CN115692810A - 燃料电池电堆和具有它的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池电堆和具有它的燃料电池系统。该燃料电池电堆包括：多个交替堆叠设置的双极板和膜电极，双极板的两侧设置有适于与膜电极密封配合的胶线，双极板两侧与胶线对应的区域包括第一胶区和第二胶区，双极板两侧的第一胶区在双极板的厚度方向上的投影重合，双极板两侧的第二胶区在双极板的厚度方向上的投影错开，第二胶区上胶线的厚度大于第一胶区上胶线的厚度，从而保证第二胶区上胶线的压缩率以及密封性能与第一胶区上胶线相同，以防止燃料电池电堆出现接触电阻增大、密封失效、电堆漏气、漏液等问题，从而有利于提升燃料电池电堆的性能和可靠性。

Description

燃料电池电堆和具有它的燃料电池系统

技术领域

本发明涉及电池领域，具体而言，涉及一种燃料电池电堆和具有它的燃料电池系统。

背景技术

在相关技术中，燃料电池电堆在封装过程中，双极板受到压装力的影响容易产生变形，从而导致双极板与膜电极配合的不同区域上胶线的压缩率具有差异，若胶线过渡压缩，会影响胶线的使用寿命，若降低压装力以保证胶线处于适宜的压缩率，膜电极与双极板的接触力可能会低于设计值，导致接触电阻的增加和燃料电池电堆性能下降等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种燃料电池电堆，以提升电堆的性能和可靠性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种燃料电池电堆，包括：多个交替堆叠设置的双极板和膜电极，所述双极板的两侧设置有适于与所述膜电极密封配合的胶线，所述双极板两侧与所述胶线对应的区域包括第一胶区和第二胶区，所述双极板两侧的第一胶区在所述双极板的厚度方向上的投影重合，所述双极板两侧的第二胶区在所述双极板的厚度方向上的投影错开，所述第二胶区上所述胶线的厚度大于所述第一胶区上所述胶线的厚度。

根据本发明的一些实施例，所述第二胶区上所述胶线的厚度a与所述第一胶区上所述胶线的厚度b满足以下关系式：102％b≤a≤105％b。

根据本发明的一些实施例，所述胶线的厚度为0.2mm～1.5mm。

根据本发明的一些实施例，所述第一胶区和所述第二胶区构造为在所述双极板的两侧形成的凹槽。

根据本发明的一些实施例，所述第一胶区设置在所述双极板的周向边沿以构造为环形结构，所述第二胶区位于所述环形结构的内侧区域。

根据本发明的一些实施例，所述双极板的一侧为阳极板，所述双极板的另一侧为阴极板，所述阳极板和所述阴极板均设有层跃区，所述第二胶区位于所述层跃区。

根据本发明的一些实施例，所述层跃区内还设置有燃料、氧化剂和冷却液的进出口。

进一步地，所述阴极板和所述阳极板为冲压成型的金属板。

进一步地，所述阴极板和所述阳极板通过激光焊接固定。

相对于现有技术，本发明所述的燃料电池电堆具有以下优势：

本发明所述的燃料电池电堆，双极板两侧的第一胶区在双极板的厚度方向上的投影重合，双极板两侧的第二胶区在双极板的厚度方向上的投影错开，且第二胶区上胶线的厚度大于第一胶区上胶线的厚度，从而保证第二胶区上胶线的压缩率以及密封性能与第一胶区上胶线相同，以防止燃料电池电堆出现接触电阻增大、密封失效、电堆漏气、漏液等问题，从而有利于保证燃料电池电堆的性能和可靠性。

本发明的另一个目的在于提出一种燃料电池系统，以提升燃料电池系统的性能和可靠性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种燃料电池系统，包括上述的燃料电池电堆。

