CN2879438Y - 质子交换膜燃料电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种质子交换膜燃料电池，它包括由一组电池单体串接组成的单体电池组、电流集电器、气体集流板、端板、连接杆及螺帽，所述电池单体包括膜电极以及设置在膜电极两侧的极板，单体电池组前后两端分别依次设置电流集电器、气体集流板和端板，连接杆穿过两端的端板，并通过螺帽将两端板夹紧，其特征在于连接杆上穿有弹性垫圈，螺帽通过弹性垫圈将两端板夹紧。通过弹性垫圈在一定的压力下产生可逆性弹性形变的特性，当质子交换膜的厚度发生变化时，燃料电池堆的长度可以产生相应的微量变化，使极板与膜电极接触压力始终保持在最佳工作状态。

Description

质子交换膜燃料电池

一、技术领域

本实用新型涉及一种燃料电池，具体的说是一种质子交换膜燃料电池。

二、背景技术

质子交换膜燃料电池是一种通过燃料和氧化剂的电化学反应产生电能的装置。该装置的核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，由两张多孔性的气体扩散层和夹在中间的一片质子交换膜组成。在质子交换膜与气体扩散层(如碳纸)的界面上附着有电化学催化剂。膜电极的两面设有导流极板，阳极和阴极反应分别在极板的两侧同时发生的，称为双极板；一面紧靠电流集电器的导流极板，只有另一面与膜电极相连，反应只在一侧发生的，称为单极板。双极板或单极板上含有可供气体(如氢气或空气)流通的通道和冷却剂(如空气或水)流通的通道。燃料电池的单电池内只有一片膜电极，单电池在反应中可提供的电压低于1.0V，在燃料电池堆中，多于一片的单电池以串联的方式被组装在一个电堆中，燃料电池堆的输出电压是燃料电池堆中所有单电池电压的总和。

燃料电池中的质子交换膜把参加电化学反应的燃料(如氢气)和氧化剂(如氧气)分隔开来，并阻止电子通过。质子交换膜是质子通过的载体，其传递质子的能力决定了膜电极的电化学性能。质子交换膜传递质子的能力与质子交换膜中水分的含量有关，含量越高，质子传递能力越强。当质子交换膜中的水分在一定温度下达到饱和时，质子交换膜在该温度下的质子传递能力最强。质子交换膜的含水量与质子交换膜的温度有关，温度越高，质子交换膜的含水量越高。质子交换膜的厚度与质子交换膜的含水量有关，含水量越高，质子交换膜越厚。因此，进入燃料电池堆的燃料(如氢气)和氧化剂(如空气)的相对湿度，将影响到质子交换膜的含水量，从而影响到质子交换膜的厚度。燃料电池堆的反应温度也将影响到质子交换膜的含水量，从而影响到质子交换膜的厚度。

膜电极的气体扩散层(如碳纸)与极板之间的接触好坏对质子交换膜燃料电池的性能起着关键的作用。当燃料和氧化剂的相对湿度较低，或燃料和氧化剂的温度低于燃料电池堆的温度，或燃料电池堆的温度较低时，质子交换膜的含水量较少，质子交换膜较薄。当燃料和氧化剂的相对湿度较高，且燃料和氧化剂的温度不低于燃料电池堆的温度，且燃料电池堆的温度较高时，质子交换膜的含水量较多，质子交换膜较厚。

对于现有的质子交换膜燃料电池堆来说，燃料电池堆的长度是固定不变的。这种燃料电池堆的缺陷如下：

1、燃料电池堆在组装完成后，膜电极的气体扩散层与双极板或单极板之间的接触处于最佳状态。在对燃料电池堆进行活化和测试过程中，随着反应的进行，反应中产生的水分会增加质子交换膜的含水量。燃料和氧化剂带入燃料电池堆的水分也会增加质子交换膜的含水量。反应中产生的热量使质子交换膜的温度升高，进一步增加了质子交换膜的含水量，从而导致质子交换膜的厚度增加。在燃料电池堆的总长度保持不变的情况下，膜电极两端的气体扩散层由于受到双极板或单极板的挤压而压缩变形。当变形超过一定限度时，则形成无法恢复的不可逆变形。变形部分气体扩散层的孔隙度降低，直接影响到反应气体到达催化剂表面参加反应，且影响反应中产生的水分的排出。

2、当燃料电池堆在较低的温度下运行时，或参加反应的燃料和氧化剂的相对湿度不高时，质子交换膜的厚度将会减小。由于膜电极气体扩散层的压缩变形部分厚度减小，导致气体扩散层与双极板或单极板之间的接触压力减小，接触电阻增加，直接造成燃料电池堆的输出电压降低，发热量增加，效率降低。

专利号为CN02265903.X的专利所涉及的一种燃料电池，在气体集流板与压紧端板之间放置了一个气垫囊。该气垫囊虽然也有部分调节电堆紧固压力的作用，但该装置比较复杂，对气垫囊的密封性要求较高，因此组装和维护比较困难。专利号为CN200420090868.7的专利所涉及的一种燃料电池，在气体集流板与压紧端板之间放置了一个压力均匀弹出夹套板。该压力均匀弹出夹套板虽然也有部分调节电堆紧固压力的作用，但该装置还是比较复杂，且提高了电堆成本。

