一种电极密封板、自循环电堆及自循环电堆组

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种电极密封板、自循环电堆及自循环电堆组。

背景技术

目前，全球经济面临着巨大的能源危机，传统化石燃料储量有限、污染严重的弊端正不断显现。燃料电池的热效率高，反应生成的有害气体极少，而且没有机械传动部件，工作过程不产生噪音，是新能源领域的研究热点。

对于燃料电池，不论是原电池模式还是电解池模式，由于单个电极单元的功率有限，通常由多个电极单元堆叠布置形成电堆进行工作。在电堆的工作过程中，阴极气体和阳极气体进入电堆后分别流经各个电极单元的阴极和阳极参与反应，然后从电堆出口排出。由于该过程阴极气体和阳极气体难以充分参与反应，利用率并不高，通常只有50%左右，因此需要设置高温循环泵或者引射器将电堆出口排出的剩余气体循环一部分，重新进入电堆进行二次利用。

但是，现有技术通过外部循环的方式进行二次利用，存在如下问题：高温循环泵成本高，设计难度大，并引入寄生功耗；如果设置引射器进行外部循环，则系统的可调节性能差，不适合变工况使用。而且，不论是通过何种方式进行外部循环，客观上都增加了系统管线的复杂度，增大了燃料电池的体积和成本。同时，目前大部分电堆都是玻璃陶瓷密封，可靠性低，热循环性能差。因此，亟需提供一种结构简单、不容易受其他因素制约的电堆气体循环解决方案。

发明内容

针对现有技术存在的前述问题，本发明提供了一种电极密封板及自循环电堆。

在本发明的第一个方面，本发明提供了一种电极密封板。该电极密封板能够便利的构建气体流通路径，因而在电堆中使用本发明提供的电极密封板，可以便利的使经过电极单元反应后的剩余气体在燃料电池电堆内部重新循环利用，这使得在电堆外部设置的附加循环装置例如高温循环泵、引射器等不再是必须，从而允许使用更精简的附加循环装置甚至完全省略附加的循环装置。

具体的，本发明提供了一种电极密封板，所述电极密封板具有密封边框，以及由所述密封边框包围形成的中间区域，所述中间区域形成为气体的容纳空间；

所述密封边框在垂直方向上设置有多个阴极通孔和多个阳极通孔，所述阴极通孔包括第一阴极通孔、第二阴极通孔；所述阳极通孔包括第一阳极通孔、第二阳极通孔和第三阳极通孔；优选的，所述阳极通孔还包括第四阳极通孔；更优选的，所述第一阴极通孔与第二阴极通孔，第一阳极通孔与第二阳极通孔，第三阳极通孔与第四阳极通孔在所述密封边框上相对设置。

具体的，所述多个阴极通孔的至少两个与所述中间区域连通，从而使所述电极密封板构成为阴极电极密封板；或者，所述多个阳极通孔的至少两个与所述中间区域连通，从而使所述电极密封板构成为阳极电极密封板。

所述阴极通孔或阳极通孔与所述中间区域的连通可以采用多种方式实现，在此不作特殊的限制。例如，通过减小通孔与所述中间区域之间密封边框的局部厚度，或者完全消除某个局部的密封边框，都可以使某个通孔与所述中间区域处于连通状态。

具体的，制造所述电极密封板的材料应当具有良好的密封性能和加工性能，并且应当具有良好的化学稳定性和高温稳定性。本发明对于具体材料不作特殊的限制，例如可以选自玻璃、玻璃陶瓷、金属钎焊焊料、云母或蛭石等无机材料。

通过设置多个阴极通孔或阳极通孔，并选择与所述中间区域连通的通孔，可以使不同的通孔经由所述中间区域形成通路，从而便捷的在电堆内部构建气体流通路径，实现反应后的剩余气体在电堆内部的自循环。

作为例举，通过将第一阳极通孔和第二阳极通孔与中间区域设置为连通，可以在某个电极单元中使阳极气体从第一阳极通孔引入，在所述中间区域参与反应后使剩余气体进入第二阳极通孔；通过类似的设置，可以在同一电堆内部的其他电极单元中，使第二阳极通孔中的剩余气体再次经过所述中间区域参与反应，然后形成的二次剩余气体进入第三阳极通孔。进一步的，第三阳极通孔中的二次剩余气体仍然可以采用类似的方式在同一电堆中继续循环利用，例如可以再次经过所述中间区域参与反应，然后再引入第四阳极通孔等。

在本发明的第二个方面，本发明提供了一种自循环电堆。通过在电堆中使用本发明提供的上述电极密封板，可以在电堆中直接形成循环回路对剩余气体重新利用，从根本上解决了常规电堆的气体利用率不高、需要设置外部循环所引起的诸多问题。

