CN105375051A - 一种背向进气燃料电池堆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种背向进气燃料电池堆，该燃料电池堆包含平板形的膜电极组件和极板组件；极板组件包含氧气流场板、氢气流场板和冷却流场板，氧气流场板和氢气流场板结构相同；燃料电池堆由膜电极组件和极板组件重复堆叠而成。氧气流场板和氢气流场板，其正面的两个气体进出口封闭区域以及一个活性反应封闭区域，均被封闭凸台包围。膜电极组件包含位于中间的活性反应区以及设置在活性反应区外围的边框区；边框区设有四组背向进出气通孔。本发明提供的背向进气燃料电池堆，实现了背向进气功能，可以进一步提高电堆密封可靠性，也可降低电池过热燃烧后引发安全事故的可能性，具有更高的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池制造及能量存储装置，具体地，涉及一种具有背向进气功能的燃料电池堆结构。
背景技术
燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。这种装置的最大特点是由于反应过程中不涉及到燃烧，可以长时间不间断地工作，同时兼具普通化学电源能量转换效率高和常规发电机组连续工作时间长的两种优势。
质子交换膜燃料电池（Protonexchangemembranefuelcell,PEMFC）是燃料电池中的一种，其电解质由固态聚合物膜制成，所以又叫作固态聚合物电解质燃料电池（SPEFC）或固态聚合物燃料电池（SPFC），具有功率密度高、工作温度低（＜100℃）、寿命长等优点，是目前研究最广泛的燃料电池。
质子交换膜燃料电池堆由膜电极组件（MEA）和电池极板组件重复堆叠而成，其中电池极板组件包括氧气流场板、冷却板和氢气流场板。目前，氢、氧气自气源进入电堆进气支管，经过气体通孔到达流场板，通常在流场板的进出口区域布有引流流道，流道直接延伸到气体通孔以便于气体进入流场发生反应。这样的设计将进气路支管和活性反应区域两者直接相通，存在以下问题：（1）进口区域布有引流流道，无法很好支撑对应该区域的膜电极组件及密封件，密封存在一定风险；（2）反应区域一旦发生过热燃烧等现象，烟雾或火焰会直接进入气体管路可能会引起更大范围的危害。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于燃料电池电堆结构的设计，实现了电堆背向进气功能，提高电堆密封可靠性的同时可以降低电池过热燃烧后引发安全事故的可能性。
为了达到上述目的，本发明提供了一种背向进气燃料电池堆，其中，该燃料电池堆包含平板形的膜电极组件和极板组件；所述的极板组件包含氧气流场板、氢气流场板和冷却流场板，所述的氧气流场板和氢气流场板结构相同；所述的燃料电池堆由膜电极组件和极板组件重复堆叠而成。
上述的背向进气燃料电池堆，其中，所述的氧气流场板和氢气流场板，其正面分别设有两个气体进出口封闭区域以及一个活性反应封闭区域；所述的气体进出口封闭区域分别设置在氧气流场板或氢气流场板的上方和下方，两个气体进出口封闭区域成中心对称，每个气体进出口封闭区域的周围分别设有一圈凸出的气体进出口封闭凸台；所述的气体进出口封闭凸台内的区域即每个气体进出口封闭区域内设有气体通孔以及气体引流点；所述的活性反应封闭区域设置在氧气流场板或氢气流场板的中间，位于两个气体进出口封闭凸台之间，活性反应封闭区域周围设有一圈凸出的活性反应封闭凸台；所述的活性反应封闭凸台内的活性反应封闭区域为气体流场，流场形式不限。
上述的背向进气燃料电池堆，其中，所述的氧气流场板，其被凸台包围的气体通孔为氢气通孔，两个气体进出口封闭区域分别连接氢气进口管路和氢气出口管路。
