一种高温质子交换膜燃料电池堆

技术领域

本发明涉及燃料电池堆领域，具体涉及一种高温质子交换膜燃料电池堆。

背景技术

燃料电池是一种将化学能直接转化为电能，不受卡诺循环限制的发电装置，因其具有能量转换率高、无有害物质排放、环境友好等特点，成为新能源领域的研究热点。质子交换膜燃料电池堆由多个单电池堆叠而成，每个单电池由双极板、膜电极及密封件组成，各组件因外部施加装配压力而紧密组合在一起。电堆结构设计、装配压力和各组件的选择对燃料电池内部双极板与膜电极间的接触压力都会有一定的影响，这也将影响燃料电池的性能。若装配压力过小，则电池稳定性较差，密封性无法得到保证；若装配压力过大，电池内部过大的接触应力会使得双极板和气体扩散层发生断裂，破坏燃料电池。目前市面上燃料电池堆一般是低温堆，其工作温度在100℃以下，一般在60～80℃，尚存在密封性差和抗振性弱等问题。而高温质子交换膜燃料电池工作温度在125～180℃，电堆受热应力影响更大，所以上述问题在高温堆上表现的更加显著。

同时燃料气(氢气/重整气/空气)在进入电堆时往往会出现进气不均匀的现象，从而导致电堆部分进气充分，部分单电池没有燃料气进入，从而使得电化学反应不充分，进而导致电堆温度分布不均匀，电堆的热应力不一致就会造成电堆的密封性问题更加显著。

同时，燃料电池集流板与双极板通过绝缘垫密封，同时需要匹配导电层实现电子传输，可能存在电传导性差、与电堆接触电阻大等技术问题，导致燃料电池输出性能下降。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种高温质子交换膜燃料电池堆，包括：上端板以及下端板，由上端板向下端板之间依次设有上绝缘板、上集流板、电堆主体、下集流板以及下绝缘片，所述上端板设有一进气口，所述下端板设有至少一个入气口以及排气口，所述上端板以及下端板之间设有一与进气口连通的进气组件，所述进气组件带动气体均匀的进入电堆主体。

优选的，进气组件包括：固定设置在上端板与下端板之间的U型板以及反向板，所述U型板与反向板之间围绕形成排气腔，所述排气腔体两侧均设有一排气槽，气体进入排气腔后与U型板与反向板接触并从两侧排气槽向电堆主体运行。

优选的，所述U型板的靠近上端板以及下端板均设有多个分流孔。

优选的，所述反向板设有两引流部，两引流部带动从排气槽排出的气体向电堆主体运动。

优选的，电堆主体包括：多个并排设置的单电池，单电池的双极板靠近U型板一侧设有多个进气孔，双极板设有与进气孔连通的空气流道，所述双极板位于进气孔的相对侧排气孔，所述上端板与下端板之间设有一排风板，所述下端板的排气口与排风板连通。

优选的，双极板位于空气流道的相对面设有一氢气流道，氢气流道的两端设有第一入气孔以及第二入气孔，多个第一入气孔汇合与第一入气口连通，多个第二入气孔汇合后于第二入气口连通，第一入气孔以及第二入气口与氢气流道连接处均设有多个并排设置的倾斜通道，氢气在倾斜通道预分散后进入氢气流道。

优选的，所述氢气流道以及空气流道均设有多个排压槽。

优选的，上集流板以及下集流板均是带流道的集流板，两双极板的两侧均设有膜电极，集流板直接与膜电极接触。

优选的，所述下端板配合有四个限位杆，所述限位杆穿过上绝缘板、上集流板、堆主体、下集流板以及下绝缘片与上端板通过调节组件缓冲上端板与下端板之间的轻微形变。

优选的，所述调节组件包括：与所述套设在限位杆上的弹簧，所述弹簧通过螺母与上端板抵接，弹簧带动上端板、下端板、上绝缘板、上集流板、电堆主体、下集流板以及下绝缘片进行压紧。

本发明具有如下优点：

1、通过进气组件带动气体均匀的进入电堆内，从而减小进气不均匀的现象，实现内部温度均匀分布，并且延长燃料电池的使用寿命。

2、通过调节组件与上端板以及限位杆配合，缓冲燃料电池在使用过程中产生的轻微形变，延长电池的使用寿命。

3、排气槽与分流孔配合，带动空气均匀的进入电堆内，并与进气孔配合，稳定持续的进入电堆内。

4、排压槽可以缓解空气流道以及氢气流道内部的压力，实现气体在膜电极上均匀分布，提高电堆温度均匀性，提升电堆输出性能。

5.带流道的集流板结构使得集流板直接与膜电极接触，可减小集流板与电堆主体的接触电阻，提高电堆输出性能，同时电堆主体减小两片双极板，降低电堆主体成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例中高温质子交换膜燃料电池堆的整体结构示意图一；

图2为本发明实施例中高温质子交换膜燃料电池堆的整体结构示意图二；

图3为本发明实施例中高温质子交换膜燃料电池堆的整体结构剖视图一；

图4为本发明实施例中高温质子交换膜燃料电池堆的整体结构剖视图二；

图5为本发明实施例中高温质子交换膜燃料电池堆的双极板的氢气流道示意图；

图6为本发明实施例中高温质子交换膜燃料电池堆的双极板的空气流道示意图。

图中：1、上端板101、进气口2、下端板201、入气口202、排气口3、电堆主体301、双极板3011、进气孔3012、空气流道3013、氢气流道3014、第一入气孔3015、第二入气孔3016、排压槽 4、上集流板 5、下集流板 6、下绝缘片7、U型板701、分流孔 8、反向板 9、排气槽 10、排风板 11、限位杆 12、弹簧 13、上绝缘板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

