申请/专利权人：南京攀峰赛奥能源科技有限公司

申请日：2018-11-12

公开（公告）日：2024-03-22

公开（公告）号：CN109346757B

主分类号：H01M8/24

分类号：H01M8/24;H01M8/2465;H01M8/249;H01M8/247

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.22#授权;2019.03.12#实质审查的生效;2019.02.15#公开

摘要：本发明提供一种燃料电池电堆，属于燃料电池技术领域。包括有由多片单电池层叠而成的电池组，在电池组的上下两端分别设有前端板和后端板，电池组的上端与前端板之间设前端集流板，电池组的下端与后端板之间设后端集流板；其中，所述的单电池包括：阳极板、阴极板和膜电极，膜电极夹于阳极板和阴极板之间；阳极板朝向膜电极一面的四周设有第一限位凸台，用于将膜电极的位置固定；阳极板朝向膜电极一面上开设有燃料流场；阴极板朝向膜电极一面上开设有第二限位凸台，阴极板朝向膜电极一面上开设有氧化剂流场。电堆能精确控制每一片膜电极的气体扩散层的压缩量，电堆中各片单电池的性能均一性较好，提高了电堆的寿命。

主权项：1.一种燃料电池电堆，其特征在于，包括有由多片单电池（12）层叠而成的电池组，在电池组的上下两端分别设有前端板（9）和后端板（10），电池组的上端与前端板（9）之间设前端集流板（7），电池组的下端与后端板（10）之间设后端集流板（8）；其中，所述的单电池（12）包括：阳极板（14）、阴极板（15）和膜电极（16），膜电极（16）夹于阳极板（14）和阴极板（15）之间；阳极板（14）朝向膜电极（16）一面的四周设有第一限位凸台（20），用于将膜电极（16）的位置固定；阳极板（14）朝向膜电极（16）一面上开设有燃料流场（25）；阴极板（15）朝向膜电极（16）一面上开设有第二限位凸台（26），阴极板（15）朝向膜电极（16）一面上开设有氧化剂流场（21）；膜电极（16）位于矩形的第一限位凸台（20）和第二限位凸台（26）内部，电池组中的单电池（12）的数量是1～500；电池组、前端板（9）和后端板（10）之间通过捆扎带（11）固定为一个整体；在前端板（9）上还设有燃料进口（1）、燃料出口（2）、冷却液进口（3）；冷却液出口（4）、氧化剂进口（5）、氧化剂出口（6）；燃料进口（1）、燃料出口（2）与燃料流场（25）连通；冷却液进口（3）、冷却液出口（4）与冷却液流场（22）连通；氧化剂进口（5）、氧化剂出口（6）与氧化剂流场（21）连通；阴极板（15）背向膜电极（16）一面上设冷却液流场（22）；冷却液流场（22）的四周设冷却液密封胶垫（23）；所述的冷却液密封胶垫的深度为0.2～0.5mm，宽度为2～5mm；所述的冷却液流场（22）为平行流场，流场的槽深为0.3～1.0mm，流场的槽宽为0.4～1.0mm，脊宽为0.4～1.0mm；所述的捆扎带（11）的材质为不锈钢或钛，所述的捆扎带（11）的数目为3～8，所述的捆扎带（11）之间为非交叉排列；后端集流板（8）和电池组之间设后端平板（27）；阳极板（14）和阴极板（15）之间的流道通过公用通道密封垫片（19）进行密封；阳极板（14）的上端的边缘套接有上绝缘夹板（17），阴极板（15）的下端边缘套接有下绝缘夹板（18）；所述的上绝缘夹板（17）和下绝缘夹板（18）之间的锁紧方式为螺栓紧固或胶水粘接紧固。