具体的，本发明提供了一种自循环电堆，所述自循环电堆包括层叠设置的多个电极单元、电极密封板及密封隔板；

其中，所述电极单元具有金属支撑体、阴极层、电解质层和阳极层，所述金属支撑体具有与所述电极密封板的密封边框相对应的密封边缘；

所述电极单元的两侧分别设置有所述电极密封板；所述电极密封板远离电极单元的一侧设置有所述密封隔板；

所述密封边缘和所述密封隔板在与所述密封边框的多个阴极通孔和阳极通孔相对应的位置处设有相应的通孔，从而形成多个垂直贯通的阴极通道和阳极通道。

具体的，所述多个电极单元、电极密封板及密封隔板通过激光焊接的方式进行密封，相对于玻璃陶瓷密封的可靠性更高、热循环性能更好。

具体的，所述金属支撑体选自Fe、Cr、Ni、Cu、Ti金属中的一种或多种。

具体的，对于靠近电极单元阴极层一侧的电极密封板，可以使所述多个阴极通孔中的至少两个与所述中间区域连通，从而构成为阴极电极密封板；而对于靠近电极单元阳极层一侧的电极密封板，可以使所述多个阳极通孔的至少两个与所述中间区域连通，从而使所述电极密封板构成为阳极电极密封板。

具体的，所述自循环电堆中的多个阳极电极密封板不完全相同。通过上述设置，可以在电堆中形成阴极气体流通路径和阳极气体流通路径，并构建形成剩余气体的循环流通路径。作为例举，通过将某个电极密封板的第一阳极通孔和第二阳极通孔与中间区域设置为连通，可以在某个电极单元中使阳极气体从第一阳极通道引入，在所述中间区域参与反应后使剩余气体进入第二阳极通道；而在某个电极密封板中使第二阳极通孔和第三阳极通孔与中间区域设置为连通，则可以在该电极单元中使剩余气体从第二阳极通道引入，在所述中间区域参与反应后使二次剩余气体进入第三阳极通道，从而形成对剩余气体的循环流通路径。进一步的，第三阳极通道中的二次剩余气体仍然可以采用类似的方式在同一电堆中继续循环利用，例如可以再次经过所述中间区域参与反应，然后再引入第四阳极通道等。

具体的，所述自循环电堆具有电堆顶板和电堆底板；所述电堆顶板和电堆底板在与所述多个阴极通孔和阳极通孔相对应的位置处开设有至少一个阴极气体入口和至少一个阴极气体出口，以及至少一个阳极气体入口和至少一个阳极气体出口。

进一步的，所述电堆的至少一个密封隔板可以采用特殊的方式设置：所述密封隔板在与多个阴极通孔和阳极通孔相对应的多个位置中的至少一个位置处没有设置通孔。通过这样的特殊设置，可以在燃料电池电堆内部对阴极通道或阳极通道进行阻断，从而将垂直贯通的阴极或阳极通道分割为多个彼此独立的子通道，并将各个子通道用于构建气体流通路径。

在本发明的第三个方面，本发明提供了一种自循环电堆组。通过将上述的自循环电堆组合设置，例如将多个自循环电堆串联设置，可以在无需增加阴极通道或阳极通道数量的情况下增加气体的循环次数。例如，通过将某个自循环电堆的出口气体引入另一个自循环电堆的入口，可以有效的实现剩余气体的再次循环利用。

基于本发明提供的上述技术方案，本发明提供了一种电极密封板、自循环电堆及自循环电堆组。由于本发明提供的电极密封板能够便捷的构建气体流通路径，因此使用该电极密封板的电堆能够在电堆内部构建多种气体流通路径，实现反应后的剩余气体在电堆内部的自循环。如此，本发明提供的电堆具有更高的气体利用率，而且不再依赖于外部的循环系统进行循环，燃料电池系统的效率更高、体积更小。

本领域技术人员应当理解，提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了实施例中电极密封板的基本构成；

图2示出了实施例中一个具体的阴极电极密封板；

图3示出了实施例中自循环电堆的一个局部构成；

图4示出了实施例中自循环电堆的另一个局部构成；

图5示出了实施例中自循环电堆的循环示意图；

图6示出了实施例中自循环电堆的组装示意图；

图7示出了实施例中的自循环电堆组。

附图标记说明：1-电极密封板；11-密封边框；12-中间区域；13-第一阴极通孔；14-第二阴极通孔；15-第一阳极通孔；16-第二阳极通孔；17-第三阳极通孔；18-第四阳极通孔；2-电极单元；21-金属支撑体；3-密封隔板；4-电堆顶板；5-电堆底板；51-阴极气体入口；52-阴极气体出口；53-阳极气体入口；54-阳极气体出口；61-第一自循环电堆；62-第二自循环电堆；H1-第一阳极通道；H2-第二阳极通道；H3-第三阳极通道；H4-第四阳极通道。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象，而并不隐含某种实施的先后顺序。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