相对于现有技术，本发明所述的燃料电池系统具有以下优势：

本发明所述的燃料电池系统，其双极板两侧的第一胶区在双极板的厚度方向上的投影重合，双极板两侧的第二胶区在双极板的厚度方向上的投影错开，且第二胶区上胶线的厚度大于第一胶区上胶线的厚度，从而保证第二胶区上胶线的压缩率以及密封性能与第一胶区上胶线相同，以防止燃料电池电堆出现接触电阻增大、密封失效、电堆漏气、漏液等问题，从而有利于提升燃料电池系统的性能和可靠性。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例的双极板在阳极板一侧的示意图；

图2是本发明实施例的双极板在阴极板一侧的示意图；

图3是图1在A-A处的断面图。

附图标记说明：

双极板100、阳极板1、阴极板2、第一胶线31、第二胶线32、层跃区4、阳极板第一层跃区411、阳极板第二层跃区412、阴极板第一层跃区421、阴极板第二层跃区422、第一空气歧管口层跃5、第一冷却液层跃6、第一氢气层跃7、氢气出口8、氢气进口9、第二冷却液层跃10、第二空气歧管口层跃11、第二氢气层跃12、空气进口13、空气出口14。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考图1-图3并结合实施例来详细说明本发明实施例的燃料电池电堆。

根据本发明实施例的燃料电池电堆包括：多个交替堆叠设置的双极板100和膜电极(Membrane Electrode Assembly，MEA)。其中，一片膜电极和一片双极板100构成了燃料电池发电的基本单元：单电池，双极板100起到分隔反应气体并通过流场将反应气体均匀导入膜电极、收集并传导电流和支撑膜电极等作用，同时双极板100还承担电池系统的排水和散热功能，膜电极可以催化双极板100导入的燃料和氧化剂，并发生电化学反应，以产生电流，并向外释放水和热。

由于单电池的电压很低(＜1V)要达到实现燃料电池应用的功能，需要将多个单电池串联起来形成电堆，以便向各单电池均匀分配燃料和氧化剂，从而膜电极与双极板100间的密封尤为重要，双极板100的两侧设置有适于与膜电极密封配合的胶线，膜电极上可对应设置有密封边框，从而通过双极板100上的胶线与膜电极上密封边框的配合，以保证燃料电池电堆的密封性。

双极板100两侧与胶线对应的区域包括第一胶区和第二胶区，也就是说，胶线固定在双极板100两侧的第一胶区和第二胶区上，双极板100两侧的第一胶区在双极板100的厚度方向上的投影重合，双极板100两侧的第二胶区在双极板100的厚度方向上的投影错开。

在本发明的一些实施例中，双极板100两侧的第二胶区在双极板100的厚度方向上的投影部分错开。在本发明的另一些实施例中，双极板100两侧的第二胶区在双极板100的厚度方向上的投影完全错开。

可以理解的是，在双极板100两侧对称设置胶线的区域为第一胶区，在双极板100两侧非对称设置胶线的区域为第二胶区。由于双极板100需要实现分隔反应气体、通过流场将反应气体均匀导入膜电极等功能，因此，双极板100上需设有第二胶区。

在进行燃料电池电堆组装测试时，在双极板100的两侧会施加压装力，由于双极板100两侧的第一胶区上的胶线对称设置，双极板100在第一胶区处两侧的受力相同，而双极板100两侧的第二胶区上的胶线非对称设置，第二胶区上的胶线会在加压装力的作用下使双极板100发生一定的形变，为避免双极板100的变形量导致的胶线的压缩率低于设计要求，出现接触电阻增大、密封失效、电堆漏气、漏液等问题，使第二胶区上胶线的厚度大于第一胶区上胶线的厚度，从而可通过第二胶区上增厚的胶线弥补双极板100变形量，进而保证第二胶区上胶线的压缩率以及密封性能与第一胶区上胶线相同。

参照图1-图3所示，第一胶区上胶线为第一胶线31，第二胶区上胶线为第二胶线32，第一胶线31在双极板100的两侧对称设置，第二胶线32在双极板100的两侧错开设置，第二胶线32的厚度大于第一胶线31的厚度。

