CN218783060U - 一种燃料电池及电池组 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种燃料电池及电池组，通过在两块介电材料制成的极板之间设置多块电池单元形成平板结构的燃料电池，结构简单，易于加工，不需要大型配套散热设备。通过单个燃料电池上电池单元的导电极耳，实现灵活的电压输出控制，并且根据应用场景，适宜性的变换多个燃料电池组装在一起的形状，可以贴紧供电目标的表面，节省供电目标内部空间，利用粘结或焊接的方式将不同的结构固定在一起，防止反应气体的泄漏，提高气体利用效率。结合印刷电路板工艺，可以选择高分子材料作为极板，将极耳及导电层加工在极板上，降低了成本，有利于大规模量产，结合可组装的特点，拓展了适用范围。

Description

一种燃料电池及电池组

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种平板型氢燃料电池及电池组。

背景技术

燃料电池是一种将燃料中的化学能转化成电能的装置，其并不存储电能，而只充当能量的转化器。按照电解质划分，燃料电池分为碱性燃料电池、磷酸盐型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、固体氧化物型燃料电池和质子交换膜燃料电池。因主燃料电池主要产物为水，所以具有清洁无污染的特点，除此之外，还具有能量转化率快，运行质量高等优点。随着市场对新能源的需求，燃料电池同锂电池一样，广泛应用到电动汽车和移动电子设备等领域。

以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例，在原理上相当于实现水电解逆反应的装置，其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，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，质子交换膜作为电解质。在工作状态下，燃料电池相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极即电源正极。

现有质子交换膜燃料电池不同部件之间通常通过螺钉拧紧在一起，容易留有缝隙造成反应气体的泄漏，降低了气体利用率。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种燃料电池，包括：

由介电材料制成的极板，所述极板上具有开孔的导电层；

位于两个所述极板之间的多个电池单元，所述电池单元具有膜电极，且设置有导电极耳，所述导电极耳和导电层电连接；

所述极板上围绕所述导电层设置有固连区，所述固连区通过粘结或焊接方式与相邻层之间固定。

可选地，所述极板分为氢气侧的极板和空气侧的极板。

可选地，所述氢气侧的极板的固连区的相邻层为空气侧的极板的固连区。

可选地，所述固连区的相邻层为膜电极。

可选地，所述极板中部区域设置有螺孔，所述螺孔外围设置有密封圈。

可选地，所述螺孔的数量为两个，位于所述导电层之间。

可选地，所述极板为高分子材料。

可选地，通过螺钉和螺母穿过所述螺孔对所述燃料电池进行中心固定。

可选地，所述氢气侧的极板配置有气体盒，所述气体盒具有进气口和出气口。

可选地，所述极板为长方形，所述固连区位于所述极板短边的宽度大于位于所述极板长边的宽度。

进一步地，本实用新型还提供了一种燃料电池组，包括多个如上述任一燃料电池，所述燃料电池之间通过所述导电极耳相连。

本实用新型的优点在于：提供了一种燃料电池，通过在两块介电材料制成的极板之间设置多块电池单元形成平板结构的燃料电池，结构简单，易于加工，不需要大型配套散热设备，两块极板之间或极板与膜电极之间，通过在边缘的固连区设置粘结剂或焊接材料，来固定相邻的两层，能够确保反应气体的密封性，防止发生漏气或窜气缺陷。此外，为了加固整个燃料电池结构，在极板中心区域设置由螺钉、螺孔和螺母组成的固定机构，并且在螺孔周围设置密封圈，防止极板之间的反应气体通过螺孔泄漏，更全面的保证了燃料电池的气密性，确保反应气体的反应效率。

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为质子交换膜燃料电池原理图；

图2为本实用新型的燃料电池组装后示意图；

图3为本实用新型的氢气侧极板上的相关组件结构示意图；

图4为本实用新型的燃料电池的极板与膜电极相对位置的爆炸图；

图5为本实用新型的燃料电池的另一实施例的固连区示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

图1为质子交换膜燃料电池原理示意图。其中氢气通过扩散层1接触催化层2，因为质子交换膜3不允许电子通过，所以氢分子在质子交换膜3的一侧分解成电子和氢离子，氢离子越过质子交换膜3，电子则通过导电引线来到质子交换膜3的另一侧和在该侧的氧气、氢离子反应生成水。利用被分离电子的单独路径实现化学能到电能的转换。发生的主要化学反应如下所示：