上述的背向进气燃料电池堆，其中，所述的氢气流场板，其被凸台包围的气体通孔为氧气通孔，两个气体进出口封闭区域分别连接氧气进口管路和氧气出口管路。
上述的背向进气燃料电池堆，其中，所述的氧气流场板和氢气流场板，其正面相向，分别设置在膜电极组件的两侧；所述氧气流场板的气体进出口封闭区域在其面向的氢气流场板上的对应位置在所述氢气流场板的活性反应封闭区域内，所述氢气流场板的气体进出口封闭区域在其面向的氧气流场板上的对应位置在所述氧气流场板的活性反应封闭区域内。
上述的背向进气燃料电池堆，其中，所述的氧气流场板、膜电极组件、氢气流场板与下一组氧气流场板、膜电极组件、氢气流场板之间设有冷却流场板。
上述的背向进气燃料电池堆，其中，所述的膜电极组件包含位于中间的活性反应区以及设置在活性反应区外围的边框区；所述的边框区设有四组背向进出气通孔。所述的活性反应区的位置与氧气流场板和氢气流场板上的活性反应封闭区域对应。
上述的背向进气燃料电池堆，其中，所述的背向进出气通孔，其两组的位置与氧气流场板的气体进出口封闭区域对应，即其在氢气流场板上的对应位置在所述氢气流场板的活性反应封闭区域内；另两组的位置与氢气流场板气体进出口封闭区域的位置对应，即其在氧气流场板上的对应位置在所述氧气流场板的活性反应封闭区域内。
上述的背向进气燃料电池堆，其中，所述的膜电极组件，其边框区由多层薄片叠加而成，每层之间通过热熔胶粘合形成一体，叠加的薄片材料一致。
上述的背向进气燃料电池堆，其中，所述的热熔胶，其熔点高于或等于电池的最高工作温度，同时低于或等于制备膜电极材料的最低着火点。一旦活性区域发生过热燃烧时，膜电极组件中的热熔胶成分发生熔化，将气体通孔和背向进出气通孔堵塞并完全封闭，切断气体供应，降低电池过热燃烧蔓延的可能性。
本发明提供的背向进气燃料电池堆具有以下优点：
本发明提供的具有背向进气功能燃料电池堆，实现了背向进气功能，可以进一步提高电堆密封可靠性，也可降低电池过热燃烧后引发安全事故的可能性，具有更高的实用性。
附图说明
图1为本发明的背向进气燃料电池堆的氧气流场板正面结构示意图。
图2为本发明的背向进气燃料电池堆的氢气流场板正面结构示意图。
图3为本发明的背向进气燃料电池堆的膜电极组件结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
本发明提供的背向进气燃料电池堆，包含平板形的膜电极组件1和极板组件。该燃料电池堆由膜电极组件1和极板组件重复堆叠而成。
极板组件包含氧气流场板2、氢气流场板3和冷却流场板，氧气流场板2和氢气流场板3结构相同。
氧气流场板2和氢气流场板3，其正面分别设有两个气体进出口封闭区域4以及一个活性反应封闭区域5。
气体进出口封闭区域4分别设置在氧气流场板2或氢气流场板3的上方和下方，两个气体进出口封闭区域4成中心对称，每个气体进出口封闭区域4的周围分别设有一圈凸出的气体进出口封闭凸台6；该气体进出口封闭凸台6内的区域即每个气体进出口封闭区域4内设有气体通孔以及气体引流点8。氧气流场板2上的气体通孔为氢气通孔9，两个气体进出口封闭区域4分别连接氢气进口管路和氢气出口管路。氢气流场板3上的气体通孔为氧气通孔10，两个气体进出口封闭区域4分别连接氧气进口管路和氧气出口管路。
活性反应封闭区域5设置在氧气流场板2或氢气流场板3的中间，位于两个气体进出口封闭凸台6之间，活性反应封闭区域5周围设有一圈凸出的活性反应封闭凸台7；活性反应封闭凸台7内的活性反应封闭区域5为气体流场，流场形式不限。
也就是说，氧气流场板2和氢气流场板3，其正面分别具有三个封闭区域，分别由封闭凸台包围形成。