根据本发明实施例的燃料电池电堆，双极板100两侧的第一胶区在双极板100的厚度方向上的投影重合，双极板100两侧的第二胶区在双极板100的厚度方向上的投影错开，且第二胶区上胶线的厚度大于第一胶区上胶线的厚度，从而保证第二胶区上胶线的压缩率以及密封性能与第一胶区上胶线相同，以防止燃料电池电堆出现接触电阻增大、密封失效、电堆漏气、漏液等问题，从而有利于提升燃料电池电堆的性能和可靠性。

在本发明的一些实施例中，第二胶区上胶线的厚度a与第一胶区上胶线的厚度b满足以下关系式：102％b≤a≤105％b，也就是说，第二胶区上胶线的厚度a比第一胶区上胶线的厚度b增加2％～5％，其中，第二胶区上胶线的厚度a比第一胶区上胶线的厚度b增加的具体数值可以根据双极板100的结构以及压装力的大小进行标定，以使在第二胶区上胶线的压缩量不会小于第一胶区上胶线的压缩量，从而保证第二胶区上胶线密封的有效性。例如，当a＝103％b时，第一胶区上的胶线和第二胶区上的胶线在组装后的燃料电池电堆中均可维持理论压缩率，并保证燃料电池电堆的发电性能。

在本发明的一些实施例中，第二胶区上胶线的厚度a比第一胶区上胶线的厚度b的增加值为双极板100在第二胶区上受装堆力引起的变形量。

在本发明的一些实施例中，胶线的厚度为0.2mm～1.5mm，胶线的厚度可根据胶线的性能和压装力的大小进行选择，以保证在在组装后的燃料电池电堆中，胶线保持在理论压缩率内，从而保证胶线的使用寿命以及燃料电池电堆的性能。

在本发明的一个实施例中，第一胶区的胶线厚度为1mm，第二胶区的胶线厚度为1.03mm。

在本发明的一些实施例中，第一胶区和第二胶区构造为在双极板100的两侧形成的凹槽，凹槽适于固定胶线，以便于胶线固定在双极板100的两侧，胶线的一部分可设置在凹槽内，以保证胶线与双极板100的固定效果。

在本发明的一些实施例中，第一胶区设置在双极板100的周向边沿以构造为环形结构，以使双极板100的侧面、第一胶区上的胶线和与对应的膜电极之间围成第一空间，第二胶区位于环形结构的内侧区域，以通过第二胶区上的胶线将第一空间分隔成多个子第一空间，以实现不同的功能，例如，其中一个子第一空间可用于通入空气。

参照图1-图3所示，双极板100的一侧为阳极板1，双极板100的另一侧为阴极板2，阳极板1和阴极板2均设有层跃区4，第二胶区位于层跃区4，可以理解的是，层跃区4用于在双极板100的歧管口B和双极板100的分配区C之间形成通道的反向支撑结构区域。

在本发明的一些实施例中，层跃区4内还设置有燃料、氧化剂和冷却液的进出口，以实现分隔反应气体、通过流场将反应气体均匀导入膜电极以及冷却功能。

参照图1-图3所示，阳极板1上的层跃区4包括阳极板第一层跃区411和阳极板第二层跃区412，分配区可位于阳极板第一层跃区411和阳极板第二层跃区412之间，阳极板第一层跃区411内设置有第一空气歧管口层跃5、第一冷却液层跃6、第一氢气层跃7和氢气出口8，阳极板第二层跃区412内设置有氢气进口9、第二冷却液层跃10和第二空气歧管口层跃11。

阴极板2上的层跃区4包括阴极板第一层跃区421和阴极板第二层跃区422，分配区可位于阴极板第一层跃区421和阴极板第二层跃区422之间，阴极板第一层跃区421内设置有第二氢气层跃12、第二冷却液层跃10、空气进口13。阴极板第二层跃区422内设置有空气出口14、第一空气歧管口层跃5、第一冷却液层跃6、第一氢气层跃7。