全文数据：一种燃料电池电堆技术领域本发明提供一种燃料电池电堆，属于燃料电池技术领域。背景技术质子交换膜燃料电池（protonexchangemembranefuelcell,PEMFC）是一种清洁环保的电化学发电装置，由于其体积小、质量轻、操作条件温和、能量转换率高、结构简单以及响应迅速等优势，可广泛应用于交通工具、固定式发电、物料搬运、备用电源和便携式电源等诸多方面。氢能与燃料电池技术为清洁能源系统的利用提供了一条新的途径。氢的来源广泛，既包括可再生能源，也包括不可再生能源资源。氢能可以成为与电力互补的能源载体，从而有效降低当前能源系统的碳排放。因此，PEMFC被认为是21世纪首选的清洁、高效的发电装置。对于车用燃料电池发动机，其寿命必须达到与传统发动机相当的水平，才有可能实现产业化。美国能源部氢能计划、日本新能源与工业技术发展委员会及欧洲氢能与燃料电池技术论坛均认为，对于车用燃料电池发动机寿命至少5000h（乘用车）和10000h（商用车）才具有产业化的可能。较之于静态应用环境（如发电站或移动电源），车载环境与工作条件显得更加恶劣，目前PEMFC发动机的耐久性与预期有一定的差距。其中，PEMFC电堆的寿命是影响PEMFC发动机的耐久性的重要因素之一。传统的电堆是将膜电极、双极板间隔叠加后压紧成型，在此过程中，通过调节压装力或电堆总长度来控制气体扩散层的总压缩量，由于压紧过程中，电堆内部的预紧力分布不均匀，导致电堆内各个单电池的气体扩散层的压缩量大小不一，即部分单电池的气体扩散层的压缩量偏大、部分单电池的气体扩散层的压缩量偏小，则电堆在运行过程中，特别是经过长时间运行后，各个单电池之间的性能差距变得越来越大，产生“短板效应”，影响电堆的寿命。对于传统的电堆，当电堆密封性测试不合格或者电堆在运行过程中发生故障，很可能要拆堆检查，由于反复拆装电堆，气体扩散层被反复挤压，导致气体扩散层的结构遭受不可逆的损伤，阻碍反应气体与水的传输，从而影响电堆的寿命。此外，电堆的密封性能也是影响电堆寿命的关键因素之一，传统的电堆的气体密封通过采用阳极板阳极侧密封垫膜电极边框阴极侧密封垫阴极板这样的五合一压紧结构来实现，这对阳极侧密封垫与阴极侧密封垫的高度的精度要求均较高，且这种结构的电堆在振动与冲击的环境下易发生极板间的错位，这样很容易就会产生漏气问题，导致电堆不能运行，影响电堆的寿命。因此，急需寻找一种新型的电堆，既能精确控制每一片膜电极的气体扩散层的压缩量，又能避免由于电堆密封性问题或电堆发生故障时拆卸电堆引发的气体扩散层被反复挤压所导致的不可逆损伤，还能降低对气体侧密封垫的要求，提高电堆的寿命。发明内容本发明的目的在于提供一种长寿命的燃料电池堆，该燃料电池堆由前端板、前端集流板、N组新型的单电池、后端平板、后端集流板、后端板、捆扎带及密封圈组成；所述的新型的单电池由新型的阳极板、膜电极、公用通道密封垫片、新型的阴极板进行压合，直至膜电极边框与阳极板的正面的限位凸台、阴极板的正面完全重叠，形成“三明治”结构，并用上、下绝缘夹板进行锁紧，形成新型的燃料电池单电池。技术方案是：一种燃料电池电堆，包括有由多片单电池层叠而成的电池组，在电池组的上下两端分别设有前端板和后端板，电池组的上端与前端板之间设前端集流板，电池组的下端与后端板之间设后端集流板；其中，所述的单电池包括：阳极板、阴极板和膜电极，膜电极夹于阳极板和阴极板之间；阳极板朝向膜电极一面的四周设有第一限位凸台，用于将膜电极的位置固定；阳极板朝向膜电极一面上开设有燃料流场；阴极板朝向膜电极一面的四周设有第二限位凸台，用于将膜电极的位置固定，阴极板朝向膜电极一面上开设有氧化剂流场。在一个实施方式中，膜电极位于矩形的第一限位凸台和第二限位凸台内部。在一个实施方式中，电池组中的单电池的数量是1～500。在一个实施方式中，电池组、前端板和后端板之间通过捆扎带固定为一个整体。在一个实施方式中，在前端板上还设有燃料进口、燃料出口、冷却液进口；冷却液出口、氧化剂进口、氧化剂出口；燃料进口、燃料出口与燃料流场连通；冷却液进口、冷却液出口与冷却液流场连通；氧化剂进口、氧化剂出口与氧化剂流场连通。在一个实施方式中，阴极板背向膜电极一面上设冷却液流场；冷却液流场的四周设冷却液密封胶垫；所述的冷却液密封胶垫的深度为0.2～0.5mm，宽度为2～5mm；所述的冷却液流场为平行流场，流场的槽深为0.3～1.0mm，流场的槽宽为0.4～1.0mm，脊宽为0.4～1.0mm。在一个实施方式中，后端集流板和电池组之间设后端平板。在一个实施方式中，阳极板和阴极板之间的流道通过公用通道密封垫片进行密封。在一个实施方式中，阳极板的上端的边缘套接有上绝缘夹板，阴极板的下端边缘套接有下绝缘夹板；所述的上绝缘夹板和下绝缘夹板之间的锁紧方式为螺栓紧固或胶水粘接紧固。在一个实施方式中，所述的捆扎带的材质为不锈钢或钛，所述的捆扎带的数目为3～8，所述的捆扎带之间为非交叉排列。在一个实施方式中，所述的上绝缘夹板和下绝缘夹板的材质为玻璃纤维、聚甲醛、ABS工程塑料或玻纤增强的尼龙材料。在一个实施方式中，所述的燃料流场为平行流场，流场的槽深为0.3～1.0mm，流场的槽宽为0.4～1.0mm，脊宽为0.5～1.2mm。