阳极(电池负极)：2H₂–4e＝4H+

阴极(电池正极)：O₂+4e+4H+＝2H₂O

在实际应用的燃料电池中，还需要在扩散层外侧覆盖金属板用于电子的导通，通常金属板上还设置有流场，使反应气体可以均匀接触质子交换膜3，提高反应效率。为了获得足够的电压，现有技术中，采取将多个电池单元堆叠在一起形成电池堆的方式，反应气体沿着垂直电池单元的面入射，电流同样沿着垂直电池单元的面流动。最终形成的燃料电池堆为一立方体形状，加上电池堆两端的金属夹板，在重量和体积上都对应用场景提出了较高的要求。此外，为了能让气体充分反应，需要较大的气体压力，同时，为了保持质子交换膜的工作温度，要配备冷却系统，例如冷却气体循环来保证夹在中间的电池单元不会因为长时间反应而升温。

如图2所示为本实用新型的燃料电池的组装后示意图，包括端板101和氢气盒102，端板101的上侧用于通入空气或氧气作为一种反应气体，氢气盒102中通入氢气作为另外一种反应气体。位于端板101和氢气盒102之间设置有两个极板，分别为空气侧极版104和氢气侧极板105。

如图3所示为本实用新型的氢气侧极板上的相关组件结构示意图，相对应的空气侧极板104与氢气侧极板105可以对称设置，根据燃料电池基本结构图而与氢气侧极板具有相同的结构。现在以图3氢气侧极板为例，氢气侧极板105由介电材料制成，相对于堆叠式燃料电池的金属外壳具有更好的柔软性能，易于加工成不同形状，且在空气中化学性质更稳定，在工作状态下，不会被空气氧化和腐蚀，具有更长的寿命。氢气侧极板105和空气侧极板104上具有开孔的导电层107，相邻两个极板的导电层107相对设置，两个导电层107之间设置有膜电极，在两块极板之间沿单层排列，使反应气体可以透过导电层107在膜电极层发生反应产生电流，导电极耳1052与导电层107电连接用于将电流导出，在同一个燃料电池中，每个电池单元可以通过导电极耳1052互相串联或并联。也可以通过导电极耳1052实现不同燃料电池之间的电连接。介电材料制成的极板可以和导电层107实现更好的贴合，并且当对极板进行弧度加工时，可以对内部导电层107进行相同弧度的塑形，因为有介电材料的极板对电池单元进行保护，导电层107可以做成很薄，而不用担心导电层会被环境中的硬质物体碰撞发生形状改变或厚度损失。

在图3所示的实施例中，包括六块电池单元，每个电池单元对应上下两个导电层107，每个导电层107都连接有一个导电极耳1052。在氢气侧极板105的边缘围绕导电层107设置有固连区106，固连区106通过粘结或焊接的方式和相邻层之间固定。固连区106通过和相邻层之间固定连接用于限制电池单元内的反应气体泄漏，维持整个燃料电池的气密性。可以直接在固连区106内涂抹粘结剂或者熔融焊接材料，也可以在相邻层上与固连区106对应位置涂抹粘结剂或熔融焊接材料，固连区106划定了粘结剂或焊接材料的范围。所述粘结剂可以是改性有机硅胶、改性环氧树脂、丙烯酸酯、氟橡胶、全氟磺酸树脂、聚四氟乙烯中的一种或多种。

以氢气侧极板105为例子，相邻层可以为空气侧极板对应的固连区，也可以为膜电极层。

为了加固整个燃料电池的机械强度，在氢气侧极板105的中心区域设置有螺孔1051，对应的空气侧极板104也设置有螺孔，通过螺钉穿过两个极板的螺孔后，在燃料电池外侧用螺母对螺钉进行锁紧，达到紧固两个极板的目的。为了防止被固连区106限制在导电层107区域的反应气体不从螺孔泄漏到外侧，而在围绕螺孔，又不与导电层107重合的区域设置有密封圈108，当螺钉和螺母被锁紧时，密封圈108被压缩起到密封效果。

