74相互连通，第二燃料进气口13、第三流通口421及第二输入通道75相互连通，第二废料出口 14、第四流通口422及第二输出通道76相互连通。采用以上的布置方式能够便于燃料的流入和废气废水的排出。

结合附图1、图2、图5和图6，对本实用新型的燃料电池电堆100的工作原理进行说明：燃料电池电堆100工作时，氢气经第一燃料进气口11输入到第一输入通道中73中，氢气从第一输入通道73流到第一电堆50上各双极板71 的燃料流道711，随后氢气扩散至第一电堆50上各膜电极72进行反应，未反应的氢气及反应生成的水排出到第一输出通道74中，最后经第一废料出口12排出。从第一电堆50的侧面吹送空气，以使空气快速流过第一电堆50上的各双极板71的氧化剂流道712，为第一电堆50提供氧化剂的同时带走了反应所产生的热量。同时地，氢气也经第二燃料进气口13输入到第二输入通道75中，氢气从第二输入通道75流到第二电堆60上各双极板71的燃料流道711中，随后氢气扩散至第二电堆60上各膜电极72进行反应，未反应的氢气及反应生成的水排出到第二输出通道76，最后经第二废料出口14排出。从第二电堆60的侧面吹送空气，以使空气快速流过第二电堆60上的各双极板71的氧化剂流道712，为第二电堆60提供氧化剂的同时带走了反应所产生的热量。

与现有技术相比，由于第一电堆50的双极板71与第二电堆60的双极板71 是反向装配的，因此若第一电堆50的燃料流场是朝上布置的，则第二电堆60 的氧化剂流场也是朝上布置的，第一集流板30作为第一电堆50和第二电堆60 的共用集流板，共用的第一集流板30既成为第一电堆50的负极，也成为第二电堆60的正极，从而实现了第一电堆50和第二电堆60的串联连接，使第一电堆50和第二电堆60串联成一“整体电堆”。因此，虽然第一电堆50与第二电堆60共同形成了一个“整体电堆”，但实际上组成“整体电堆”的第一电堆50 和第二电堆60是相分离的，第一电堆50和第二电堆60内所形成的单电池数量有限，从而能够保证有足够的燃料供应到第一电堆50和第二电堆60内。燃料在第一电堆50和第二电堆60内也能得到均匀分布，同时未反应的燃料和废水也能够顺畅地排出，保证反应正常进行，最终使燃料电池电堆100突破所能装配的单电池的数量限制，令燃料电池电堆100能够输出更大的功率，提高燃料电池电堆100的使用寿命。另外，因组成“整体电堆”的第一电堆50和第二电堆60是相分离的，令燃料电池电堆100的高度得到优化，故本实用新型的燃料电池电堆100的结构更紧凑。

如图3至图5所示，第二实施例的燃料电池电堆100`的结构基本与第一实施例的燃料电池电堆100相同，区别点在于：

(1)集流板结构40`为一整体式结构，优选的是，集流板结构40`为一金属平板结构；

(2)第一电堆50的双极板71与第二电堆60的双极板71呈同向装配布置。

(3)集流板结构40`上开设有第五流通口41`、第六流通口42`、第七流通口43`和第八流通口44`，第一燃料进气口11、第五流通口41`及第一输入通道 73相互连通，第一废料出口12、第六流通口42`及第一输出通道74相互连通，第二燃料进气口13、第七流通口43`及第二输入通道75相互连通，第二废料出口14、第八流通口44`及第二输出通道76相互连通。

除上述区别外，其他与第一实施例相同，故在此不再赘述。

由于第二实施例的燃料电池电堆100`的工作原理基本与第一实施例的燃料电池电堆100相同，故在此也不再赘述。

但需要说明的是，由于第一电堆50的双极板71与第二电堆60的双极板71 是同向装配的，因此若第一电堆50的燃料流场是朝上布置的，则第二电堆60 的燃料流场也是朝上布置的，第一集流板30作为第一电堆50和第二电堆60的共用集流板，共用的第一集流板30成为第一电堆50和第二电堆60的负极，而集流板结构40`则成为第一电堆50和第二电堆60的正极，从而实现了第一电堆 50和第二电堆60的并联连接。由于并联连接的第一电堆50和第二电堆60是由第一端板10和第二端板20压紧装配成燃料电池电堆100`的，从而能使第一电堆50与第二电堆60成为一整体而避免分离，故本实用新型的燃料电池电堆100` 的结构紧凑。而利用第一集流板30和集流板结构40`便能将第一电堆50和第二电堆60并联连接在一起，大大简化了燃料电池电堆100`的结构。另外，第一电堆50和第二电堆60内所形成的单电池数量有限，从而能够保证有足够的燃料供应到第一电堆50和第二电堆60内。燃料在第一电堆50和第二电堆60内也能得到均匀分布，同时未反应的燃料和废水也能够顺畅地排出，保证反应正常进行。