在一个实施方式中，所述的氧化剂流场为平行流场，流场的槽深为0.3～1.0mm，流场的槽宽为0.4～1.0mm，脊宽为0.4～1.2mm。在一个实施方式中，所述的前端板发明与后端板发明发明的材质为玻璃纤维、聚甲醛、ABS工程塑料或玻纤增强的尼龙材料。在一个实施方式中，所述的前端集流板发明与后端集流板发明的主体材质为黄铜、紫铜、镍、不锈钢或钛。在一个实施方式中，所述的阳极板发明发明、阴极板发明发明和后端板发明发明的材料为石墨、金属、金属基复合材料或碳基复合材料。有益效果第一，本发明的电堆，由于采用了带有限位凸台的阳极板、阴极板，所以能精确控制每一片膜电极的气体扩散层的压缩量，电堆中各片单电池的性能均一性较好，提高了电堆的寿命。第二，同时，本发明的电堆使用上、下绝缘夹板对阳极板、膜电极、阴极板进行夹紧固定形成“三明治”结构的单电池，这样能避免由于电堆密封性问题或电堆发生故障时拆装电堆引发的气体扩散层被反复挤压所导致的不可逆损伤，提高了电堆的寿命。第三，而且这种结构的电堆在振动与冲击的环境下不易发生极板间的错位，保证了电堆的气密性，提高了电堆的寿命。第四，此外，该电堆结构中还取消了氧化剂侧的密封垫，简化了电堆生产工艺流程，提高了电堆的生产效率，同时，降低了电堆的成本。第五，采用弹性的困扎带对电堆整体进行固定，使得各电池片之间的应用分布均一，解决了现有技术中由于压紧过程中，电堆内部的预紧力分布不均匀，导致电堆内各个单电池的气体扩散层的压缩量大小不一的问题。附图说明图1燃料电池堆结构效果图图2燃料电池堆结构爆炸图图3单电池正面效果图图4单电池反面效果图图5单电池结构爆炸图图6阴极板正面效果图图7阴极板反面效果图图8阳极板正面效果图图9阳极板反面效果图图10工况制定的恒电流寿命测试工况示意图1、燃料进口；2、燃料出口；3、冷却液进口；4、冷却液出口；5、氧化剂进口；6、氧化剂出口；7、前端集流板；8、后端集流板；9、前端板；10、后端板；11、捆扎带；12、单电池；13、后端平板；14、阳极板；15、阴极板；16、膜电极；17、上绝缘夹板；18、下绝缘夹板；19、公用通道密封垫片；20、限位凸台；21、氧化剂流场；22、冷却液流场；23、冷却液密封胶垫；24、燃料密封胶垫；25、燃料流场；26、第二限位凸台；27、后端平板；28、密封圈。具体实施方式实施例1本实例组装了一台由200片单电池12，单电池12活性面积为250cm2的电堆。如图1和图2所示，燃料电池电堆，包括有由多片单电池12层叠而成的电池组，在电池组的上下两端分别设有前端板9和后端板10，电池组的上端与前端板9之间设前端集流板7，电池组的下端与后端板10之间设后端集流板8；电池组、前端板9和后端板10之间通过捆扎带11固定为一个整体，所述的捆扎带11的材质为不锈钢或钛，所述的捆扎带11的数目为3～8，所述的捆扎带11之间为非交叉排列，后端集流板8和电池组之间设后端平板27，阳极板14和阴极板15之间的流道通过公用通道密封垫片19进行密封。在前端板9上还设有燃料进口1、燃料出口2、冷却液进口3；冷却液出口4、氧化剂进口5、氧化剂出口6；燃料进口1、燃料出口2与燃料流场25连通；冷却液进口3、冷却液出口4与冷却液流场22连通；氧化剂进口5、氧化剂出口6与氧化剂流场21连通。单电池12包括：阳极板14、阴极板15和膜电极16。单电池12的正反面结构分别如图3-图5所示，另外，阳极板15的结构如图8和图9气所示，阴极板的结构如图6和图7所示。膜电极16夹于阳极板14和阴极板15之间；阳极板14朝向膜电极16一面的四周设有第一限位凸台20，用于将膜电极16的位置固定；阳极板14朝向膜电极16一面上开设有燃料流场25；阴极板15朝向膜电极16一面上开设有第二限位凸台26，阴极板15朝向膜电极16一面上开设有氧化剂流场21，阳极板14和阴极板15之间的流道通过公用通道密封垫片19进行密封。前端板9与单电池12之间通过密封圈28密封。阳极板14的正面带有燃料密封胶垫24、燃料流场25，其反面为平面，燃料流场25为平行流场，流场的槽深为0.4mm，流场的槽宽为0.8mm，脊宽为0.6mm。阴极板15的正面为氧化剂流场21且设有第二限位凸台26，其反面带有冷却液密封胶垫23及冷却液流场22，氧化剂流场为平行流场，流场的槽深为0.4mm，流场的槽宽为0.5mm，脊宽为0.5mm；冷却液流场22为平行流场，流场的槽深为0.5mm，流场的槽宽为0.6mm，脊宽为0.6mm。阳极板15的上端的边缘套接有上绝缘夹板17，阴极板15的下端边缘套接有下绝缘夹板18；所述的上绝缘夹板17和下绝缘夹板18之间的锁紧方式为螺栓紧固或胶水粘接紧固。所述的公用通道密封垫片19、密封圈28、燃料密封胶垫24与冷却液密封胶垫23的材质为硅橡胶、丁基橡胶、丁氰橡胶、氟硅橡胶、三元乙丙橡胶或氯丁橡胶。在如图10所示的运行工况下进行台架寿命测试，测试结果得知，当电堆在台架上运行5000h后，电堆的输出电压衰减了约5.92%，则电堆的运行寿命大于8500h（按照电堆的输出电压衰减10%来定义电堆寿命）。

