CN212113903U - 燃料电池电堆及燃料电池发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及燃料电池领域，提供一种燃料电池电堆，包括顺序层叠的多个燃料电池单体，所述燃料电池单体包括双极板和膜电极组件，所述膜电极组件位于叠置的相邻所述双极板之间，所述双极板上多个第一反应区域与所述膜电极组件上多个第二反应区域一一对应，各所述第一反应区域上形成有反应区域流场，每片所述双极板的相邻的第一反应区域之间的反应区域流场相同或对称布置；每片所述双极板的各独立第一反应区域面积相同，每片所述膜电极组件的各独立第二反应区域面积相同。本实用新型所述的燃料电池电堆能够在现有燃料电池电堆基础上，通过增加燃料电池单体的反应区域，快速扩展，提高单个燃料电池电堆的功率，缩短了开发周期，而且，有利于装配。

Description

燃料电池电堆及燃料电池发电装置

技术领域

本实用新型涉及燃料电池，特别涉及一种燃料电池电堆，此外，还涉及一种燃料电池发电装置。

背景技术

随着全球变暖问题的日益严重，人们对于清洁能源的需求日益迫切。近年，燃料电池逐渐受到全球的关注，目前燃料电池有质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、甲醇燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池等，在热电联产(CHP)、固定式发电、备用电源、及车辆和船舶等领域已开始应用。由于其反应过程几乎没有污染，且效率在50％左右，例如氢燃料电池，世界上的不同国家已经推出了氢能发展计划，期望通过燃料电池进行节能减排，以实现可持续发展。

燃料电池的产生电力的过程为一个化学反应，具体地，在电力产生的场所，在反应的同时需要燃料的供应，空气或者氧气的供应，温度的控制等，其中，燃料电池电堆为最核心的部分。燃料电池的具体反应涉及到传质、传热、排水或水蒸汽、压降等问题，由于诸如此类问题的存在，限制了单个燃料电池电堆的功率，例如，石墨板电堆单堆功率目前通常不超过50kW，金属板电堆单堆功率不超过120kW。若想获得功率更高的单个燃料电池电堆，通常需要经过复杂的开发过程，周期相对较长，而且，目前，当燃料电池单体装配到一定数量以上后，装配在工艺上较难实现，难以快速实现较大功率的燃料电池电堆的制作。

因此，如何能够较为快速地实现较大功率的燃料电池电堆的制作是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种燃料电池电堆，能够在现有料电池电堆基础上，通过增加燃料电池单体的反应区域，快速扩展，提高单个燃料电池电堆的功率，缩短了开发周期，而且，有利于装配。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种燃料电池电堆，包括顺序层叠的多个燃料电池单体，所述燃料电池单体包括双极板和膜电极组件(MEA)，所述膜电极组件位于叠置的相邻所述双极板之间，所述双极板上的多个第一反应区域与所述膜电极组件上的多个第二反应区域一一对应，各所述第一反应区域上形成有反应区域流场，每片所述双极板的相邻的所述第一反应区域之间的反应区域流场相同或对称布置；每片所述双极板的各独立的所述第一反应区域的面积相同，每片所述膜电极组件的各独立的第二反应区域的面积相同。

进一步地，每片所述双极板的相邻的所述反应区域流场中的同一种流体的流动方向相同或相反。

进一步地，所述双极板和所述膜电极组件均设有流体分配通道。

更进一步地，所述流体分配通道包括阳极进口流体分配通道、阳极出口流体分配通道、阴极进口流体分配通道、阴极出口流体分配通道、冷却剂进口流体分配通道和冷却剂出口流体分配通道。

更进一步地，所述反应区域流场分别连通所述阳极进口流体分配通道与阳极出口流体分配通道、连通所述阴极进口流体分配通道与阴极出口流体分配通道以及连通所述冷却剂进口流体分配通道与冷却剂出口流体分配通道。

进一步地，所述阳极出口流体分配通道的出口面积为所述阳极进口流体分配通道的进口面积的65％～95％，所述阴极出口流体分配通道的出口面积为所述阴极进口流体分配通道的进口面积的70％～100％。

