CN219778922U - 一种弹性导体和基于弹性导体的燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种弹性导体和基于弹性导体的燃料电池堆，其中基于弹性导体的燃料电池包括：第一集流体，具有集流面；多节堆叠设置的单电池，单电池包括顺序堆叠设置的石墨极板和膜电极；第二集流体，具有集流面；第一集流体和第二集流体将多节单电池压紧后锁紧，且集流面朝向单电池，形成多个单电池串联的电池堆；其中，第一集流体和首节单电池之间和/或第二集流体和末节单电池之间均设有弹性导体。本实用新型通过增设弹性导体，增加石墨极板与后集流铜板之间的接触面积，使其发生塑性形变，从而使接触界面更紧密、均匀，减小电堆整体接触电阻，保障电池堆各单电池的电压一致性和电池堆的性能。

Description

一种弹性导体和基于弹性导体的燃料电池堆

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其是指一种弹性导体和基于弹性导体的燃料电池堆。

背景技术

燃料电池电堆由多个单电池以串联组合的方式堆叠而成，单电池主要由双极板、膜电极组件与密封原件组成，用前、后端板将多个单电池压紧后固定。受工艺水平限制，燃料电池电堆在装配过程中存在多种组装误差，以及在压装电堆过程中出现封装载荷分配不均匀的问题，使得石墨极板和集流板之间接触不紧密。另外，燃料电池电堆在运行过程中，经历膜电极组件和密封件产生应力释放过程，此时电堆性能发生变化，容易因接触不全面而导致接触电阻增加。

接触电阻增大是影响燃料电池性能的一个关键因素，同时也是燃料电池故障诊断的重要指标。流场设计、表面处理、组装过程等均会引起接触电阻变大。接触电阻可由两种形式导致，一是接触面过小，二是接触面分布不均匀。接触面分布不均匀意味着在某个或某几个部位，电子大量通过，局部电流密度过高，引起局部温度过高，最终导致膜电极中出现热点，造成电池耐久性降低或者出现内部燃烧的后果。

此外，针对双极板表面进行改性处理、在一定范围内增加封装载荷、保持质子交换膜合适水含量、维持双极板最优开孔率、优化流道场设计等方法经过验证都能在一定程度上降低接触电阻。其次，进出气体压力、温度、湿度等燃料电池运行条件也是影响接触电阻大小的重要因素。虽然改善燃料电池接触电阻的方法很多，如施加封装载荷可以减少电阻或热阻损失，但同时也会降低GDL使得孔隙率和渗透性，在封装载荷分布不均匀时会引起GDL和PEM的不均匀变形，从而破坏GDL的性能，导致电堆性能下降。因此，由于影响因素广泛，如何设计一种能有效改善燃料电池接触电阻却不降低电堆整体性能的产品，已经成为技术发展中需要克服的问题。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型公开了一种弹性导体和基于弹性导体的燃料电池堆。

本实用新型所采用的技术方案如下：

一种基于弹性导体的燃料电池，包括：

第一集流体，具有集流面；

多节堆叠设置的单电池，所述单电池包括顺序堆叠设置的石墨极板和膜电极；其中，末节所述单电池包括顺序堆叠设置的石墨极板、膜电极和石墨极板；

第二集流体，具有集流面；所述第一集流体和所述第二集流体将多节所述单电池压紧后锁紧，且所述集流面朝向所述单电池，形成多个所述单电池串联的电池堆；其中，所述第二集流体和末节所述单电池的石墨极板之间均设有弹性导体。

其进一步的技术特征在于：所述弹性导体的形状为矩形，所述弹性导体的两面均为平面且均为光面。

其进一步的技术特征在于：所述弹性导体的电阻率≤12μΩ·m，所述弹性导体的厚度为0.1mm-5mm，所述弹性导体的密度为0.4g/cm3-1.5g/cm3。

其进一步的技术特征在于：所述弹性导体的抗压硬度小于所述石墨极板的硬度，所述弹性导体的尺寸和所述第二集流体的集流面的尺寸相匹配。

其进一步的技术特征在于：所述弹性导体为柔性石墨板、泡沫紫铜、铜网和碳纸中的一种。

其进一步的技术特征在于：所述膜电极包括MEA质子交换膜、催化层和两片气体扩散层，所述催化剂涂布在所述MEA质子交换膜的两侧，两片所述气体扩散层将所述MEA质子交换膜夹在中间。

其进一步的技术特征在于：所述第一集流体包括前端板和前集流铜板，所述前端板和所述前集流铜板依次堆叠设置。

其进一步的技术特征在于：第二集流体包括后集流铜板和后端板，所述后集流铜板和所述后端板依次堆叠设置。

其进一步的技术特征在于：所述单电池的数量≥3节。

一种弹性导体，为上述所述的弹性导体。

本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1、本实用新型所述的基于弹性导体的燃料电池堆通过增设弹性导体，增加石墨极板与后集流铜板之间的接触面积，由“点-点”接触变为“面-面”接触，使其发生塑性形变，从而使接触界面更紧密、均匀，减小电堆整体接触电阻，保障电堆各单池电压一致性和电堆性能。