以上所揭露的仅为本实用新型的较佳实例而已，不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，均属于本实用新型所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池电堆，其特征在于：包括第一端板、第二端板、第一集流板、集流板结构及相分离布置第一电堆和第二电堆，所述第一集流板贴紧于第一电堆和所述第二电堆的第一侧，所述集流板结构贴紧于所述第一电堆和所述第二电堆的第二侧，所述第一端板与第二端板将所述第一集流板、第一电堆、第二电堆、集流板结构压紧装配成所述燃料电池电堆，所述第一电堆和所述第二电堆各包括多个循环交替叠加双极板和膜电极，所述集流板结构为一整体式结构或为一包括相分离布置的第二集流板和第三集流板的分体式结构，所述第二集流板贴紧于所述第一电堆的第二侧，所述第三集流板贴紧于所述第二电堆的第二侧，所述第一电堆的双极板与所述第二电堆的双极板在所述集流板结构为分体式结构时呈反向装配布置，所述第一电堆的双极板与所述第二电堆的双极板在所述集流板结构为整体式结构时呈同向装配布置。

2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述双极板的第一侧面设有燃料流道，所述双极板的第二侧面设有开放式的氧化剂流道。

3.根据权利要求2所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述双极板的第一侧面设有多个首尾各与外界相连通的凹槽结构，所有所述凹槽结构共同形成所述氧化剂流道。

4.根据权利要求3所述的燃料电池电堆，其特征在于，所有所述凹槽结构沿所述双极板的长度方向间隔盘排列布置，所述凹槽结构为沿所述双极板的宽度方向延伸的直槽结构。

5.根据权利要求2所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述双极板的第二侧面上设有多个呈蛇形弯折布置的蛇形槽孔结构，所有所述蛇形槽孔结构共同形成所述燃料流道。

6.根据权利要求5所述的燃料电池电堆，其特征在于，所有所述蛇形槽孔结构沿所述双极板的长度方向间隔排列布置。

7.根据权利要求6所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述膜电极的两端各开设有燃料流入口和燃料流出口，所述双极板的两端各开设有燃料输入口和燃料输出口，所述蛇形槽孔结构第一端与所述燃料输入口连通，所述蛇形槽孔结构的另一端与所述燃料输出口连通，所述第一电堆上的所有燃料输入口与所述燃料流入口相互连通而形成第一输入通道，所述第一电堆上的所有燃料输出口与所述燃料流出口相互连通而形成第一输出通道，所述第二电堆上的所有燃料输入口与所述燃料流入口相互连通而形成第二输入通道，所述第二电堆上的所有燃料输出口与所述燃料流出口相互连通而形成第二输出通道。

8.根据权利要求7所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述第一端板上开设有第一燃料进气口、第一废料出口、第二燃料进气口及第二废料出口，所述第二集流板上开设有第一流通口和第二流通口，所述第三集流板上开设有第三流通口和第四流通口，所述第一燃料进气口、第一流通口及第一输入通道相互连通，所述第一废料出口、第二流通口及第一输出通道相互连通，所述第二燃料进气口、第三流通口及第二输入通道相互连通，所述第二废料出口、第四流通口及第二输出通道相互连通。

9.根据权利要求7所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述第一端板上开设有第一燃料进气口、第一废料出口、第二燃料进气口及第二废料出口，整体式的所述集流板结构上开设有第五流通口、第六流通口、第七流通口及第八流通口，第一燃料进气口、第五流通口及第一输入通道相互连通，第一废料出口、第六流通口及第一输出通道相互连通，第二燃料进气口、第七流通口及第二输入通道相互连通，第二废料出口、第八流通口及第二输出通道相互连通。

10.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述第一电堆与所述第二电堆呈相邻并排布置，所述集流板结构、第一电堆、第二电堆及第一集流板层叠粘合成一体结构。

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