更近一步地，同一所述双极板的相邻所述第一反应区域之间具有共用的所述流体分配通道，且同一所述膜电极组件的相邻所述第二反应区域之间具有共用的所述流体分配通道。

更进一步地，同一所述双极板的相邻所述第一反应区域之间没有共用的所述流体分配通道，且同一所述膜电极组件的相邻所述第二反应区域之间没有共用的所述流体分配通道。

进一步地，所述第一反应区域的面积和所述第二反应区域的面积为2cm²～1000cm²。

相对于现有技术，本实用新型所述的燃料电池电堆具有以下优势：

(1)本实用新型所述的燃料电池电堆中，通过增加燃料电池单体中的反应区域的数量，从而实现单个燃料电池电堆在燃料电池单体数量与现有燃料电池电堆的燃料电池单体数量相同的情况下，制作出反应区域的数量为现有燃料电池电堆的多倍的燃料电池电堆，即制作出更大功率的燃料电池电堆；快速实现大功率燃料电池电堆的制作，减小开发周期。

(2)本实用新型所述的燃料电池电堆中，双极板和膜电极组件上均设有阳极进口、阳极出口、阴极进口、阴极出口、冷却剂进口和冷却剂出口等流体通道，相邻的双极板之间可以共用流体通道，相邻的膜电极组件之间也可以共用流体通道，减少了开孔数量。

另外，本实用新型的另一目的在于提出一种燃料电池发电装置，所述燃料电池发电装置设置有以上任一项所述的燃料电池电堆。

这样，通过采用上述的燃料电池电堆，能够提供相对较大的功率。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施方式及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为现有技术所述的双极板的结构示意图，其中，双极板具有单个反应区域；

图2为现有技术所述的MEA的结构示意图，其中，MEA具有单个反应区域；

图3为本实用新型第一种具体实施方式所述的双极板的结构示意图，其中，双极板具有两个反应区域；

图4为本实用新型第一种具体实施方式所述的膜电极组件的结构示意图，其中，膜电极组件具有两个反应区域；

图5为本实用新型第二种具体实施方式所述的双极板的结构示意图，其中，双极板具有三个反应区域；

图6为本实用新型实第二种具体施方式所述的膜电极组件的结构示意图，其中，膜电极组件具有三个反应区域；

图7为本实用新型第三种具体实施方式所述的双极板的结构示意图，其中，两个反应区域共用流体分配通道；

图8为本实用新型第三种具体实施方式所述的膜电极组件的结构示意图，其中，两个反应区域共用流体分配通道；

图9为本实用新型第四种具体实施方式所述的双极板的结构示意图，其中，三个反应区域中相邻的两个之间分别共用流体分配通道；

图10为本实用新型第四种具体实施方式所述的膜电极组件的结构示意图，其中，三个反应区域中相邻的两个之间分别共用流体分配通道。

附图标记说明：

1双极板 11第一反应区域

2膜电极组件 21第二反应区域

31阳极进口流体分配通道 32阳极出口流体分配通道

33阴极进口流体分配通道 34阴极出口流体分配通道

35冷却剂进口流体分配通道 36冷却剂出口流体分配通道

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本实用新型。

参照图3至图10所示，本实用新型基本实施方式的燃料电池电堆，包括顺序层叠的多个燃料电池单体，燃料电池单体包括双极板1和膜电极组件2，膜电极组件2位于叠置的相邻双极板1之间，双极板1上的多个第一反应区域11与膜电极组件2上的多个第二反应区域21一一对应，各第一反应区域11上形成有反应区域流场，每片双极板1的相邻的第一反应区域11之间的反应区域流场相同或对称布置；每片双极板1的各独立的第一反应区域11的面积相同，每片膜电极组件2的各独立的第二反应区域21的面积相同。

