CN2554805Y - 一种具有均匀紧固压力的燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种具有均匀紧固压力的燃料电池堆，包括至少一组由导流极板与质子交换膜电极构成的单电池，前、后集流母板，一气垫囊以及前、后端板，所述的前、后集流母板夹设于至少一组单电池两端，所述的气垫囊夹设于集流母板与端板之间，所述的前、后端板分别夹设于前集流母板及气垫囊外侧，所述的前、后端板上穿设有至少两条拉杆，该拉杆两端设有紧固螺帽，通过调节该紧固螺帽，将前、后端板压紧，从而将燃料电池堆紧固；与现有技术相比，本实用新型结构紧凑、安装方便，并使燃料电池堆始终处于承受较安全、均匀的压力状态。

Description

一种具有均匀紧固压力的燃料电池堆

技术领域

本实用新型涉及燃料电池，尤其涉及一种具有均匀紧固压力的燃料电池堆。

背景技术

电化学燃料电池是一种能够将氢燃料及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学反应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。

在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。

在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。

在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：

阳极反应：

阴极反应：

在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导流电极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导流电极板可以是金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流电极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流极板与阴极氧化剂的导流极板。这些导流极板既作为电流集流母板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流极板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。

为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。

一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或由甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组后进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。

质子交换膜燃料电池既可以用作车、船等运载工具的动力系统，又可以用作移动式或固定式发电站。

质子交换膜燃料电池一般由若干个单电池通过串联或并联方式组装一起成为燃料电池堆。

如图1是现有燃料电池单电池中的导流极板，它包括空气进气口1a，进水口2a，氢气进气口3a，流道4a，空气出气口5a，出水口6a，氢气出气口7a；如图2是现有燃料电池单电池中的三合一膜电极，它包括空气进气口1a，进水口2a，氢气进气口3a，电极活性区域8a，空气出气口5a，出水口6a，氢气出气口7a；如图3是现有的燃料电池堆，它包括燃料电池堆9a、集流母板10a、端板11a、金属拉杆12a、螺帽13a。

现有燃料电池堆一般由若干个单电池(单电池由导流极板、三合一膜电极构成)，集流母板、前、后端板组装而成，前、后端板上有许多条拉杆，一般用紧固件使拉杆将前、后端板压紧成为一个燃料电池堆；紧固件拉杆加螺丝的方法是通常的紧固方法。

燃料电池堆必须用紧固件将前后端板充分压紧，但又必须均匀地压紧到某一合适的压力范围内，确保燃料电池堆安全、高效运行。

目前这种通常的用拉杆加紧固件的紧固方法有以下技术缺陷：

(1)对燃料电池堆拉杆紧固装配要求特别高，必须达到整个燃料电池堆的前、后端板上每个区域受到基本一致及相同的紧固力，这种要求是非常困难的，实际操作往往会使整个燃料电池堆的前、后端板上某个区域受到的紧固力较小，而某个区域受到的紧固力较大，而导致燃料电池极板上的某些区域受到压紧力不够，导致电极与导流极板接触电阻太大，而某些区域受到压紧力太大，导致极板变形或碎裂，或导致电极受伤。

(2)这种燃料电池堆靠拉杆紧固装配在燃料电池受热膨胀或冷缩时，燃料电池堆的前后端板上受到的压力大不一样，严重时会导致极板或电极受伤。

发明内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有均匀紧固压力的燃料电池堆。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种具有均匀紧固压力的燃料电池堆，包括至少一组由导流极板与质子交换膜电极构成的单电池，前、后集流母板，前、后端板，所述的前、后集流母板夹设于至少一组单电池的两端，所述的前、后端板夹设于前、后集流母板的两外侧，所述的前、后端板上穿设有至少两条拉杆，该拉杆两端设有紧固螺帽，通过调节该紧固螺帽，将前、后端板压紧，从而将燃料电池堆紧固；其特征在于，还包括一气垫囊，该气垫囊夹设于集流母板与端板之间。

所述的气垫囊的侧部设有一充气嘴。

所述的气垫囊可夹设于前集流母板与前端板之间，或者夹设于后集流母板与后端板之间。

所述的拉杆为四条拉杆，该四条拉杆分别穿设于前、后端板的四角。

所述的拉杆为两条拉杆，该两条拉杆分别穿设于前、后端板的左、右边中间或上、下边中间。

所述的紧固螺帽与端板之间设有垫圈。

本实用新型由于采用了以上技术方案，即在燃料电池堆的集流母板与端板之间设置了一气垫囊，因此可以使燃料电池堆前、后端板及每个电极极板的每个区域承受均匀的紧固压力，并且可以根据需要或电池堆运行情况随时调节紧固压力。

