CN220209021U - 电堆结构及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及燃料电池领域，公开了一种电堆结构及燃料电池，从缩短电堆结构厚度的角度出发，采用单极板替代双极板，通过在相邻两个电池组之间围设冷却液流道来满足对电堆结构的散热需求，并将同一电池组内的多个单电池并联且不同电池组之间串联，能够减小单电池的功率损失，电堆结构输出同等电压下电堆结构在第一方向的厚度更小，减小电堆结构的体积，提高了电堆结构的质量能量密度；每个电池组中除了用于围设冷却液流道的单极板外，其他单极板无需进行复杂的冷却液流道设计，单极板的加工较为简单，降低了电堆结构的加工成本。

Description

电堆结构及燃料电池

技术领域

本实用新型涉及燃料电池术领域，尤其涉及一种电堆结构及燃料电池。

背景技术

氢能被视为清洁高效、安全可持续的二次能源，是最具发展潜力的清洁能源。氢燃料电池是一种可以将氢气和氧化剂，一般是氧气中的化学能直接转化为电能的电化学储能装置，具有很高的能量转化效率。

目前的氢燃料电池多采用双极板和膜电极重复堆叠形成电堆，但双极板的厚度以及加工工艺限制了电堆功率密度。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种电堆结构及燃料电池，能够在不增大电堆结构尺寸的前提下，提高燃料电池的功率密度。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

电堆结构，包括多个沿第一方向依次堆叠设置的单极板，相邻两个所述单极板的极性相反；所有所述单极板被分为沿所述第一方向依次设置的至少两个电池组；每个所述电池组包括多个所述单极板，同一所述电池组的多个所述单极板形成多个单电池；

同一所述电池组内的多个所述单电池并联；不同的所述电池组之间串联；

同一所述电池组内相邻两个所述单极板之间设有质子交换膜，相邻两个所述电池组之间围成有冷却液流道。

作为上述电堆结构的一种优选技术方案，同一所述电池组的多个所述单极板中，与相邻所述电池组形成所述冷却液流道的所述单极板为单极板一，其他所述单极板为单极板二；

所述单极板二厚度方向的相对两侧均设有气体流道；所述单极板一厚度方向的一侧设置有所述气体流道，另一侧设置有冷却流道；相邻两个所述电池组的两个所述单极板一的所述冷却流道连通形成所述冷却液流道。

作为上述电堆结构的一种优选技术方案，所述单极板包括一个第一单极板，每个所述电池组具有N个所述第一单极板，N为大于等于4的偶数。

作为上述电堆结构的一种优选技术方案，同一所述电池组中，极性相同的所述第一单极板电连接。

作为上述电堆结构的一种优选技术方案，所述单极板包括第一单极板，及与所述第一单极板二一对应且极性相反的第二单极板，所述第一单极板和对应的所述第二单极板沿第二方向分布，所述第二方向垂直于所述第一方向；

任一相邻两个所述第一单极板中，其中一个所述第一单极板和对应的所述第二单极板沿第二方向绝缘设置形成分裂单极板，另一个所述第一单极板和对应的所述第二单极板电连接形成组合单极板；