图1为现有技术所述的一种双极板的结构示意图，图2为现有技术所述的MEA的结构示意图。参照图1和图2，一般地，现有的燃料电池电堆的功率受到限制，例如，目前，石墨板电堆单堆功率通常不超过50kW，金属板电堆单堆功率不超过120kW。由于涉及的化学反应较为复杂，具体反应涉及到传质、传热、排水或水蒸汽、压降等问题，由于诸如此类问题的存在，限制了单个燃料电池电堆的功率；例如，从增大反应区域的面积的角度增大功率，由于上述问题的影响，在开发过程中，需要重新设计反应区域流场，以及各种验证工作，使得开发周期很长，成本较高；尤其是，在实际制作过程中，由于工艺的限制，当燃料电池单体的数量达到400片以上时，难以实现装配，即想要在短时间内快速制作出较大功率的燃料电池电堆较为困难。

在本实用新型的上述基本技术方案中，基于现有技术进行扩展，通过增加燃料电池单体中的反应区域的数量的方式，实现较大功率的燃料电池电堆的制作；具体地，双极板1上设置多个第一反应区域11，膜电极组件2上设置多个第二反应区域21，第一反应区域11与第二反应区域21一一对应，由于膜电极组件2位于叠置的相邻双极板1之间，使得第一反应区域11与第二反应区域21之间形成一个完整的反应区域，使燃料电池单体中的反应区域的数量增加，快速实现较大功率的燃料电池电堆的制作，减小开发周期；其中，第一反应区域11上形成有反应区域流场，使得流体能够在反应区域流场内流动并进行电化学反应，而且，每片双极板1的相邻的第一反应区域11之间的反应区域流场以相同或对称的方式布置，使得制作过程较为简单，突破现有燃料电池电堆的功率瓶颈。

在具体实施例中，双极板1上设置有流体分配通道，膜电极组件2上也设置有流体分配通道，流体分配通道包括阳极进口流体分配通道31、阳极出口流体分配通道32、阴极进口流体分配通道33、阴极出口流体分配通道34、冷却剂进口流体分配通道35和冷却剂出口流体分配通道36等六类接口，各类接口与反应区域流场连通；例如，参照图3，围绕各个第一反应区域11的边缘设置阳极进口流体分配通道31、阳极出口32流体分配通道、阴极进口流体分配通道33、阴极出口流体分配通道34、冷却剂进口流体分配通道35和冷却剂出口流体分配通道36，或者，参照图4，围绕各个第二反应区域12的边缘设置阳极进口流体分配通道31、阳极出口32流体分配通道、阴极进口流体分配通道33、阴极出口流体分配通道34、冷却剂进口流体分配通道35和冷却剂出口流体分配通道36。

其中，阳极进口流体分配通道31与阳极出口流体分配通道32用于燃料的进出，阴极进口流体分配通道33与阴极出口流体分配通道34用于空气或氧气的进出，冷却剂进口流体分配通道35和冷却剂出口流体分配通道36用于冷却剂的进出。此外，阳极出口流体分配通道32的出口面积可以设计为阳极进口流体分配通道31的进口面积的65％～95％，阴极出口流体分配通道34的出口面积可以设计为阴极进口流体分配通道33的进口面积的70％～100％，通常，化学反应后流体会有所减少，相应地，将阳极出口流体分配通道32与阴极出口流体分配通道34设置小些，可以节省结构面积，用于其它需要的设计。

进一步地，反应区域流场包括阳极流场、阴极流场，阳极流场与阴极流场之间形成冷却剂流场，双极板中形成的阳极流场连通阳极进口流体分配通道31与阳极出口流体分配通道32，双极板中形成的阴极流场连通阴极进口流体分配通道33与阴极出口流体分配通道34，双极板中形成的冷却剂流场连通冷却剂进口流体分配通道35和冷却剂出口流体分配通道36；在图6、图9或图10所示的实施例中，以阳极进口流体分配通道31与阳极出口流体分配通道32为例，为了便于理解流体在反应区域流场内的流动方向，在相应的附图中，以带有箭头的线条标识出流体整体上的大致的流动方向；下面以氢气作为燃料为例进行说明，氢气从阳极进口流体分配通道31进入，在对应的第一反应区域11与第二反应区域21之间形成的流体反应区域内与氧气发生化学反应，剩余的氢气从阳极出口流体分配通道32流出；同理地，氧气或空气从阴极进口流体分配通道33进入，在流体反应区域内与氢气发生化学反应，剩余的氧气或空气从阴极出口流体分配通道34流出；冷却剂从冷却剂进口流体分配通道35进入，并从冷却剂出口流体分配通道36流出，进行冷却散热。一般地，膜电极组件2是由质子交换膜(PEMs)，催化剂层和扩散层的组合而成，催化剂层两侧涂覆在质子交换膜上，扩散层设置在催化剂层的两侧。