权利要求：1.一种燃料电池电堆，其特征在于，包括有由多片单电池（12）层叠而成的电池组，在电池组的上下两端分别设有前端板（9）和后端板（10），电池组的上端与前端板（9）之间设前端集流板（7），电池组的下端与后端板（10）之间设后端集流板（8）；其中，所述的单电池（12）包括：阳极板（14）、阴极板（15）和膜电极（16），膜电极（16）夹于阳极板（14）和阴极板（15）之间；阳极板（14）朝向膜电极（16）一面的四周设有第一限位凸台（20），用于将膜电极（16）的位置固定；阳极板（14）朝向膜电极（16）一面上开设有燃料流场（25）；阴极板（15）朝向膜电极（16）一面上开设有第二限位凸台（26），阴极板（15）朝向膜电极（16）一面上开设有氧化剂流场（21）。2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，膜电极（16）位于矩形的第一限位凸台（20）和第二限位凸台（26）内部，电池组中的单电池（12）的数量是1～500；电池组、前端板（9）和后端板（10）之间通过捆扎带（11）固定为一个整体。3.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，在前端板（9）上还设有燃料进口（1）、燃料出口（2）、冷却液进口（3）；冷却液出口（4）、氧化剂进口（5）、氧化剂出口（6）；燃料进口（1）、燃料出口（2）与燃料流场（25）连通；冷却液进口（3）、冷却液出口（4）与冷却液流场（22）连通；氧化剂进口（5）、氧化剂出口（6）与氧化剂流场（21）连通；阴极板（15）背向膜电极（16）一面上设冷却液流场（22）；冷却液流场（22）的四周设冷却液密封胶垫（23）；所述的冷却液密封胶垫的深度为0.2～0.5mm，宽度为2～5mm；所述的冷却液流场（22）为平行流场，流场的槽深为0.3～1.0mm，流场的槽宽为0.4～1.0mm，脊宽为0.4～1.0mm。4.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，后端集流板（8）和电池组之间设后端平板（27）；阳极板（14）和阴极板（15）之间的流道通过公用通道密封垫片（19）进行密封；阳极板（15）的上端的边缘套接有上绝缘夹板（17），阴极板（15）的下端边缘套接有下绝缘夹板（18）；所述的上绝缘夹板（17）和下绝缘夹板（18）之间的锁紧方式为螺栓紧固或胶水粘接紧固。5.根据权利要求2所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述的捆扎带（11）的材质为不锈钢或钛，所述的捆扎带（11）的数目为3～8，所述的捆扎带（11）之间为非交叉排列；所述的上绝缘夹板（17）和下绝缘夹板（18）的材质为玻璃纤维、聚甲醛、ABS工程塑料或玻纤增强的尼龙材料；所述的燃料流场（25）为平行流场，流场的槽深为0.3～1.0mm，流场的槽宽为0.4～1.0mm，脊宽为0.5～1.2mm。6.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述的氧化剂流场（21）为平行流场，流场的槽深为0.3～1.0mm，流场的槽宽为0.4～1.0mm，脊宽为0.4～1.2mm；所述的氧化剂流场（21）为平行流场，流场的槽深为0.3～1.0mm，流场的槽宽为0.4～1.0mm，脊宽为0.4～1.2mm。7.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述的前端集流板（7）与后端集流板（8）的主体材质为黄铜、紫铜、镍、不锈钢或钛。8.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述的阳极板（14）、阴极板（15）和后端板（10）的材料为石墨、金属、金属基复合材料或碳基复合材料。

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