同一所述电池组内，所述分裂单极板较所述组合单极板多一个。

作为上述电堆结构的一种优选技术方案，同一所述电池组中，所有所述分裂单极板中的所述第一单极板电连接，且所有所述分裂单极板中的所述第二单极板电连接。

作为上述电堆结构的一种优选技术方案，分别位于相邻两个所述电池组中且与所述冷却液流道相邻的两个所述单极板为所述分裂单极板。

作为上述电堆结构的一种优选技术方案，分别位于相邻两个所述电池组中且与所述冷却液流道相邻的两个所述第一单极板电连接。

作为上述电堆结构的一种优选技术方案，不同所述电池组内所述单极板的个数相同。

为了实现上述目的，本实用新型还提供了一种燃料电池，包括上述任一方案所述的电堆结构。

本实用新型有益效果：本实用新型提供的电堆结构及燃料电池，从缩短电堆结构厚度的角度出发，采用单极板替代双极板，通过在相邻两个电池组之间围设冷却液流道来满足对电堆结构的散热需求，并将同一电池组内的多个单电池并联且不同电池组之间串联，能够减小单电池的功率损失，电堆结构输出同等电压下电堆结构在第一方向的厚度更小，减小电堆结构的体积，提高了电堆结构的质量能量密度；每个电池组中除了用于围设冷却液流道的单极板外，其他单极板无需进行复杂的冷却液流道设计，单极板的加工较为简单，降低了电堆结构的加工成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对本实用新型实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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，还可以根据本实用新型实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例一提供的电堆结构的原理图；

图2和图3是本实用新型实施例一提供的与冷却液流道不相邻的一个第一单极板厚度方向相对两侧的示意图；

图4是本实用新型实施例二提供的电堆结构的原理图；

图5和图6是本实用新型实施例二提供的与冷却液流道不相邻的相邻两个单极板在堆叠方向同一侧的示意图。

图中：

1、第一单极板；2、第二单极板；3、质子交换膜；4、冷却液流道；5、结合部位；

100、组合单极板；200、分裂单极板；300、电池组；400、凹槽；500、第一气体进出口；600、内部栅栏；700、第二气体进出口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种电堆结构，包括多个沿第一方向依次堆叠设置的单极板，相邻两个单极板的极性相反；所有单极板被分为沿第一方向依次设置的至少两个电池组300；每个电池组300包括多个单极板，同一电池组300的多个单极板形成多个单电池；同一电池组300内的多个单电池并联；不同的电池组300之间串联；同一电池组300内相邻两个单极板之间设有质子交换膜3，相邻两个电池组300之间围成有冷却液流道4。

本实施例提供的电堆结构，从缩短电堆结构厚度的角度出发，采用单极板替代双极板，通过在相邻两个电池组300之间围设冷却液流道4来满足对电堆结构的散热需求，并将同一电池组300内的多个单电池并联且不同电池组300之间串联，能够减小单电池的功率损失，电堆结构输出同等电压下电堆结构在第一方向的厚度更小，减小电堆结构的体积，提高了电堆结构的质量能量密度；每个电池组300中除了用于围设冷却液流道4的单极板外，其他单极板无需进行复杂的冷却液流道4设计，单极板的加工较为简单，降低了电堆结构的加工成本。

具体地，单极板包括一个第一单极板1，每个电池组300具有N个第一单极板1，N为大于等于4的偶数，不同电池组300内第一单极板1的个数相同。

考虑到散热需求，每个电池组300内单电池的个数可以根据实际需求确定。示例性地，N＝6。考虑到电堆结构的总功率需求，电池组300的个数可以根据总功率需求确定。图1中仅示出了两个电池组300。

每个电池组300形成三个单电池，同一电池组300的三个单电池并联后与其他电池组300串联。

为了将同一电池组300内的多个单电池并联，可选地，同一电池组300中，极性相同的第一单极板1电连接。

为了将相邻两个电池组300串联，可选地，分别位于相邻两个电池组300中且与冷却液流道4相邻的两个第一单极板1电连接。

可选地，同一电池组300的多个单极板中，与相邻电池组300形成冷却液流道4的单极板为单极板一，其他单极板为单极板二。单极板二厚度方向的相对两侧均设有气体流道，使质子交换膜3和与其相邻的单极板之间的气体流道能够流通用于电化学反应的气体。单极板一厚度方向的一侧设置有气体流道，另一侧设置有冷却流道，相邻两个电池组300的两个单极板一的冷却流道连通形成冷却液流道4。