其中，参照图3，相邻的双极板1之间可以没有共用的流体分配通道，这时，相邻的第一反应区域11上的反应区域流场的布置完全相同；同时，参照图4，相邻的膜电极组件2之间也可以没有共用的流体分配通道；在第一反应区域11与对应的第二反应区域21之间形成的流体反应区域内，相邻的流体反应区域内的同一种流体的流动方向相同。

或者，也可以采用共用流体分配通道的方式，例如，图7示出了相邻的双极板1之间具有共用的流体分配通道的一种示例，图8示出了相邻的膜电极组件2之间具有共用的流体分配通道的一种示例；即相邻的双极板1之间设置共用的流体分配通道，同时，相邻的膜电极组件2之间也设置共用的流体分配通道；通过共用流体分配通道的设置，可以减少开孔，在一定程度上，可以提高加工效率。而且，相邻的第一反应区域11之间的反应区域流场可以对称布置，如图7至图10所示，可以共用流体分配通道，或者，如图3至图6所示，也可以不共用流体分配通道，在相邻的反应区域流场内，同一种流体的流动方向相反；其中，流体可以为氢气、氧气、冷却剂等。

在实际使用中，可以根据需要设计第一反应区域11的面积和第二反应区域21的面积，例如，第一反应区域11的面积和第二反应区域21的面积均为2cm²～1000cm²。通常，在形成的燃料电池中，若干双极板1和膜电极组件2依次堆叠形成燃料电池电堆，并与绝缘板、密封圈、集流板、端板和紧固螺栓共同构成燃料电池。

如图3至图10所示，本实用新型优选实施方式的燃料电池电堆，包括顺序层叠的多个燃料电池单体，燃料电池单体包括双极板1和膜电极组件2，膜电极组件2位于叠置的相邻双极板1之间，双极板1上的多个第一反应区域11与膜电极组件2上的多个第二反应区域21一一对应，各第一反应区域11上形成有反应区域流场；参照图3，围绕各个第一反应区域11的边缘设置阳极进口流体分配通道31、阳极出口流体分配通道32、阴极进口流体分配通道33、阴极出口流体分配通道34、冷却剂进口流体分配通道35和冷却剂出口流体分配通道36等流体分配通道，参照图4，围绕各个第二反应区域12的边缘设置阳极进口流体分配通道31、阳极出口流体分配通道32、阴极进口流体分配通道33、阴极出口流体分配通道34、冷却剂进口流体分配通道35和冷却剂出口流体分配通道36等流体分配通道；反应区域流场包括阳极流场、阴极流场以及冷却剂流场，阳极流场连通阳极进口流体分配通道31与阳极出口流体分配通道32，用于燃料的进出，阴极流场连通阴极进口流体分配通道33与阴极出口流体分配通道34，用于氧气的进出，冷却剂流场连通冷却剂进口流体分配通道35和冷却剂出口流体分配通道36，用于冷却剂的进出；进一步地，双极板1可以不共用流体分配通道，同时，膜电极组件2也可以不共用流体分配通道，相邻的第一反应区域11上的反应区域流场相同，其内的同一种流体的流动方向相同，或者，参照图3，相邻的第一反应区域11上的反应区域流场对称设置，其内的同一种流体的流动方向相反；或者，双极板1也可以共用流体分配通道，同时，膜电极组件2也共用流体分配通道，参照图7，相邻的第一反应区域11上的反应区域流场对称布置，其内的同一种流体的流动方向相反。

图3和图7示出了双极板1具有两个第一反应区域11的示例，相应地，图4和图8示出了膜电极组件2具有两个第二反应区域21的示例；图5和图9示出了双极板1具有三个第一反应区域11的示例，相应地，图6和图10示出了膜电极组件2具有三个第二反应区域21的示例；需要说明的是，上述第一反应区域11与第二反应区域21的数量还可以根据需要设置更多，以满足不同的功率需求。在使用中，由本实用新型的燃料电池电堆形成的燃料电池由于每一个燃料电池单体具有至少2个独立的反应区域，在运行过程中需要反应物同时都输入到各个反应区域，各个反应区域虽然物理上相互独立，但彼此相互连接，共同进行反应，共同停止反应，所有步调协调一致。