下面结合实施例和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例：

如图1、图2所示，一种高温质子交换膜燃料电池堆，包括：上端板1以及下端板2，由上端板1向下端板2之间依次设有上绝缘板13、上集流板4、电堆主体3、下集流板5以及下绝缘片6，上端板1设有一进气口101，下端板2设有至少一个入气口201以及排气口202，进气口101主要是带动空气进入燃料电池内。

入气口201一般可以设置两个，其中一入气口201主要是带动氢气进入电堆主体3内，另一入气口201主要是带动多余的氢气进入回收系统再次利用。

上端板1以及下端板2之间设有一与进气口101连通的进气组件，进气组件带动气体均匀的进入电堆主体3。

如图1、图3、图4所示，进气组件包括：固定设置在上端板1与下端板2之间的U型板7以及反向板8，U型板7与反向板8之间围绕形成排气腔，排气腔体两侧均设有一排气槽9，气体进入排气腔后与U型板7与反向板8接触并从两侧排气槽9向电堆主体3运行。

空气从进气口101进入排气腔内时，与下端板2撞击后向排气腔的两侧运动，并从排气槽9排出向电堆主体3运动。

反向板8设有两引流部，两引流部带动从排气槽9排出的气体向电堆主体3运动，引流部主要采用垂直于电堆主体3的竖直板，引流部可以更好的带动排气槽9排出的气体向电堆主体3运动。

由于空气进入排气腔内，与下端板2撞击时，会出现两个小流量区间，一个区间是刚进排气腔时，另一个区间是撞击下端板2时。

因此，在U型板7的靠近上端板1以及下端板2均设有多个分流孔701，可以加大两个区间的流量。

电堆主体3包括：多个并排设置的单电极，单电极的双极板301靠近U型板7一侧设有多个进气孔3011，双极板301设有与进气孔3011连通的空气流道3012，每三个进气孔3011一个流道，且流道呈蛇线形结构，流道的结构可以加强对电堆主体3散热效果，双极板301位于进气孔3011的相对侧排气孔，上端板1与下端板2之间设有一排风板10，下端板2的排气口202与排风板10连通。

排气孔主要带动多余的空气从排气孔排出，排出的气体从排气口202运动至回收系统再次利用。

多个并排设置的双极板301与上端板1上绝缘板13、上集流板4、电堆主体3、下集流板5、下绝缘片6以及下端板2通过两个定位柱进行定位，减小水平方向的位移。

如图2、图5、图6所示，双极板301位于空气流道3012的相对面设有一氢气流道3013，氢气流道3013的两端设有第一入气孔3014以及第二入气孔3015，多个第一入气孔3014汇合与第一入气口201连通，多个第二入气孔3015汇合后于第二入气口201连通，第一入气孔3014以及第二入气口201与氢气流道3013连接处均设有多个并排设置的倾斜通道，倾斜通道带动氢气预分散后进入氢气流道3013。氢气可以从第一入气口201进入第二入气口201排出，也可以反之。

氢气流道3013以及空气流道3012均设有多个排压槽3016，排压槽3016主要是流道部分连通，将流道一个区间的压力转至另一区间，使流道内的压力均匀分布。

双极板301与双极板301之间设有膜电极，构成单电池，多个单电池堆叠形成电堆主体，电流通过集流板汇总后对外输出电流。

上集流板以及下集流板均是带流道的集流板，两双极板的两侧均设有膜电极，集流板直接与膜电极接触，可减小集流板与电堆的接触电阻，提高电堆输出性能；同时电堆主体减少两片双极板，降低电堆成本

如图1、图2所示，下端板2配合有四个限位杆11，所述限位杆11穿过上绝缘板13、上集流板4、堆主体、下集流板5以及下绝缘片6与上端板1通过调节组件缓冲上端板1与下端板2之间的轻微形变。调节组件包括：与套设在限位杆11上的弹簧12，弹簧12通过螺母与上端板1抵接，弹簧12带动上端板1、下端板2、上绝缘板13、上集流板4、电堆主体3、下集流板5以及下绝缘片6进行压紧。

弹簧12采用高压力弹簧12，高压力弹簧12带动上端板1与上绝缘板13、上集流板4、堆主体、下集流板5、下绝缘片6以及下端板2进行压紧，在局部发生形变会压缩弹簧12，以柔性结构缓冲燃料电池产生的微小形变。

如图1至图6所示，工作时，空气从进气口101进入排气腔内时，与下端板2撞击后向排气腔的两侧运动，并从排气槽9排出向电堆主体3运动，与下端板2撞击时，一部分与下端板2撞击后向排气腔的两侧运动，并从排气槽9排出向电堆主体3运动，另一部分通过分流孔701，可以加大两个小流量区间的流量。

空气进入从入气孔进入空气流道3012，并与膜电极接触与氢气发生反应产生电流，多余的空气经过排气孔排出，排出的空气从排气口202运动至回收系统再次利用。

氢气从第一入气口201向第一入气孔3014运动，并带动氢气经过氢气流道3013向膜电极运动，并与空气发生反应输出电流，多余的氢气经过第二入气口201进入回收系统再次利用，产生的电流通过集流板实现对外输出。

对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。