氧气流场板2和氢气流场板3，其正面相向，分别设置在膜电极组件1的两侧；氧气流场板2的气体进出口封闭区域4在其面向的氢气流场板3上的对应位置在氢气流场板3的活性反应封闭区域5内，氢气流场板3的气体进出口封闭区域4在其面向的氧气流场板2上的对应位置在氧气流场板2的活性反应封闭区域5内。
氧气流场板2、膜电极组件1、氢气流场板3与下一组氧气流场板2、膜电极组件1、氢气流场板3之间设有冷却流场板。
膜电极组件1包含位于中间的活性反应区11以及设置在活性反应区11外围的边框区12。活性反应区11的位置与氧气流场板2和氢气流场板3上的活性反应封闭区域5对应。
边框区12设有四组背向进出气通孔13。其中两组的位置与氧气流场板2的气体进出口封闭区域4对应，即其在氢气流场板3上的对应位置在氢气流场板3的活性反应封闭区域5内；另两组的位置与氢气流场板3气体进出口封闭区域4的位置对应，即其在氧气流场板2上的对应位置在氧气流场板2的活性反应封闭区域5内。
膜电极组件1的边框区12由多层薄片叠加而成，每层之间通过热熔胶粘合形成一体，叠加的薄片材料一致。
热熔胶的熔点高于或等于电池的最高工作温度，同时低于或等于制备膜电极材料的最低着火点。一旦活性区域发生过热燃烧时，膜电极组件1中的热熔胶成分发生熔化，将气体通孔和背向进出气通孔13堵塞并完全封闭，切断气体供应，降低电池过热燃烧蔓延的可能性。
以下通过实施例对本发明的实施方式进行更详细的说明。
实施例1
本发明提供的背向进气燃料电池堆，实现其背向进气功能的组件包含依次紧贴并列设置的氧气流场板2、膜电极组件1和氢气流场板3。
氧气流场板2包括两个气体进出口封闭区域4以及一个活性反应封闭区域5，活性反应封闭区域5位于气体进出口封闭凸台6之间，由活性反应封闭凸台7所包围形成。其中气体进出口封闭凸台6内的封闭区域设有气体通孔以及气体引流点8；活性反应封闭区域5内部是气体的流场，流场形式不限。结构参见图1所示。
氢气流场板3的结构与氧气流场板2一致，两者的正面相向设置，结构参见图2所示。
膜电极组件1分为活性反应区11以及外围的膜电极边框区12；在膜电极的边框区12设有四组背向进出气通孔13。其中两组背向进出气通孔13对应于氧气流场板2的气体进出口封闭区域4，另外两组对应于氧气流场板2的活性反应封闭区域5，参见图3所示。
本发明提供的背向进气燃料电池堆，工作过程如下：
氢气通过氢气进口管路到达氧气流场板2的氢气通孔9，通过气体引流点8布满整个气体进出口封闭区域4，在气体进出口封闭凸台6及密封件的密封作用下，氢气通过膜电极组件1的背向进出气通孔13到达氢气流场板3的活性反应封闭区域5；氧气通过氧气进口管路到达氢气流场板3的氧气通孔10，通过气体引流点8布满整个气体进口封闭区域，在气体进口区域封闭凸台及密封件的密封作用下，氧气通过膜电极组件1的背向进出气通孔13到达氧气流场板2的活性反应封闭区域5。氢、氧反应气体在膜电极组件1的活性反应区11发生电极反应。氢气在阳极发生氧化反应，产生电子和质子，电子通过外电路对负载做功后到达阴极，质子通过聚合物电解质膜达到阴极，在阴极处，氧气与质子和电子结合产生水。
氢气流场板3中的氢气尾气通过膜电极组件1的背向进出气通孔13到达氧气流场板2的另一个气体进出口封闭区域4，通过气体引流点8的作用进入氢气通孔9，然后进入氢气出口管路；氧气流场板2中的氧气尾气通过膜电极组件1的背向进出气通孔13到达氢气流场板3的另一个气体进出口封闭区域4，通过气体引流点8的作用进入氧气通孔10，然后进入氧气出口管路。
工作时，氢气利用氧气流场板2和膜电极组件1的配合完成气体的进出，氧气则利用氢气流场板3和膜电极组件1的配合完成气体的进出，实现了氢、氧气的背向进气功能。一旦活性区域发生过热燃烧时，膜电极组件1中的热熔胶成分发生熔化，将气体通孔和背向进出气通孔13堵塞并完全封闭，切断气体供应，降低电池过热燃烧蔓延的可能性。