2、本实用新型采用多种弹性导体，例如柔性石墨板、泡沫紫铜、铜网和碳纸等材料，易加工，具有良好的耐高温性和优异的可压缩性，成本相较其他技术来讲较低，结构简单，配合方便，实现了燃料电池电堆整体结构的规整性，有利于自动化生产。

附图说明

为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型中基于弹性导体的燃料电池堆的结构示意图。

图2是本实用新型中弹性导体的示意图。

说明书附图标记说明：1、前端板；2、前集流铜板；3、单电池；4、石墨极板；5、膜电极；6、弹性导体；7、后集流铜板；8、后端板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

关本实用新型的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本实用新型，此外，在全部实施例中，相同的附图标号表示相同的元件。

结合图1和图2，一种基于弹性导体的燃料电池堆，包括：

第一集流体，具有集流面；

多节堆叠设置的单电池3，单电池3包括顺序堆叠设置的石墨极板4和膜电极5；其中，末节单电池3包括顺序堆叠设置的石墨极板4、膜电极5和石墨极板4；

第二集流体，具有集流面；第一集流体和第二集流体将多节单电池3压紧后锁紧，且集流面朝向单电池3，形成多个单电池3串联的电池堆；其中，第二集流体和末节单电池3的石墨极板4之间均设有弹性导体6。

上述提供了一种基于弹性导体的燃料电池堆，解决因燃料电池堆的尾端的多节单电池因石墨极板、膜电极、密封组件和集流铜板等部件之间接触界面不紧密，从而导致接触电阻增加、单池电压偏低的问题。

在本实施例中，第一集流体包括前端板1和前集流铜板2，前端板1和前集流铜板2依次堆叠设置。第二集流体包括后集流铜板7和后端板8，后集流铜板7和后端板8依次堆叠设置。通过前端板1和后端板8起到燃料电池堆支撑作用,通过前集流铜板2和后集流铜板7起到集流导电连接效果。另外，前集流铜板2和后集流铜板7均向同侧延伸有正/负引流极耳，方便与外部连接。

其中，第一集流体和第二集流体可通过紧固件将多节单电池3压紧后锁紧，紧固件可选用螺杆、扎带和拉杆中的一种，紧固件的作用主要是维持电堆各组件之间的接触压力，为了维持接触压力的稳定。

在本实施例中，单电池3的数量≥3节，当然，本领域的技术人员也可以根据需要对单电池3的数量进行设计。

在本实施例中，膜电极5包括MEA质子交换膜、催化层和两片气体扩散层，催化剂涂布在MEA质子交换膜的两侧，两片气体扩散层将MEA质子交换膜夹在中间。需要说明的是，(1)质子交换膜在燃料电池中的主要作用是实现质子的快速传导，同时也阻隔氢气和氧气、氮气在阴阳极之间的渗透。质子交换膜的性能好坏直接决定着燃料电池的性能和使用寿命。理想的质子交换膜需要具备高质子传导率，低电子导电率，气体渗透性低，化学、电化学、热稳定性好等特点。质子交换膜根据含氟情况进行分类主要包括全氟磺酸膜、部分氟化聚合物质子交换膜、复合质子交换膜和非氟化聚合物质子交换膜。其中，由于全氟磺酸聚合物具有聚四氟乙烯结构，其碳-氟键的键能高，力学性能、化学稳定性、热稳定性好，使用寿命也优于其它膜材料的使用寿命。同时由于分子支链上存在亲水性磺酸基团，具有优秀的离子传导特性，全氟磺酸膜成为目前主流的质子交换膜方案。(2)催化层是膜电极5的重要组成部分，阳极使用催化剂促进氢气的氧化反应，涉及氧化反应、气体扩散、电子运动、质子运动、水的迁移等多种过程。阴极使用催化剂促进氧气的还原反应，涉及氧的还原、氧气扩散、电子运动、质子运动、反应生成的水排出等。(3)两片多孔气体扩散层将质子交换膜夹在中间，主要作用包括支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水。理想的气体扩散层需要具备高导电性、多孔性、适当的亲水/憎水平衡、高化学稳定性、高热稳定性以及低成本等特点。气体扩散层由支撑层和微孔层组成，支撑层材料主要为多孔的碳纤维纸、碳纤维织布、碳纤维无纺布及碳黑纸，微孔层通常是由导电炭黑和憎水剂构成。

并且，膜电极5可使用目前应用最广发的CCM制备工艺(Catalyst CoatedMembrane催化剂直接涂抹技术)，即将催化剂(Pt和Pt基催化剂)涂布在质子交换膜的两侧，再通过热压法将气体扩散层和附着催化层的质子交换膜结合在一起。通过CCM制备工艺增加了催化剂和质子交换膜的接触面积，降低了质子交换膜和催化剂之间的阻抗，提升了膜电极5性能。