如图4所示为本实用新型的燃料电池的极板与膜电极相对位置的爆炸图，固连区106对应与膜电极109的一侧固定连接，密封圈108与膜电极109的一侧接触压缩。对于氢气侧极板105而言，氢气从带孔的导电层107下侧进入到膜电极109、固连区106、密封圈108和导电层107围绕的空间内，并向上在膜电极层109参与化学反应。

如图5所示为本实用新型的燃料电池的另一实施例的固连区示意图，氢气侧极板105为长方形结构，其中短边侧未被导电层107覆盖的区域宽度大于长边侧未被导电层107覆盖的区域宽度，固连区106在氢气侧极板105短边侧的宽度大于在氢气侧极板105长边侧的宽度。这样能够有效利用空间达到最可靠的密封效果。

本实用新型进一步还提供了一种电池组，包括多个上述任意一种的燃料电池进行组合，在结构上，可以将多个燃料电池在同一平面上相连接成面型电池组，也可以将多个燃料电池进行竖向的堆叠成一电池堆。或者根据其他使用场景，在平面和竖直方向灵活搭配不同燃料电池。多个燃料电池之间通过导电极耳进行电连接。

在使用本实用新型的燃料电池时，先根据应用环境选择燃料电池的使用数量，所需考虑的因素包括应用目标放置燃料电池的空间，例如是内部还是表面，除此之外还包括考虑所需的电压，以此为依据，设计燃料电池的连接方式，将多个燃料电池的进气口和出气口连接形成整块燃料电池组的框架，将多个燃料电池的导电极耳按需连接在一起形成可发电的电池组，从一侧通入氢气，从另一侧通入空气，并调整气流使燃料电池处于工作状态，同时注意产物的排出。

本实用新型的燃料电池，通过粘结或焊接的方式对极板进行密封，能够获得更好的气密性，防止气体泄漏。

本实用新型提供了一种燃料电池，通过在两块介电材料制成的极板之间设置多块电池单元形成平板结构的燃料电池，结构简单，易于加工，不需要大型配套制冷设备。通过单个燃料电池上电池单元的导电极耳，实现灵活的电压输出控制，并且根据应用场景，适宜性的变换多个燃料电池组装在一起的形状，可以贴紧载具的表面，节省载具内部空间，尤其适用于无人机或便携电源等对重量和空间敏感型装置。结合印刷电路板工艺，可以选择高分子材料作为极板，将极耳及导电层加工在极板上，降低了成本，有利于大规模量产，结合可组装的特点，拓展了适用范围。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (11)

1.一种燃料电池，其特征在于，包括：

由介电材料制成的极板，所述极板上具有开孔的导电层；

位于两个所述极板之间的多个电池单元，所述电池单元具有膜电极，且设置有导电极耳，所述导电极耳和导电层电连接；

所述极板上围绕所述导电层设置有固连区，所述固连区通过粘结或焊接方式与相邻层之间固定。

2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述极板分为氢气侧的极板和空气侧的极板。

3.如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述氢气侧的极板的固连区的相邻层为空气侧的极板的固连区。

4.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述固连区的相邻层为膜电极。

5.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述极板中部区域设置有螺孔，所述螺孔外围设置有密封圈。

6.如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述螺孔的数量为两个，位于所述导电层之间。

7.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述极板为高分子材料。

8.如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，通过螺钉和螺母穿过所述螺孔对所述燃料电池进行中心固定。

9.如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述氢气侧的极板配置有气体盒，所述气体盒具有进气口和出气口。

10.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述极板为长方形，所述固连区位于所述极板短边的宽度大于位于所述极板长边的宽度。

11.一种燃料电池组，其特征在于，包括多个如权利要求1-10任一所述的燃料电池，所述燃料电池之间通过所述导电极耳相连。

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