CN220400634U - 一种氢燃料电池电堆 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种氢燃料电池电堆,该电堆的第一穿墙接头的第一基板下侧无缝贴合在双极板‑膜电极组件上、上侧贴合在阳极尾板下侧,且第一穿墙接头的第一集成体从第一孔洞穿出;该电堆的第二穿墙接头的第二基板下侧无缝贴合在双极板‑膜电极组件上、上侧贴合在阳极尾板下侧,且第二穿墙接头的第二集成体从第二孔洞穿出。本实用新型采用氢气、空气和冷却液采用整体穿墙接头的巧妙设计,结构小巧,紧凑,并且三种介质各自有独立的流道;此外,本实用新型能确保介质与铜电极相互独立,没有接触,密封更加容易,有效延长密封材料的使用寿命。

Description

一种氢燃料电池电堆
技术领域
本实用新型属于燃料电池领域,尤其涉及一种氢燃料电池电堆。
背景技术
氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阳极和阴极,氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阴极。由于效率高、噪声小、启动温度低、零污染等优点,被广泛应用于固定式发电、交通运输以及便携式电源等领域。
氢燃料电池电堆是发生电化学反应的场所,为燃料电池系统(或燃料电池发动机)核心部分。氢燃料电池电堆由多个燃料电池单体以串联方式层叠组合构成。双极板与膜电极MEA交替叠合,各单体之间嵌入密封件,经前、后端板压紧后用螺杆紧固或者用包扎钢带拴牢,即构成氢燃料电池电堆。作为氢燃料电池汽车的“心脏”,电堆的长期稳定性和使用寿命至关重要,要想整个电堆系统在密闭环境中实现长久有效的运行,就需要构建良好的密封性,同时由于氢燃料电池电堆有多个燃料电池单体以串联方式层叠组合构成,输出电压为直流高压,这就要求端板与铜电极之间有良好的绝缘性。
现有的电堆尾板、绝缘板和铜电极大小相同,氢气、空气、冷却液的接口都设在尾板上,尾板一般采用强度高、质量小的铝合金制成。尾板和铜电极之间设有绝缘板,并且设有密封垫或密封圈。由于氢燃料电池工作的特殊环境,有氢气、有冷却液并且铜电极上有电流,同时燃料电池反应会生成水并放出热量。现有的电堆结构,铜电极在复杂的环境中(有冷却液、有水、有电流、有热量)容易腐蚀,而且复杂的环境会加速密封圈或者密封垫老化,从而使绝缘板上有液体,导致铜电极和端板之间导电,使燃料电池无法正常工作甚至发生触电危险。
实用新型内容
为克服现有技术的缺点和不足,本实用新型的目的在于提供一种氢燃料电池电堆。
本实用新型是这样实现的,一种氢燃料电池电堆,该电堆包括双极板-膜电极组件,在双极板-膜电极组件的阴极至阳极方向上,该双极板-膜电极组件阳极端顺序装配有阳极铜电极、阳极绝缘板、阳极尾板,在双极板-膜电极组件的阳极至阴极方向上,该双极板-膜电极组件的阴极端顺序装配有阴极铜电极、阴极绝缘板、金属垫板、波形弹簧以及阴极尾板,所述阳极尾板、阴极尾板之间通过双头螺柱紧固为整体,所述电堆还包括第一穿墙接头、第二穿墙接头,所述第一穿墙接头包括第一基板以及集成在第一基板上的第一集成体,所述第一集成体上设有彼此独立的阳极氢气入口、冷却入口、阴极空气出口,所述第二穿墙接头包括第二基板以及集成在第二基板上的第二集成体,所述第二集成体上设有彼此独立的阳极氢气出口、冷却出口、阴极空气入口;所述阳极尾板的两相对方向上的板体上分别设有第一孔洞、第二孔洞;其中,所述第一穿墙接头的第一基板下侧无缝贴合在双极板-膜电极组件上、上侧贴合在阳极尾板下侧,且第一穿墙接头的第一集成体从第一孔洞穿出;所述第二穿墙接头的第二基板下侧无缝贴合在双极板-膜电极组件上、上侧贴合在阳极尾板下侧,且第二穿墙接头的第二集成体从第二孔洞穿出。
