CN215731824U - 一种燃料电池堆及燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种燃料电池堆及具有其的燃料电池系统。该燃料电池堆包括：气口端板、盲端板以及位于所述气口端板和所述盲端板之间的多个堆叠在一起的单体电池，其中，至少一个端部单体电池的能量转换效率高位于其余单体电池的能量转换效率，所述端部单体电池为所述燃料电池堆中位于两端的单体电池。本实用新型通过采用能量转换效率高位于中部单体电池的端部单体电池，基于端部单体电池本身的高性能，与其固有的电压下降现象相抵消的原理，使得整堆的电压一致性并未有较大偏差，进而使燃料电池堆整堆电压的一致性得到了保障。

Description

一种燃料电池堆及燃料电池系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池领域，特别是涉及一种燃料电池堆及燃料电池系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池具有能量密度大、能量转换效率高、启动温度低、污染低等突出优点，是一种有效的转换装置，具有广泛的应用前景。但是，在对电堆进行性能测试时，发现靠近两端集流板的两节单体电池的电压低，使得电堆整堆的电压一致性差。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种整堆电压一致性好的燃料电池堆及具有其的燃料电池系统。

为实现上述目的，本实用新型实施例提供了如下方案：

一种燃料电池堆，包括：气口端板、盲端板以及位于所述气口端板和所述盲端板之间的多个堆叠在一起的单体电池，其中，至少一个端部单体电池的能量转换效率高位于其余单体电池的能量转换效率，所述端部单体电池为所述燃料电池堆中位于两端的单体电池。

可选的，两个端部单体电池的能量转换效率均高于其余单体电池的能量转换效率。

可选的，至少一个端部单体电池的能量转换效率高于中部单体电池的能量转换效率，所述中部单体电池为位于所述端部单体电池之间的单体电池。

可选的，所述至少一个端部单体电池包括高性能膜电极，所述高性能膜电极的能量转换效率高于所述其余单体电池的膜电极的能量转换效率。

可选的，所述高性能膜电极包括高性能催化剂涂层膜，所述高性能催化剂涂层膜上电极催化剂的催化效率高于所述其余单体电池的催化剂涂层膜上电极催化剂的催化效率。

可选的，所述高性能催化剂涂层膜上电极催化剂的铂负载量高于所述其余单体电池的催化剂涂层膜上电极催化剂的铂负载量。

可选的，所述高性能催化剂涂层膜上的电极催化剂为铂钴合金催化剂，所述其余单体电池的催化剂涂层膜上的电极催化剂为碳负载催化剂。

可选的，所述高性能膜电极包括高性能质子交换膜，所述高性能质子交换膜的质子电导率高于其余单体电池的质子交换膜的质子电导率。

可选的，所述高性能质子交换膜的质子电导率大于等于第一设定值，所述其余单体电池的质子交换膜的质子电导率小于第一设定值。

本实用新型还提供了一种燃料电池系统，包括上述燃料电池堆。

根据本实用新型提供的具体实施例，公开了以下技术效果：本实用新型实施例提供的燃料电池堆通过将靠近两侧端板的端部单体电池的能量转换效率设置的高于中部单体电池的能量转换效率，使端部单体电池基于其本身具有的高能量转换效率，与其固有的电压下降现象相抵消，进而保障了整堆电压的一致性。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的燃料电池堆的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的膜电极结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的膜电极A-A剖视图。

1气口端板；2气口绝缘板；3气口侧集流板；4密封垫圈；5假双极板A；6假膜电极；7假双极板B；8膜电极1；9双极板；10膜电极；11盲端侧集流板；12盲端侧绝缘板；13盲端侧端板；14电堆紧固螺栓；15电堆紧固螺母；16a空气进气口；16b空气排气口；17a冷却液进液口；17b冷却液排液口；18a氢气进气口；18b氢气排气口；19活化区；20阳极气体扩散层；21阳极催化剂；22质子交换膜；23阴极催化剂；24阴极气体扩散层；25阳极侧内层边框；26阴极侧内层边框；27阳极侧外层边框；28阴极侧外层边框；29假双极板C。

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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种整堆电压一致性好的燃料电池堆及具有其的燃料电池系统。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

参见图1，本实施例提供的燃料电池堆的装配按照如下顺序进行：

气口端板1——气口绝缘板2——气口侧集流板3——假双极板A5——假膜电极6——假双极板B7——端部膜电极8——双极板9——中部膜电极10——双极板9——中部膜电极10——双极板9……双极板9——中部膜电极10——双极板9——端部膜电极8——假双极板C29——假膜电极6——假双极板A5——盲端侧集流板11——盲端侧绝缘板12——盲端侧端板13。

其中，端部膜电极8与其两侧的双极板构成端部单体电池，中部膜电极10与其两侧的双极板构成中部单体电池。

本实施例提供的燃料电池堆通过提高端部单体电池的能量转换效率，来抵消燃料电池堆固有的端部单体电池电压低于中部电池单体电压的现象。方案如下：

本申请提供的燃料电池堆中至少一个端部单体电池的能量转换效率高位于其余单体电池的能量转换效率，其中端部单体电池为燃料电池堆中位于两端的单体电池。

具体的：

两个端部单体电池的能量转换效率均高于其余单体电池的能量转换效率。

或至少一个端部单体电池的能量转换效率高于中部单体电池的能量转换效率，所述中部单体电池为位于所述端部单体电池之间的单体电池。

上述单体电池可选用市售的单体电池，根据上述规则装配即可。

下面对上述能量转换效率高的端部单体电池(也可称之为高性能单体电池)进行详细介绍

高性能单体电池包括高性能膜电极，该高性能膜电极可以包括高性能催化剂涂层膜和/或高性能质子交换膜，其中，高性能催化剂涂层膜上电极催化剂的催化效率高于其余单体电池催化剂涂层膜上电极催化剂的催化效率，高性能质子交换膜的质子电导率高于其余单体电池质子交换膜的质子电导率。