由上可见，在现有技术中，由于燃料电池涉及的化学反应较为复杂，具体反应涉及到传质、传热、排水或水蒸汽、压降等问题，由于诸如此类问题的存在，限制了单个燃料电池电堆的功率；使得开发周期很长，而且，当燃料电池单体的数量达到400片以上时，难以实现装配，使得制作大功率的燃料电池电堆较为困难；然而，本实用新型的燃料电池电堆对多个现有燃料电池电堆的设计进行扩展，巧妙地通过增加双极板1上的第一反应区域11的数量以及膜电极组件2上的多个第二反应区域21的数量的方式，很好地实现大功率燃料电池的制作，突破了现有燃料电池电堆功率瓶颈，而且，制作快速，提升工作效率，减小开发周期，不需要增加装配的难度，便于装配；对于燃料电池的推广应用具有促进作用。

此外，本实用新型还提供一种燃料电池发电装置，所述燃料电池发电装置可以应用于车辆或船舶等交通工具上，以能够对车辆或船舶等交通工具提供较大的功率；也可以应用于热电联产(CHP)、固定式发电或备用电源等的供电设备上，以能够提升供电设备的功率。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池电堆，包括顺序层叠的多个燃料电池单体，其特征在于，所述燃料电池单体包括双极板(1)和膜电极组件(2)，所述膜电极组件(2)位于叠置的相邻所述双极板(1)之间，所述双极板(1)上的多个第一反应区域(11)与所述膜电极组件(2)上的多个第二反应区域(21)一一对应，各所述第一反应区域(11)上形成有反应区域流场，每片所述双极板(1)的相邻的所述第一反应区域(11)之间的反应区域流场相同或对称布置；每片所述双极板(1)的各独立的所述第一反应区域(11)的面积相同，每片所述膜电极组件(2)的各独立的第二反应区域(21)的面积相同。

2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，每片所述双极板(1)的相邻的所述反应区域流场中的同一种流体的流动方向相同或相反。

3.根据权利要求2所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述双极板(1)和所述膜电极组件(2)均设有流体分配通道。

4.根据权利要求3所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述流体分配通道包括阳极进口流体分配通道(31)、阳极出口流体分配通道(32)、阴极进口流体分配通道(33)、阴极出口流体分配通道(34)、冷却剂进口流体分配通道(35)和冷却剂出口流体分配通道(36)。

5.根据权利要求4所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述双极板的反应区域流场分别连通所述阳极进口流体分配通道(31)与阳极出口流体分配通道(32)、连通所述阴极进口流体分配通道(33)与阴极出口流体分配通道(34)以及连通所述冷却剂进口流体分配通道(35)与冷却剂出口流体分配通道(36)。

6.根据权利要求4所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述阳极出口流体分配通道(32)的出口面积为所述阳极进口流体分配通道(31)的进口面积的65％～95％，所述阴极出口流体分配通道(34)的出口面积为所述阴极进口流体分配通道(33)的进口面积的70％～100％。

7.根据权利要求3所述的燃料电池电堆，其特征在于，同一所述双极板(1)的相邻所述第一反应区域(11)之间具有共用的所述流体分配通道，且同一所述膜电极组件(2)的相邻所述第二反应区域(21)之间具有共用的所述流体分配通道。

8.根据权利要求3所述的燃料电池电堆，其特征在于，同一所述双极板(1)的相邻所述第一反应区域(11)之间没有共用的所述流体分配通道，且同一所述膜电极组件(2)的相邻所述第二反应区域(21)之间没有共用的所述流体分配通道。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述第一反应区域(11)的面积和所述第二反应区域(21)的面积为2cm²～1000cm²。

10.一种燃料电池发电装置，其特征在于，设置有权利要求1-9中任意一项所述的燃料电池电堆。

Images