CN2802738Y - 一种单独模块式燃料电池堆 - Google Patents

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夏建伟
郭伟良
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Abstract

本实用新型涉及一种单独模块式燃料电池堆，包括单电池组，前、后端板，封装带，所述的单电池组由多个单电池贴合串联而成，所述的前、后端板设于上述单电池组的端部并将其夹持，所述的封装带捆绑于前、后端板的外围，从而构成单独模块式燃料电池堆。与现有技术相比，本实用新型在满足单片电池受力都均匀的情况下，可实现电堆的快速化装配，具有集成容易、拆装简单、维修方便等特点。

Description

一种单独模块式燃料电池堆
技术领域
本实用新型涉及燃料电池，尤其涉及一种单独模块式燃料电池堆。
背景技术
电化学燃料电池是一种能够将氢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发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。这些导流极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流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板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流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的发电站。
燃料电池发电系统主要由燃料电池堆与电池堆支持运行系统组成。作为车、船动力或发电站大功率的燃料电池发电系统方面的应用，要求可以输出几十千瓦，甚至输出几百千瓦的功率。对这样大功率的输出要求，必须有相应的大功率输出的燃料电池堆与支持运行系统。
大功率输出的燃料电池堆工程设计与制造，从技术与制造成本方面来分析，一般无法采用一个由许多块大活性面积极板构成的巨型大功率单堆方法，而是采用由多个中小功率燃料电池堆模块集成在一起达到大功率输出要求的方法。这样，各单独电堆模块的封装方法显得尤为重要。现有集成式燃料电池的单独电堆模块一般是采用套框式封装，或者直接采用螺杆紧固式装配，不再进行封装。前者存在拆装麻烦、制造成本高、电堆散热差等缺陷，后者更是存在各单电池受力不均匀，从而降低单电池使用寿命的缺陷。所以单独电堆模块的封装方式对集成式燃料电池装配快慢有很大影响。
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给集成式燃料电池一种结构紧凑、拆装方便、使用寿命长的单独模块式燃料电池堆。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种单独模块式燃料电池堆，包括单电池组，前、后端板，所述的单电池组由多个单电池贴合串联而成，所述的前、后端板设于上述单电池组的端部并将其夹持，其特征在于，还包括封装带，该封装带捆绑于前、后端板的外围，从而构成单独模块式燃料电池堆。
所述的前、后端板的宽度略大于单电池组，前、后端板的外围与封装带接触的表面经过机械加工，铣出与封装带宽度与厚度相对应的宽带状槽，所述的封装带恰好固定在这一宽带状槽内并使封装带的外表面与前、后端板的外表面完全平齐，封装带的紧固压力为确保单电池组受到的紧固压强为0.5～5公斤/平方厘米。
所述的前、后端板的宽度与单电池组相同，所述的前、后端板的外围和单电池组的外围与封装带接触的表面经过机械加工，铣出与封装带宽度与厚度相对应的宽带状槽，所述的封装带恰好固定在这一宽带状槽内并使封装带的外表面与前、后端板和单电池组的外表面完全平齐。
还包括绝缘材料，该绝缘材料设在封装带与单电池组接触的表面之间。
所述的前、后端板采用绝缘材料。
所述的绝缘材料包括工程塑料、环氧树脂、胶木材料。
所述的封装带采用不锈钢材料，该不锈钢封装带与单电池组之间铺垫一层绝缘材料，该绝缘材料包括环氧树脂、聚乙烯。
所述的前、后端板的上下两端各预设若干可供穿设连接螺杆的螺孔。
与现有技术相比，本实用新型在满足单片电池受力都均匀的情况下，可实现电堆的快速化装配，集成更方便容易，拆装简单，维修方便。
附图说明
图1为本实用新型实施例1的结构示意图；
图2为本实用新型实施例2的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种15千瓦的单独模块式燃料电池堆，由120个单电池组成，每个单电池尺寸为206mm×206mm×1.5mm，该燃料电池堆包括单电池组1，前端板2、后端板3，封装带4，所述的单电池组1由多个单电池贴合串联而成，所述的前端板2、后端板3设于上述单电池组1的端部并将其夹持，所述的封装带4捆绑于前端板2、后端板3的外围，从而构成单独模块式燃料电池堆。
所述的前端板2、后端板3的宽度略大于单电池组1，前端板2、后端板3的外围与封装带4接触的表面经过机械加工，铣出与封装带4宽度与厚度相对应的宽带状槽(在图1中被封装带4遮挡)，所述的封装带4恰好固定在这一宽带状槽内并使封装带的外表面与前、后端板的外表面完全平齐，封装带的紧固压力为确保单电池组受到的紧固压强为5公斤/平方厘米。所述的前端板2、后端板3采用绝缘材料板，包括环氧树脂板或聚乙烯板，该前端板2、后端板3的上下两端各预设若干可供穿设连接螺杆的螺孔5。
所述的封装带4采用不锈钢材料，一般情况下，本实施例的封装带4与单电池组1的外表面留有一定的间隙，若该间隙很小或接近于零时，在封装带4与单电池组1的外表面之间就必须铺垫一层聚乙烯膜绝缘，该聚乙烯膜可以为0.5mm。
实施例2
如图2所示，一种15千瓦的单独模块式燃料电池堆，由120个单电池组成，每个单电池尺寸为206mm×206mm×1.5mm，该燃料电池堆包括单电池组1，前端板2、后端板3，封装带4，所述的单电池组1由多个单电池贴合串联而成，所述的前端板2、后端板3设于上述单电池组1的端部并将其夹持，所述的封装带4捆绑于前端板2、后端板3的外围，从而构成单独模块式燃料电池堆。
所述的前端板2、后端板3的宽度与单电池组1相同，所述的前端板2、后端板3的外围和单电池组1的外围与封装带4接触的表面经过机械加工，铣出与封装带4宽度与厚度相对应的宽带状槽(在图2中被封装带4遮挡)，所述的封装带4恰好固定在这一宽带状槽内并使封装带4的外表面与前端板2、后端板3和单电池组1的外表面完全平齐。所述的前端板2、后端板3采用绝缘材料板，包括环氧树脂板或聚乙烯板。
所述的封装带4采用不锈钢材料，该封装带4与单电池组1的外表面之间铺垫0.5mm厚的聚乙烯膜绝缘。该封装带4的紧固压力为确保单电池组1受到的紧固压强为3公斤/平方厘米。