在本实施例中，弹性导体6的形状为矩形，弹性导体6的两面均为平面且均为光面，保证封装载荷能够均匀分布在平面中，弹性导体因受到封装载荷发生塑性变形，使接触面紧密贴合，减小接触电阻。

弹性导体6的电阻率≤12μΩ·m，弹性导体6的厚度为0.1mm-5mm，弹性导体6的密度为0.4g/cm³-1.5g/cm³。

弹性导体6的抗压硬度小于石墨极板4的硬度，一般为弹性导体6的抗压硬度为20Mpa-60Mpa，弹性导体6的尺寸和第二集流体的集流面的尺寸相匹配。其中，尺寸相匹配指的是，弹性导体6的长度与后集流铜板7的长度相同，弹性导体6的宽度和后集流铜板7的宽度相同。当然，后集流铜板7的长和宽是相对的，一般来说，长度较长的边定义为长，长度较短的边定义为宽，也可将和水平面同方向的边定义为长,反之定义为宽。

在本实施例中，弹性导体6为柔性石墨板、泡沫紫铜、铜网和碳纸中的一种。其中，(1)柔性石墨板是用天然石墨鳞片经化学处理后，经过加热高温膨化、滚压形成。(2)泡沫紫铜的内部具有大量的三维立体孔状结构，同时兼具金属铜本身的耐碱腐蚀性、较好的抗拉强度及延展性，并有较好的电磁屏蔽及消声减震作用。(3)铜网是指铜丝经纬交叉编织而成的高数目铜丝网。(4)碳纸(碳布),又称为碳纤维纸(布)，以碳纤维为增强剂的功能增强材料，基质为天然纸浆或合成纸浆，辅以黏合剂和填料经抄纸工艺而制得的纸状复合材料。

本实用新型的安装原理如下：

弹性导体6安装时按照后端板8、后集流铜板7、弹性导体6、石墨极板4和膜电极5的顺序依次摆放，使弹性导体6与后集流铜板7和石墨极板4准确贴合。

本实用新型通过增设弹性导体6，增加石墨极板4与后集流铜板7之间的接触面积，由“点-点”(由于集流面为非平面结构即具有多个凸起点，并通过非平面结构的凸起部分与石墨极板接触，因此定义为“点-点”)接触变为“面-面”接触，使其发生塑性形变，从而使接触界面更紧密、均匀，减小电堆整体接触电阻，保障电池堆各单电池的电压一致性和电池堆性能。

在本实用新型实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于弹性导体的燃料电池堆，其特征在于：包括：

第一集流体，具有集流面；

多节堆叠设置的单电池(3)，所述单电池(3)包括顺序堆叠设置的石墨极板(4)和膜电极(5)；其中，末节所述单电池(3)包括顺序堆叠设置的石墨极板(4)、膜电极(5)和石墨极板(4)；

第二集流体，具有集流面；所述第一集流体和所述第二集流体将多节所述单电池(3)压紧后锁紧，且所述集流面朝向所述单电池(3)，形成多个所述单电池(3)串联的电池堆；其中，所述第二集流体和末节所述单电池(3)的石墨极板(4)之间均设有弹性导体(6)。

2.根据权利要求1所述的基于弹性导体的燃料电池堆，其特征在于：所述弹性导体(6)的形状为矩形，所述弹性导体(6)的两面均为平面且均为光面。

3.根据权利要求1所述的基于弹性导体的燃料电池堆，其特征在于：所述弹性导体(6)的电阻率≤12μΩ·m，所述弹性导体(6)的厚度为0.1mm-5mm，所述弹性导体(6)的密度为0.4g/cm³-1.5g/cm³。

4.根据权利要求1所述的基于弹性导体的燃料电池堆，其特征在于：所述弹性导体(6)的抗压硬度小于所述石墨极板(4)的硬度，所述弹性导体(6)的尺寸和所述第二集流体的集流面的尺寸相匹配。

5.根据权利要求1所述的基于弹性导体的燃料电池堆，其特征在于：所述弹性导体(6)为柔性石墨板、泡沫紫铜、铜网和碳纸中的一种。

6.根据权利要求1所述的基于弹性导体的燃料电池堆，其特征在于：所述膜电极(5)包括MEA质子交换膜、催化层和两片气体扩散层，所述催化层涂布在所述MEA质子交换膜的两侧，两片所述气体扩散层将所述MEA质子交换膜夹在中间。

7.根据权利要求1所述的基于弹性导体的燃料电池堆，其特征在于：所述第一集流体包括前端板(1)和前集流铜板(2)，所述前端板(1)和所述前集流铜板(2)依次堆叠设置。

8.根据权利要求1所述的基于弹性导体的燃料电池堆，其特征在于：第二集流体包括后集流铜板(7)和后端板(8)，所述后集流铜板(7)和所述后端板(8)依次堆叠设置。

9.根据权利要求1所述的基于弹性导体的燃料电池堆，其特征在于：所述单电池(3)的数量≥3节。

10.一种弹性导体，其特征在于：为如权利要求1-5任一项所述的基于弹性导体的燃料电池堆的弹性导体(6)。