优选地,所述阳极氢气入口与阳极氢气出口呈斜对角布置,所述阴极空气入口与阴极空气出口呈斜对角布置,且冷却入口与冷却出口呈直线布置。
优选地,所述阳极铜电极、阳极绝缘板位于第一基板、第二基板之间。
优选地,所述阳极铜电极边缘设有用于作为接头的阳极折边;所述阳极折边朝阳极尾板方向弯折并置于阳极尾板边缘的卡槽中。
优选地,在双极板-膜电极组件与第一基板和第二基板结合部位设有密封垫圈。
优选地,所述阴极铜电极边缘设有用于作为接头的阴极折边;所述阴极折边朝阴极尾板方向弯折并置于阴极尾板边缘的卡槽中。
优选地,所述阴极尾板两侧自带螺纹孔,双头螺柱阴极端直接旋进螺孔。
优选地,所述双头螺柱的柱身上套设有绝缘热缩管。
相比于现有技术的缺点和不足,本实用新型具有以下有益效果:
(1)本实用新型采用氢气、空气和冷却液采用整体穿墙接头的巧妙设计,结构小巧,紧凑,并且三种介质(氢气、空气、冷却液)各自有独立的流道,阳极尾板上预留接头穿过的孔洞,在螺柱配合螺栓的作用下压紧穿墙接头;
(2)本实用新型独特的穿墙接头设计有利于减小铜电极的长宽,通过增加垫板厚度,降低铜电极厚度,从而降低成本;尤其是铜电极,为了保持铜电极较高的防腐性和导电性,一般采用镀金镀银处理,该实用性新使电堆铜电极的有效利用面积大幅提升,使铜电极的成本大幅下降,铜电极采用折弯的设计比平板设计更节约空间,更加便于安装;
(3)本实用新型能确保介质与铜电极相互独立,没有接触,密封更加容易,有效延长密封材料的使用寿命。
附图说明
图1是本实用新型氢燃料电池电堆的主视结构示意图;
图2是图1的俯视结构示意图;
图3是本实用新型电池电堆的爆炸结构示意图;
其中,双极板-膜电极组件-1、第一穿墙接头-2、第二穿墙接头-3、阳极尾板-4、阳极铜电极-5、阳极绝缘板-6、盖母-7、平垫-8、弹垫-9、双头螺柱-10、阴极铜电极-11、阴极绝缘板-12、波形弹簧-13、金属垫板-14、阴极尾板-15、阳极氢气入口-2.1、冷却入口-2.2、阴极空气出口-2.3、阴极空气入口-3.3、冷却出口-3.2、阳极氢气出口-3.1。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型,并不用于限定本实用新型。
如图1~3所示,其中,图1是本实用新型氢燃料电池电堆的主视结构示意图;图2是图1的俯视结构示意图;图3是本实用新型电池电堆的爆炸结构示意图。
本实用新型实施例公开了一种氢燃料电池电堆,该电堆包括双极板-膜电极组件1,在双极板-膜电极组件1的阴极至阳极方向上,该双极板-膜电极组件1阳极端顺序装配有阳极铜电极5、阳极绝缘板6、阳极尾板4,在双极板-膜电极组件1的阳极至阴极方向上,该双极板-膜电极组件1的阴极端顺序装配有阴极铜电极11、阴极绝缘板12、金属垫板14、波形弹簧13以及阴极尾板15,所述阳极尾板4、阴极尾板15之间通过双头螺柱10紧固为整体,所述电堆还包括第一穿墙接头2、第二穿墙接头3,所述第一穿墙