本发明提供的背向进气燃料电池堆，实现了背向进气功能，可以进一步提高电堆密封可靠性，也可降低电池过热燃烧后引发安全事故的可能性，具有更高的实用性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种背向进气燃料电池堆，其特征在于，该燃料电池堆包含平板形的膜电极组件（1）和极板组件；
所述的极板组件包含氧气流场板（2）、氢气流场板（3）和冷却流场板，所述的氧气流场板（2）和氢气流场板（3）结构相同；
所述的燃料电池堆由膜电极组件（1）和极板组件重复堆叠而成。
2.如权利要求1所述的背向进气燃料电池堆，其特征在于，所述的氧气流场板（2）和氢气流场板（3），其正面分别设有两个气体进出口封闭区域（4）以及一个活性反应封闭区域（5）；
所述的气体进出口封闭区域（4）分别设置在氧气流场板（2）或氢气流场板（3）的上方和下方，两个气体进出口封闭区域（4）成中心对称，每个气体进出口封闭区域（4）的周围分别设有一圈气体进出口封闭凸台（6）；所述的气体进出口封闭凸台（6）内的气体进出口封闭区域（4）设有气体通孔以及气体引流点（8）；
所述的活性反应封闭区域（5）设置在氧气流场板（2）或氢气流场板（3）的中间，位于两个气体进出口封闭凸台（6）之间，活性反应封闭区域（5）周围设有一圈活性反应封闭凸台（7）；所述的活性反应封闭凸台（7）内的活性反应封闭区域（5）为气体流场。
3.如权利要求2所述的背向进气燃料电池堆，其特征在于，所述的氧气流场板（2），其气体通孔为氢气通孔（9），两个气体进出口封闭区域（4）分别连接氢气进口管路和氢气出口管路。
4.如权利要求2所述的背向进气燃料电池堆，其特征在于，所述的氢气流场板（3），其气体通孔为氧气通孔（10），两个气体进出口封闭区域（4）分别连接氧气进口管路和氧气出口管路。
5.如权利要求2所述的背向进气燃料电池堆，其特征在于，所述的氧气流场板（2）和氢气流场板（3），其正面相向，分别设置在膜电极组件（1）的两侧；所述氧气流场板（2）的气体进出口封闭区域（4）在其面向的氢气流场板（3）上的对应位置在所述氢气流场板（3）的活性反应封闭区域（5）内，所述氢气流场板（3）的气体进出口封闭区域（4）在其面向的氧气流场板（2）上的对应位置在所述氧气流场板（2）的活性反应封闭区域（5）内。
6.如权利要求5所述的背向进气燃料电池堆，其特征在于，所述的氧气流场板（2）、膜电极组件（1）、氢气流场板（3）与下一组氧气流场板（2）、膜电极组件（1）、氢气流场板（3）之间设有冷却流场板。
7.如权利要求6所述的背向进气燃料电池堆，其特征在于，所述的膜电极组件（1）包含位于中间的活性反应区（11）以及设置在活性反应区（11）外围的边框区（12）；所述的边框区（12）设有四组背向进出气通孔（13）。
8.如权利要求7所述的背向进气燃料电池堆，其特征在于，所述的背向进出气通孔（13），其两组的位置与氧气流场板（2）的气体进出口封闭区域（4）对应，另两组的位置与氢气流场板（3）气体进出口封闭区域（4）的位置对应。
9.如权利要求7所述的背向进气燃料电池堆，其特征在于，所述的膜电极组件（1），其边框区（12）由多层薄片叠加而成，通过热熔胶粘合形成一体。
10.如权利要求9所述的背向进气燃料电池堆，其特征在于，所述的热熔胶，其熔点高于或等于电池的最高工作温度，同时低于或等于制备膜电极材料的最低着火点。
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