本发明的第一个方面是提供了一种电极密封板。在本发明提供的电堆中，该电极密封板在大多数情况下位于电极单元的两侧，用于向电极单元供给气体并提供适当的气体容纳空间，以便气体与电极接触并参与反应。以下对本发明的电极密封板作示例性说明。

图1示出了在一个具体实施例中电极密封板的基本构成。如图1所示，所述电极密封板1具有密封边框11，以及由所述密封边框包围形成的中间区域12。密封边框11具有光滑的表面，以便电极密封板1在安装时能够容易的实现密封状态；中间区域12形成为气体的容纳空间，当电极密封板1安装在电极单元的两侧时，气体在中间区域12能够与电极接触并参与反应。

密封边框11在垂直方向上设置有多个阴极通孔和多个阳极通孔。通孔的具体形状可以是圆形、椭圆形或圆角矩形等其他形状。

在本实施例中，阴极通孔包括第一阴极通孔13、第二阴极通孔14，第一阴极通孔13、第二阴极通孔14对称设置在密封边框11两条相对边的中央，并且具体设置为图示的圆角矩形；阳极通孔则包括第一阳极通孔15、第二阳极通孔16、第三阳极通孔17以及第四阳极通孔18，其中第一阳极通孔15与第二阳极通孔16，第三阳极通孔17与第四阳极通孔18在所述密封边框11上均呈对角设置，并且具体设置为图示的圆形。通过使各组阴极通孔/阳极通孔相对设置，可以使气体从某个通孔向相对的通孔流动时更加均匀。

出于构建气体流通路径的需要，各个阴极通孔或阳极通孔可以与所述中间区域12连通。在本实施例中，可以使第一阴极通孔13、第二阴极通孔14与中间区域连通，从而构成为阴极电极密封板；也可以使第一阳极通孔15与第二阳极通孔16连通，或者使第三阳极通孔17与第四阳极通孔18连通，从而构成为阳极电极密封板。

阴极通孔或阳极通孔与所述中间区域12的连通可以采用多种方式。在本实施例中，通过完全消除某个局部的密封边框实现所述连通。

图2示出了一个具体实施例中的阴极电极密封板。如图2所示，局部的密封边框被完全消除，从而实现第一阴极通孔13、第二阴极通孔14与所述中间区域12的连通，构成为阴极电极密封板。

电极密封板1的材质应当具有良好的密封性能和加工性能，并且应当具有良好的化学稳定性和高温稳定性。在本实施例给出的具体实施方案中，电极密封板由云母制成。

本发明的第二个方面是提供了一种自循环电堆。本发明提供的自循环电堆主要应用于燃料电池，包括燃料电池原电池模式和电解池模式。不论具体何种模式，通过在电堆中使用本发明提供的电极密封板，可以在电堆中直接形成循环回路对剩余气体重新利用，实现气体在电堆内部的自循环。以下对本发明的自循环电堆作示例性说明。

图3示出了一个具体实施例中自循环电堆的一个局部构成。如图3所示，自循环电堆的该局部构成包括电极单元2、所述电极密封板1及密封隔板3。

电极单元2是电堆的基本构成单元，包括金属支撑体21、阴极层、电解质层和阳极层，是发生电化学反应的主要场所。其中，阴极层、电极层、阳极层可以用本领域已知的方式设置在金属支撑体上，并采用本领域已知的材质制造，在此不作特殊的说明。

所述金属支撑体21应当具有与所述电极密封板1的密封边框11相对应的密封边缘，所述密封边缘具有光滑的表面，从而允许所述电极单元2与所述电极密封板1及密封隔板3层叠设置，并容易的完成密封。

所述金属支撑体21可以采用本领域已知的材质制造，例如Fe、Cr、Ni、Cu、Ti金属中的一种或多种。本领域技术人员应当理解的，上述金属材料也包括相应的合金材料。

在所述电极单元2的两侧设置有所述电极密封板1。具体的，靠近电极单元2阳极层一侧的电极密封板具体设置为阳极电极密封板，在靠近阴极层一侧的电极密封板则具体设置为阴极电极密封板。

图3示出的局部构成是电极单元2阳极层一侧的设置情况。如图3所示，该电极密封板1的第一阳极通孔15、第二阳极通孔16与所述中间区域12连通，构成为阳极电极密封板，并形成第一阳极通孔15通过中间区域12连接至第二阳极通孔16的气体流通路径。