单极板一即为现有技术中形成双极板的单极板，单极板二相比单极板一而言，单极板二的厚度更小，单极板二重量更轻，有利于电堆结构在堆叠方向的尺寸缩减以及电堆结构减重。

单极板一的结构为现有技术，在此不再具体介绍，下面结合图2对单极板二的结构进行简要介绍。图2和图3分别示出了与冷却液流道4不相邻的一个单极板厚度方向相对两侧的示意图，与冷却液流道4不相邻的单极板即为单极板二；单极板二可以采用石墨板或金属板；单极板二的一呈对角设置的拐角设置有第一气体进出口500，另一呈对角设置的拐角设置有第二气体进出口700。单极板二厚度方向的两侧均设置有凹槽400，凹槽400内设置有内部栅栏600，内部栅栏600主要用于气体分体和电子传输，单极板二厚度方向一侧的内部栅栏600两侧的凹槽400分别与两个第一气体进出口500连通。单极板二厚度方向另一侧的内部栅栏600两侧的凹槽400分别与两个第一气体进出口500连通。单极板二厚度方向的两侧分别流通相同的反应气体，相邻两个单极板之间的质子交换膜3的相对两侧流通不同的反应气体。

内部栅栏600可以与单极板二采用相同材料如金属板制作，此时为了使内部栅栏600上下两侧的凹槽400连通，金属板上设有孔槽等；也可以将内部栅栏600采用碳纤维多孔介质，此时内部栅栏600上下两侧的凹槽400直接通过碳纤维多孔介质连通，电化学反应主要发生在内部栅栏600附近。

本实施例还提供了一种燃料电池，包括上述的电堆结构，该燃料电池具有与电堆结构相同的有益效果，在此不再重复赘叙。

实施例二

如图4所示，实施例二在实施例一的基础上对单极板进行改进，具体地，单极板包括第一单极板1，及与第一单极板1一一对应且极性相反的第二单极板2，第一单极板1和对应的第二单极板2沿第二方向分布，第二方向垂直于第一方向；任一相邻两个第一单极板1中，其中一个第一单极板1和对应的第二单极板2沿第二方向绝缘设置形成分裂单极板200，另一个第一单极板1和对应的第二单极板2电连接形成组合单极板100；同一电池组300内，分裂单极板200较组合单极板100多一个。

示例性地，同一电池组300内，设置有四个分裂单极板200和三个组合单极板100。

为了使同一电池组300内的多个单电池并联，可选地，同一电池组300中，所有分裂单极板200中的第一单极板1电连接，且所有分裂单极板200中的第二单极板2电连接。

可选地，任一分裂单极板200的第一单极板1和第二单极板2绝缘相连，任一组合单极板100的第一单极板1和第二单极板2导电连接，从而实现同一电池组300内多个单电池并联。

可选地，分别位于相邻两个电池组300中且与冷却液流道4相邻的两个单极板为分裂单极板200。如此设计，便于将相邻两个电池组300之间串联。

可选地，分别位于相邻两个电池组300中且与冷却液流道4相邻的两个第一单极板1电连接。如此设计，实现将相邻两个电池组300之间串联。

可选地，图5和图6分别示出了与冷却液流道4不相邻的相邻两个单极板在堆叠方向同一侧的示意图，与冷却液流道4不相邻的单极板即为单极板二，单极板二包括一个第一单极板1和一个第二单极板2，第一单极板1和第二单极板2中的一个为阳极板，另一个为阴极板。第一单极板1和第二单极板2之间的结合部位5为绝缘部件或电连接部位，对于分裂单极板200而言，第一单极板1和第二单极板2的结合部位5为绝缘部位；对于组合单极板100而言，第一单极板1和第二单极板2之间的结合部位5为电连接部位。同层的阳极板和阴极板旋转对称设置，即将阳极板和阴极板中的任一个旋转一定角度后和另一个重合。相邻两层的单极板镜像对称设置，相邻两层的单极板中，两个第一单极板1之间的气体和两个第二单极板2之间流通的反应气体不同，一个为阳极反应气体，一个为阴极反应气体。相邻三层单极板中，中间的第一单极板1和其两侧的第一单极板1之间的流通的反应气体不同。