三、发明内容

1、发明目的：本实用新型的目的是提供一种可以自动调节电池中极板与膜电极接触压力的质子交换膜燃料电池。

2、技术方案：本实用新型所述的一种质子交换膜燃料电池，它包括由一组电池单体串接组成的单体电池组、电流集电器、气体集流板、端板、连接杆及螺帽，所述电池单体包括膜电极以及设置在膜电极两侧的极板，单体电池组前后两端分别依次设置电流集电器、气体集流板和端板，连接杆穿过两端的端板，并通过螺帽将两端板夹紧，其特征在于连接杆上穿有弹性垫圈，螺帽通过弹性垫圈将两端板夹紧。

通过使用可在一定的压力下产生可逆性弹性形变的弹性垫圈，以传递并均匀分布应力，形成长度可以微调的燃料电池。当工作中，质子交换膜的厚度发生变化时，燃料电池的长度可以产生相应的微量变化，使极板与膜电极接触压力始终保持在最佳工作状态，其中当质子交换膜的厚度增加时，膜电极两端的气体扩散层与极板的接触压力变大，此时弹性垫圈受到的压力也相应变大从而产生压缩变形，燃料电池的总长度微量伸长，使气体扩散层与极板的接触压力得到恢复；当质子交换膜的厚度减小时，膜电极两端的气体扩散层与极板的接触压力变小，此时弹性垫圈受到的压力也相应变小从而产生弹性恢复，燃料电池堆的总长度微量缩短，使气体扩散层与极板的接触压力得到恢复，保持较理想的工作压力。

弹性垫圈最好为弹性效果好的碗型弹性垫圈，其可位于连接杆的一端，也可位于连接杆的两端。根据设计参数的不同，弹性垫圈可以采用单独一个也可以采用一组多个。当使用一组碗型弹性垫圈时，每个弹性垫圈可以同向放置，也可以反向放置。

3、有益效果：本实用新型具有以下优点：1)通过弹性垫圈在一定的压力下产生可逆性弹性形变的特性，在连接杆上穿有弹性垫圈，螺帽通过弹性垫圈将两端板夹紧，当质子交换膜的厚度发生变化时，燃料电池的长度可以产生相应的微量变化，使极板与膜电极接触压力始终保持在最佳工作状态；2)弹性垫圈的生产成本低廉，使用非常方便，并可以直接对已有的燃料电池进行改进。

四、附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型中一种碗型弹性垫圈结构示意图；

图3是碗型弹性垫圈同向设置的结构示意图；

图4是碗型弹性垫圈反向设置的一种结构示意图；

图5是碗型弹性垫圈反向设置的另一种结构示意图。

五、具体实施方式

下面通过附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

如图1所示，本实用新型所述的一种质子交换膜燃料电池，它包括由一组电池单体串接组成的单体电池组1、电流集电器2、气体集流板3、端板4、连接杆5及螺帽6，所述电池单体包括膜电极7以及设置在膜电极7两侧的极板8，单体电池组1前后两端分别依次设有电流集电器2、气体集流板3和端板4，连接杆5穿过两侧最外端的端板4，并通过螺帽6将两端板4夹紧，连接杆5上穿有弹性垫圈9，弹性垫圈9为碗型弹性垫圈，螺帽6通过弹性垫圈9将两端板4夹紧。如图2、图3、图5及图4所示，弹性垫圈9可以单独一个使用也可以采用一组多个使用，其可以设在连接杆5的一端，也可设在连接杆5的两端，当使用一组碗型弹性垫圈时，每个弹性垫圈可以如图3所示同向放置，也可以如图4和图5所示的反向放置。

Claims (5)

1、一种质子交换膜燃料电池，它包括由一组电池单体串接组成的单体电池组(1)、电流集电器(2)、气体集流板(3)、端板(4)、连接杆(5)及螺帽(6)，所述电池单体包括膜电极(7)以及设置在膜电极(7)两侧的极板(8)，单体电池组(1)前后两端分别依次设有电流集电器(2)、气体集流板(3)和端板(4)，连接杆(5)穿过两侧最外端的端板(4)，并通过螺帽(6)将两端板(4)夹紧，其特征在于连接杆(5)上穿有弹性垫圈(9)，螺帽(6)通过弹性垫圈(9)将两端板(4)夹紧。

2、根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池，其特征在于所述的弹性垫圈(9)为碗型弹性垫圈。

3、根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池，其特征在于所述的弹性垫圈(9)可位于连接杆(5)的一端，也可位于连接杆(5)的两端。

4、根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池，其特征在于所述穿在连接杆(5)上的是一组弹性垫圈(9)。

5、根据权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池，其特征在于所述的一组弹性垫圈(9)可以同向放置，也可反向放置。

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