接头2包括第一基板以及集成在第一基板上的第一集成体,所述第一集成体上设有彼此独立的阳极氢气入口2.1、冷却入口2.2、阴极空气出口2.3,所述第二穿墙接头3包括第二基板以及集成在第二基板上的第二集成体,所述第二集成体上设有彼此独立的阳极氢气出口3.1、冷却出口3.2、阴极空气入口3.3;所述阳极尾板4的两相对方向上的板体上分别设有第一孔洞、第二孔洞;其中,所述第一穿墙接头2的第一基板下侧无缝贴合在双极板-膜电极组件1上、上侧贴合在阳极尾板4下侧,且第一穿墙接头2的第一集成体从第一孔洞穿出;所述第二穿墙接头3的第二基板下侧无缝贴合在双极板-膜电极组件1上、上侧贴合在阳极尾板4下侧,且第二穿墙接头3的第二集成体从第二孔洞穿出。
在本实用新型实施例中,具体地,阳极尾板4、阴极尾板15的边缘均布凸起,该凸起之间则为卡槽,阳极尾板4的凸起上设有通孔,阴极围板的凸起上设有螺孔,在相应位置处,各通孔与对应的螺孔共轴心,以一组配对的通孔、螺孔为例,一双头螺柱10的底端螺纹部穿过通孔拧入螺孔、顶端螺纹部位于通孔外,该顶端螺纹部配合盖母7、平垫8、弹垫9拧紧。
本实用新型电堆的装配过程具体为:先将阴极尾板15置于专用治具之上,放入波形弹簧13、金属垫板14、阴极绝缘板12,然后放置阴极铜电极11,接下来就是依次交互放入双极板和膜电极形成双极板-膜电极组件1;然后装配阳极相关零部件,依次置入阳极铜电极5、阳极绝缘板6,下一步放置第一穿墙接头2和第二穿墙接头3,最后放入阳极尾板4。在专用治具压力机压头的作用下压紧组件,拧入双头螺柱10,依次置入平垫8、弹垫9,按规定的扭矩拧紧盖母7,然后松开压力机,至此电堆装配完成。
在本实用新型实施例中,第一穿墙接头2和第二穿墙接头3采用整体设计,有效减少漏点,增加可靠性。可实现第一基板、第二基板下侧在双极板-膜电极组件1上的无缝贴合方式均可以用于解释本实用新型,优选地,在本实用新型实施例中,在双极板-膜电极组件1与第一基板和第二基板结合部位设有密封垫圈。
在进一步的实施过程中,为便于流道的布置,在本实用新型实施例中,优选地,所述阳极氢气入口2.1与阳极氢气出口3.1呈斜对角布置,所述阴极空气入口3.3与阴极空气出口2.3呈斜对角布置,且冷却入口2.2与冷却出口3.2呈直线布置。在本实用新型中,阳极氢气入口2.1、冷却入口2.2及阴极空气出口2.3各自有各自的流道互不相通,阳极氢气出口3.1、冷却出口3.2及阴极空气入口3.3之间也互不相通。采用这种布置方式有利于流道电堆内的全面布置。
在进一步的实施过程中,为进一步提高安全性,在本实用新型实施例中,所述阳极铜电极5、阳极绝缘板6位于第一基板、第二基板之间。容易理解的是,阳极铜电极5与阳极尾板4长度不相等,相差第一穿墙接头2和第二穿墙接头3的基板宽度,这样阳极铜电极5与第一穿墙接头2、第二穿墙接头3只有侧边接触,氢气、空气和冷却液不需要流过阳极铜电极5,确保介质与铜电极相互独立,没有接触,很好的避免了阳极铜电极5遭受侵蚀,同时增加了阳极铜电极5和阳极尾板4之间的绝缘性,从而进一步提高安全性。此外,为了保持铜电极较高的防腐性和导电性,一般为铜板镀金处理。阳极铜电极5尺寸减小可以有效的节约材料,进一步降低了成本。