为便于描述，图5和图6中面朝纸面的方向为前侧，背对纸面的方向为后侧。图5中左侧的第一单极板1具有两个第一气体进出口500和一个第二气体进出口700；图6中左侧的第一单极板1具有两个第二气体进出口700和一个第一气体进出口500。例如：其中一种反应气体穿过图5中左侧的第一单极板1上的第二气体进出口700进入到图6中左侧的第一单极板1左上角的第二气体进出口700，再由图6中左侧的第一单极板1左上角的第二气体进出口700进入图6中左侧的第一单极板1前侧的凹槽400中，之后由图6中左侧的第一单极板1右下角的第二气体进出口700排出。另一种反应气体由图5中左侧的第一单极板1的第一气体进出口500进入图5中左侧的第一单极板1前侧的凹槽400中，再由图5中左侧的第一单极板1左下角的第一气体进出口500进入到图6中左侧的第一单极板1左下角的第一气体进出口500。

第二单极板2的气体流动和第一单极板1的气体流动类似，在此不再具体介绍。

此外，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.电堆结构，其特征在于，包括多个沿第一方向依次堆叠设置的单极板，相邻两个所述单极板的极性相反；所有所述单极板被分为沿所述第一方向依次设置的至少两个电池组(300)；每个所述电池组(300)包括多个所述单极板，同一所述电池组(300)的多个所述单极板形成多个单电池；

同一所述电池组(300)内的多个所述单电池并联；不同的所述电池组(300)之间串联；

同一所述电池组(300)内相邻两个所述单极板之间设有质子交换膜(3)，相邻两个所述电池组(300)之间围成有冷却液流道(4)。

2.根据权利要求1所述的电堆结构，其特征在于，同一所述电池组(300)的多个所述单极板中，与相邻所述电池组(300)形成所述冷却液流道(4)的所述单极板为单极板一，其他所述单极板为单极板二；

所述单极板二厚度方向的相对两侧均设有气体流道；所述单极板一厚度方向的一侧设置有所述气体流道，另一侧设置有冷却流道；相邻两个所述电池组(300)的两个所述单极板一的所述冷却流道连通形成所述冷却液流道(4)。

3.根据权利要求1所述的电堆结构，其特征在于，所述单极板包括一个第一单极板(1)，每个所述电池组(300)具有N个所述第一单极板(1)，N为大于等于4的偶数。

4.根据权利要求3所述的电堆结构，其特征在于，同一所述电池组(300)中，极性相同的所述第一单极板(1)电连接。

5.根据权利要求1所述的电堆结构，其特征在于，所述单极板包括第一单极板(1)，及与所述第一单极板(1)一一对应且极性相反的第二单极板(2)，所述第一单极板(1)和对应的所述第二单极板(2)沿第二方向分布，所述第二方向垂直于所述第一方向；

任一相邻两个所述第一单极板(1)中，其中一个所述第一单极板(1)和对应的所述第二单极板(2)沿第二方向绝缘设置形成分裂单极板(200)，另一个所述第一单极板(1)和对应的所述第二单极板(2)电连接形成组合单极板(100)；

同一所述电池组(300)内，所述分裂单极板(200)较所述组合单极板(100)多一个。

6.根据权利要求5所述的电堆结构，其特征在于，同一所述电池组(300)中，所有所述分裂单极板(200)中的所述第一单极板(1)电连接，且所有所述分裂单极板(200)中的所述第二单极板(2)电连接。

7.根据权利要求5所述的电堆结构，其特征在于，分别位于相邻两个所述电池组(300)中且与所述冷却液流道(4)相邻的两个所述单极板为所述分裂单极板(200)。

8.根据权利要求3或7所述的电堆结构，其特征在于，分别位于相邻两个所述电池组(300)中且与所述冷却液流道(4)相邻的两个所述第一单极板(1)电连接。

9.根据权利要求3或7所述的电堆结构，其特征在于，不同所述电池组(300)内所述单极板的个数相同。

10.燃料电池，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的电堆结构。