Claims (8)

1.一种单独模块式燃料电池堆，包括单电池组，前、后端板，所述的单电池组由多个单电池贴合串联而成，所述的前、后端板设于上述单电池组的端部并将其夹持，其特征在于，还包括封装带，该封装带捆绑于前、后端板的外围，从而构成单独模块式燃料电池堆。
2.根据权利要求1所述的一种单独模块式燃料电池堆，其特征在于，所述的前、后端板的宽度略大于单电池组，前、后端板的外围与封装带接触的表面经过机械加工，铣出与封装带宽度与厚度相对应的宽带状槽，所述的封装带恰好固定在这一宽带状槽内并使封装带的外表面与前、后端板的外表面完全平齐，封装带的紧固压力为确保单电池组受到的紧固压强为0.5～5公斤/平方厘米。
3.根据权利要求1所述的一种单独模块式燃料电池堆，其特征在于，所述的前、后端板的宽度与单电池组相同，所述的前、后端板的外围和单电池组的外围与封装带接触的表面经过机械加工，铣出与封装带宽度与厚度相对应的宽带状槽，所述的封装带恰好固定在这一宽带状槽内并使封装带的外表面与前、后端板和单电池组的外表面完全平齐。
4.根据权利要求3所述的一种单独模块式燃料电池堆，其特征在于，还包括绝缘材料，该绝缘材料设在封装带与单电池组接触的表面之间。
5.根据权利要求1所述的一种单独模块式燃料电池堆，其特征在于，所述的前、后端板采用绝缘材料。
6.根据权利要求4或5所述的一种单独模块式燃料电池堆，其特征在于，所述的绝缘材料包括工程塑料、环氧树脂、胶木材料。
7.根据权利要求1或4所述的一种单独模块式燃料电池堆，其特征在于，所述的封装带采用不锈钢材料，该不锈钢封装带与单电池组之间铺垫一层绝缘材料，该绝缘材料包括环氧树脂、聚乙烯。
8.根据权利要求1所述的一种单独模块式燃料电池堆，其特征在于，所述的前、后端板的上下两端各预设若干可供穿设连接螺杆的螺孔。
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