在本发明的一些实施例中，阴极板2和阳极板1为冲压成型的金属板，冲压成型可以保证燃料电池电堆中每个阴极板2形状的一致性，以及每个阳极板1形状的一致性，例如，阴极板2和阳极板1均是经过精密冲压成型的，以保证阴极板2和阳极板1的形状精度。

在本发明的一些实施例中，阴极板2和阳极板1通过激光焊接固定，以减少阴极板2和阳极板1在焊接过程中的变形量，保证阴极板2和阳极板1的焊接精度，同时，由于阴极板2和阳极板1的厚度很薄，通常小于0.15mm，激光焊可以防止阴极板2和阳极板1在焊接是出现回熔的现象，以保证焊接效果。

根据本发明实施例中燃料电池电堆，可在双极板100的不同区域，对胶线进行模块化设计，并针对双极板100整体结构和双极板100装配时受压变形状态，在不同区域设计不同厚度和/或不同形状的密封胶线，避免因为双极板100结构变形，导致密封压缩量过低、密封失效等问题。此外，通过对胶线模块化设计，可以保证膜电极气体扩散层(GDL)处于理论压缩率的同时，层跃区域密封胶线也处于理论压缩率，以兼顾燃料电池电堆密封和发电性能。

根据本发明另一方面实施例的燃料电池系统，包括上述实施例的燃料电池电堆。

在本发明的一些实施例中，燃料电池电堆还包括端板和集流板，燃料电池电堆可以是质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)，质子交换膜燃料电池是一种以氢气和空气或氢气和氧气为燃料来进行发电的燃料电池，它不需要经过氢氧的燃烧反应，而是以质子交换膜为电解质，直接将氢氧的化学能转化为电能，无需将气体压缩或升温。

根据本发明实施例的燃料电池系统，其双极板100两侧的第一胶区在双极板100的厚度方向上的投影重合，双极板100两侧的第二胶区在双极板100的厚度方向上的投影错开，且第二胶区上胶线的厚度大于第一胶区上胶线的厚度，从而保证第二胶区上胶线的压缩率以及密封性能与第一胶区上胶线相同，以防止燃料电池电堆出现接触电阻增大、密封失效、电堆漏气、漏液等问题，从而有利于提升燃料电池系统的性能和可靠性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池电堆，其特征在于，包括：多个交替堆叠设置的双极板(100)和膜电极，所述双极板(100)的两侧设置有适于与所述膜电极密封配合的胶线，所述双极板(100)两侧与所述胶线对应的区域包括第一胶区和第二胶区，所述双极板(100)两侧的第一胶区在所述双极板(100)的厚度方向上的投影重合，所述双极板(100)两侧的第二胶区在所述双极板(100)的厚度方向上的投影错开，所述第二胶区上所述胶线的厚度大于所述第一胶区上所述胶线的厚度。

2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述第二胶区上所述胶线的厚度a与所述第一胶区上所述胶线的厚度b满足以下关系式：102％b≤a≤105％b。

3.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述胶线的厚度为0.2mm～1.5mm。

4.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述第一胶区和所述第二胶区构造为在所述双极板(100)的两侧形成的凹槽。

5.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述第一胶区设置在所述双极板(100)的周向边沿以构造为环形结构，所述第二胶区位于所述环形结构的内侧区域。

6.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述双极板(100)的一侧为阳极板(1)，所述双极板(100)的另一侧为阴极板(2)，所述阳极板(1)和所述阴极板(2)均设有层跃区(4)，所述第二胶区位于所述层跃区(4)。

7.根据权利要求6所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述层跃区(4)内还设置有燃料、氧化剂和冷却液的进出口。

8.根据权利要求6所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述阴极板(2)和所述阳极板(1)为冲压成型的金属板。

9.根据权利要求6所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述阴极板(2)和所述阳极板(1)通过激光焊接固定。

10.一种燃料电池系统，其特征在于，包括根据权利要求1-9中任一项所述的燃料电池电堆。

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