在电极密封板1远离电极单元2的一侧设置有所述密封隔板3，所述密封隔板3同样具有光滑的表面，从而允许进行层叠设置并容易的完成密封。

电极单元2的密封边缘、密封隔板3在与电极密封板1的多个阴极通孔和阳极通孔相对应的位置处设有相应的通孔，从而在层叠密封后形成多个垂直贯通的阴极通道和阳极通道，例如图3所示出的第一阳极通道H1，第二阳极通道H2、第三阳极通道H3、第四阳极通道H4。在具体进行密封时，优选通过激光焊接的方式进行，相对于传统的玻璃陶瓷密封的可靠性更高、热循环性能更好。

图3仅仅示出了自循环电堆的一个局部构成。在自循环电堆的其他局部中，所述电极密封板1可以采用不同的方式设置，例如可以使第二阳极通孔16和第三阳极通孔17与中间区域12连通，或者使第三阳极通孔17和第四阳极通孔18与中间区域12连通，从而构建形成不同的气体流通路径用于剩余气体的循环。

作为例举的，图4示出了自循环电堆的另一个局部构成。如图4所示，自循环电堆的该局部构成包括电极单元2、两个电极密封板1及两个密封隔板3，靠近电极单元2的第一电极密封板的第三阳极通孔17和第四阳极通孔18与中间区域12连通，在第一电极密封板远离电极单元2的一侧设置有密封隔板3，在该密封隔板3的另一侧设置有第二电极密封板，第二电极密封板的第三阳极通孔17和第二阳极通孔16连通，在第二电极密封板的另一侧设置有密封隔板3。

在图4示出的局部构成中，形成了由第二阳极通孔16流通至第三阳极通孔17，再由第三阳极通孔17经过所述中间区域12流通至第四阳极通孔18的气体流通路径。在气体从第三阳极通孔17经过所述中间区域12流通至第四阳极通孔18的过程中，气体与电极接触并参与反应。

作为进一步例举的，图5示出了一个具体实施例中自循环电堆的循环示意图。该自循环电堆事实上包括图3所示的局部构成以及图4所示的另一局部构成。为了简化显示，图5仅示出电极单元2以及阳极侧的电极密封板1，阴极侧的电极密封板以及密封隔板3均没有示出。

如图5所示，阳极气体从第一阳极通孔15贯穿形成的第一阳极通道H1引入，由电极密封板1的第一阳极通孔15经由中间区域12进入第二阳极通孔16贯穿形成的第二阳极通道H2，在此过程中阳极气体与电极单元2的阳极接触并参与反应。第二阳极通道H2的剩余气体经由电极密封板的第二阳极通孔16进入第三阳极通孔17贯穿形成的第三阳极通道H3，然后继续从电极密封板的第三阳极通孔17经由中间区域12进入第四阳极通孔18贯穿形成的第四阳极通道H4，在此过程中剩余气体再次与电极单元2的阳极接触并参与反应。

如图6所示，所示自循环电堆还具有电堆顶板4和电堆底板5，在电堆顶板4和电堆底板5与所述多个阴极通孔和阳极通孔相对应的位置处开设有至少一个阴极气体入口和至少一个阴极气体出口，以及至少一个阳极气体入口和至少一个阳极气体出口。在本实施例中，所述阴极气体入口51、阴极气体出口52、阳极气体入口53、阳极气体出口54均开设在电堆底板5上，并分别与电极密封板1上的第一阴极通孔13、第二阴极通孔14、第一阳极通孔15、第四阳极通孔18的位置相对应。

显然易见的，所述自循环电堆的气体循环次数受到阴极通道或阳极通道数量的限制。为了增加通道的数量，可以增加阴极通孔或阳极通孔的数量，但也可以将至少一个密封隔板可以采用特殊的方式设置：所述密封隔板在与多个阴极通孔和阳极通孔相对应的多个位置中的至少一个位置处没有设置通孔。通过这样的特殊设置，可以在燃料电池电堆内部对阴极通道或阳极通道进行阻断，从而将垂直贯通的阴极或阳极通道分割为多个彼此独立的子通道，增加通道的数量。

本发明的第三个方面是提供一种自循环电堆组。通过将前述的自循环电堆组合设置，尤其是将其组合设置，可以在不增加阴极通道或阳极通道数量的情况下增加气体的循环次数。

图7给出了一个具体实施例中的自循环电堆组。如图7所示，自循环电堆组包括彼此串联的第一自循环电堆61和第二自循环电堆62，所述第一自循环电堆61的阳极气体出口通过管线与第二自循环电堆62的阳极气体入口相连，能够在不增加系统复杂度的情况下有效增加阳极气体的循环次数。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。