附图说明

图1为现有燃料电池堆导流极板的结构示意图；

图2为现有燃料电池堆三合一膜电极的结构示意图；

图3为现有燃料电池堆的结构示意图；

图4为本实用新型的结构示意图；

图5为本实用新型气垫囊的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本实用新型作进一步说明。

如图4所示，一种具有均匀紧固压力的燃料电池堆，包括多组由导流极板与质子交换膜电极构成的单电池1，前、后集流母板2，气垫囊3，前、后端板4；所述的前、后集流母板2夹设于多组单电池1的两端；所述的气垫囊3概呈燃料电池堆1的导流极板和端板4的形状(本实施例为接近正方形)，该气垫囊3夹设于后集流母板2与后端板4之间，它的侧部设有一充气嘴31(如图5所示)，通过调节该充气嘴31，可控制气垫囊3中的气量大小；所述的前、后端板4分别夹设于前集流母板2以及气垫囊3的外侧；所述的前、后端板4的四角穿设有四条拉杆5(也可以设置两条拉杆，该两条拉杆分别穿设于前、后端板的左、右边中间或上、下边中间，以确保压力平衡)，该拉杆5两端设有紧固螺帽6，该紧固螺帽6与端板4之间设有垫圈7，通过调节该紧固螺帽6，将前、后端板4压紧，从而将燃料电池堆1紧固。

实用新型设计的气垫囊原理上与自行车轮胎里的内胎相似，但形状上呈长方体形或正方形(见图5)，其厚度大约在0.5～2厘米左右，面积形状大小与燃料电池极板大小差不多，或稍大一点；将这个气垫囊放在燃料电池后端板(不进出燃料电池流体的端板)前面，先将燃料电池堆用通常的拉杆加螺丝紧固件方法将燃料电池堆紧固到较松状态；然后，将高压空气或其他气体，如氮气用打气筒等充入气袋中，使之膨胀，将燃料电池堆压紧，其膨胀程度，主要取决于充气的压力，充气压力一般控制在2～5个大气压之间，并且膨胀程度应使燃料电池堆紧缩0.5～2公分之间。

采用这种充气气垫囊再加上通常的拉杆及普通紧固件方法，燃料电池堆平常(在不运行状态下)可以将气袋中气体压力调节低一点，在运行状态下，又可调节气袋压力高一点，使燃料电池堆承受高一点的压力。

由于气垫囊的材料一般由柔性的橡胶、塑料等制成，内部气体变形自如，使整个燃料电池堆每个极板及电极，包括前、后端板都处于均匀压力下，不会出现某个区域承受压力过大或过小的问题。本实用新型的方案使燃料电池堆的装配简便易行，并使燃料电池堆始终处于承受较安全、均匀的压力状态。

Claims (6)

1.一种具有均匀紧固压力的燃料电池堆，包括至少一组由导流极板与质子交换膜电极构成的单电池，前、后集流母板，前、后端板，所述的前、后集流母板夹设于至少一组单电池的两端，所述的前、后端板夹设于前、后集流母板的两外侧，所述的前、后端板上穿设有至少两条拉杆，该拉杆两端设有紧固螺帽，通过调节该紧固螺帽，将前、后端板压紧，从而将燃料电池堆紧固；其特征在于，还包括一气垫囊，该气垫囊夹设于集流母板与端板之间。

2.根据权利要求1所述的一种具有均匀紧固压力的燃料电池堆，其特征在于，所述的气垫囊的侧部设有一充气嘴。

3.根据权利要求1所述的一种具有均匀紧固压力的燃料电池堆，其特征在于，所述的气垫囊可夹设于前集流母板与前端板之间，或者夹设于后集流母板与后端板之间。

4.根据权利要求1所述的一种具有均匀紧固压力的燃料电池堆，其特征在于，所述的拉杆为四条拉杆，该四条拉杆分别穿设于前、后端板的四角。

5.根据权利要求1所述的一种具有均匀紧固压力的燃料电池堆，其特征在于，所述的拉杆为两条拉杆，该两条拉杆分别穿设于前、后端板的左、右边中间或上、下边中间。

6.根据权利要求1所述的一种具有均匀紧固压力的燃料电池堆，其特征在于，所述的紧固螺帽与端板之间设有垫圈。

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