具体的，高性能催化剂涂层膜上的电极催化剂的铂负载量高于其余单体电池催化剂涂层膜上电极催化剂的铂负载量。

或者，高性能催化剂涂层膜上的电极催化剂为铂钴合金催化剂，其余单体电池催化剂涂层膜上的电极催化剂为碳负载催化剂。

上述高性能质子交换膜的质子电导率大于等于第一设定值，其余单体电池质子交换膜的质子电导率小于第一设定值。该第一设定值可示例性的为0.1S/m。

本实用新型实施例通过使用比中部单体电池性能高的端部单体电池来维持两端集流板侧单体电池的电压，以使整堆燃料电池堆的电压一致性得到保障。即虽然靠近端板两侧的单体电池仍会发生电压低的情况，但是由于其本身具有的高性能，与固有的电压下降现象相抵消，使得整堆的电压一致性并未有较大偏差。

参见图2和图3，燃料电池堆中膜电极具有以下部件构成：

阳极气体扩散层20、阳极催化剂21、质子交换膜22、阴极催化剂23、阴极气体扩散层24、阳极侧内层边框25、阴极侧内层边框26、阳极侧外层边框27、阴极侧外层边框28。

上述高性能催化剂涂层膜和高性能质子交换膜具体实现方式如下：

端部膜电极8的电极催化剂(包括阳极催化剂与阴极催化剂)的铂载量与中部膜电极10的电极催化剂(包括阳极催化剂与阴极催化剂)相同，区别在于端部膜电极8的电极催化剂使用铂钴合金催化剂，而中部膜电极10的电极催化剂使用碳载体催化剂。

端部膜电极8的质子交换膜22采用质子电导率≥0.1S/m的质子交换膜(即上述高性能质子交换膜)，而中部膜电极10的质子交换膜采用质子电导率在0.05S/m-0.1S/m的质子交换膜。

阴极催化剂23和阳极催化剂21通过喷涂、转印的工艺方法覆盖在质子交换膜22两侧，阳极内侧边框25和阴极内侧边框26覆盖在阳极催化剂21、阴极催化剂23的四周，来保证阴极反应气体与阳极反应气体不会泄露到另一侧。阳极外侧边框27和阴极外侧边框28通过覆盖在阳极内侧边框25与阴极内侧边框26上；在阳极催化剂21、阴极催化剂23的两侧通过粘接等方法，固定阳极气体扩散层20、阴极气体扩散层24。

需要注意的是：阴极外侧边框28、阴极内侧边框26、阳极内侧边框25、阳极外侧边框27的总厚度与质子交换膜22、阴极气体扩散层24受压后、阳极气体扩散层20压缩后的总厚度相同。这是由于阴极气体扩散层24、阳极气体扩散层27的厚度随着受压的大小而变化，压力越大，厚度越小，可以通过做实验得到不同压力下的厚度变化曲线。

当膜电极8受压后，阴极气体扩散层24、阳极气体扩散层20首先与两侧的极板接触，当达到预设的压力及厚度后，膜电极8上的阴极外侧边框28、阳极外侧边框27开始接触两侧的双极板，且阴极外侧边框28和阳极外侧边框27的机械强度较高、受压后不易变形，对膜电极8中的阴极气体扩散层24、阳极气体扩散层20起到一定的过压保护效果。

本实用新型实施例还提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统除包括供气系统、冷却系统等常规系统外，还包括本实用新型实施例提供的燃料电池堆。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种燃料电池堆，其特征在于，包括：气口端板、盲端板以及位于所述气口端板和所述盲端板之间的多个堆叠在一起的单体电池，其中，至少一个端部单体电池的能量转换效率高位于其余单体电池的能量转换效率，所述端部单体电池为所述燃料电池堆中位于两端的单体电池。

2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，两个端部单体电池的能量转换效率均高于其余单体电池的能量转换效率。

3.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，至少一个端部单体电池的能量转换效率高于中部单体电池的能量转换效率，所述中部单体电池为位于所述端部单体电池之间的单体电池。

4.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，所述至少一个端部单体电池包括高性能膜电极，所述高性能膜电极的能量转换效率高于所述其余单体电池的膜电极的能量转换效率。

5.根据权利要求4所述的燃料电池堆，其特征在于，所述高性能膜电极包括高性能催化剂涂层膜，所述高性能催化剂涂层膜上电极催化剂的催化效率高于所述其余单体电池的催化剂涂层膜上电极催化剂的催化效率。

6.根据权利要求5所述的燃料电池堆，其特征在于，所述高性能催化剂涂层膜上电极催化剂的铂负载量高于所述其余单体电池的催化剂涂层膜上电极催化剂的铂负载量。

7.根据权利要求5所述的燃料电池堆，其特征在于，所述高性能催化剂涂层膜上的电极催化剂为铂钴合金催化剂，所述其余单体电池的催化剂涂层膜上的电极催化剂为碳负载催化剂。

8.根据权利要求4所述的燃料电池堆，其特征在于，所述高性能膜电极包括高性能质子交换膜，所述高性能质子交换膜的质子电导率高于其余单体电池的质子交换膜的质子电导率。

9.根据权利要求8所述的燃料电池堆，其特征在于，所述高性能质子交换膜的质子电导率大于等于第一设定值，所述其余单体电池的质子交换膜的质子电导率小于第一设定值。

10.一种燃料电池系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的燃料电池堆。

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