在进一步的实施过程中,为尽可能的节约空间,在本实用新型实施例中,所述阳极铜电极5边缘设有用于作为接头的阳极折边;所述阳极折边朝阳极尾板4方向弯折并置于阳极尾板4边缘的卡槽中。基于同样的考虑,所述阴极铜电极11边缘设有用于作为接头的阴极折边;所述阴极折边朝阴极尾板15方向弯折并置于阴极尾板15边缘的卡槽中。阳极铜电极5和阴极铜电极11采用折边的设计比平板设计更节约空间,更加便于安装。
在进一步的实施过程中,所述阴极尾板两侧自带螺纹孔,双头螺柱10阴极端直接旋进螺孔,不需要垫片螺母。该设置不仅能进一步减少配件,而且由于螺丝不冒头,能提高堆功率密度;此外,该设置还有利于精确定位,螺杆不会因为未紧固而晃动。
在进一步的实施过程中,为增强绝缘性能,在本实用新型实施例中,所述双头螺柱10的柱身上套设有绝缘热缩管。绝缘热缩管可有效增强双头螺柱10与铜电极间的绝缘性能。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已,并不用以限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种氢燃料电池电堆,该电堆包括双极板-膜电极组件,在双极板-膜电极组件的阴极至阳极方向上,该双极板-膜电极组件阳极端顺序装配有阳极铜电极、阳极绝缘板、阳极尾板,在双极板-膜电极组件的阳极至阴极方向上,该双极板-膜电极组件的阴极端顺序装配有阴极铜电极、阴极绝缘板、金属垫板、波形弹簧以及阴极尾板,所述阳极尾板、阴极尾板之间通过双头螺柱紧固为整体,其特征在于,所述电堆还包括第一穿墙接头、第二穿墙接头,所述第一穿墙接头包括第一基板以及集成在第一基板上的第一集成体,所述第一集成体上设有彼此独立的阳极氢气入口、冷却入口、阴极空气出口,所述第二穿墙接头包括第二基板以及集成在第二基板上的第二集成体,所述第二集成体上设有彼此独立的阳极氢气出口、冷却出口、阴极空气入口;所述阳极尾板的两相对方向上的板体上分别设有第一孔洞、第二孔洞;其中,
所述第一穿墙接头的第一基板下侧无缝贴合在双极板-膜电极组件上、上侧贴合在阳极尾板下侧,且第一穿墙接头的第一集成体从第一孔洞穿出;所述第二穿墙接头的第二基板下侧无缝贴合在双极板-膜电极组件上、上侧贴合在阳极尾板下侧,且第二穿墙接头的第二集成体从第二孔洞穿出。
2.如权利要求1所述的氢燃料电池电堆,其特征在于,所述阳极氢气入口与阳极氢气出口呈斜对角布置,所述阴极空气入口与阴极空气出口呈斜对角布置,且冷却入口与冷却出口呈直线布置。
3.如权利要求1所述的氢燃料电池电堆,其特征在于,所述阳极铜电极、阳极绝缘板位于第一基板、第二基板之间。
4.如权利要求3所述的氢燃料电池电堆,其特征在于,所述阳极铜电极边缘设有用于作为接头的阳极折边;所述阳极折边朝阳极尾板方向弯折并置于阳极尾板边缘的卡槽中。
5.如权利要求1所述的氢燃料电池电堆,其特征在于,在双极板-膜电极组件与第一基板和第二基板结合部位设有密封垫圈。
6.如权利要求1所述的氢燃料电池电堆,其特征在于,所述阴极铜电极边缘设有用于作为接头的阴极折边;所述阴极折边朝阴极尾板方向弯折并置于阴极尾板边缘的卡槽中。
7.如权利要求1所述的氢燃料电池电堆,其特征在于,所述阴极尾板两侧自带螺纹孔,双头螺柱阴极端直接旋进螺孔,不需要垫片螺母。
8.如权利要求1所述的氢燃料电池电堆,其特征在于,所述双头螺柱的柱身上套设有绝缘热缩管。
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