燃料電池陰極板密封裝置、燃料電池和燃料電池堆的制作方法
【專利摘要】本發明實施方式提供一種燃料電池陰極板密封裝置、燃料電池、和燃料電池堆。該密封裝置包括陰極板和密封部件。陰極板采用多孔質材料制成，并且在其上設置有用于安裝密封部件的第一結構。密封部件內部設置有縱向通孔，用作燃料電池的燃料主流道。密封部件用于密封燃料主流道，并且密封陰極板和位于陰極板上方的陽極板之間的接觸處。密封部件下部設置有用于和所述第一結構相配的第二結構，上部設置有橫向溝槽，使得流過燃料主流道的燃料能夠分配到上方陽極板所包括的燃料微流道中。根據本發明的實施方式，有效地解決了對多孔質材料陰極板燃料電池電堆進行密封的問題。
【專利說明】
燃料電池陰極板密封裝置、燃料電池和燃料電池堆
技術領域
[0001]本發明涉及燃料電池領域，尤其涉及一種燃料電池的陰極板密封裝置以及相關的燃料電池和燃料電池堆，所述燃料電池單池的陰極板采用多孔質材料制成。
【背景技術】
[0002]質子交換膜燃料電池是以氫氣為燃料，通過和空氣中的氧氣發生氧化還原反應，將燃料中的化學能轉變成電能的裝置，主要由端板、集流板、雙極板(陽極板和陰極板)、氣體擴散層、膜電極和密封件組成。據統計，作為關鍵部件，雙極板在電堆中所占的重量超過了總重量的80%。雙極板的功能主要包括:I)和膜電極組成單池;2)使得相鄰兩個單池導電性良好地連接起來;3)陽極板和陰極板分別提供燃料和空氣/氧氣流道;4)提供移走熱量和反應產物的通道;5)在燃料電池電堆中，用于制作反應氣體進入各單池前的主流道。通常，采用實心金屬，碳材料或者碳基復合材料作為雙極板。但是，實心材料無論是金屬，碳或者碳基復合材料，密度較高，所構成的電堆總重量也會較高。而且，電堆工作時，除了輸出電功率，熱效率往往會達到55%，由于雙極板以嚴密緊湊的方式進行堆疊，使得冷卻空氣和電堆的接觸面積較小，不利于電堆輻射和對流散熱，減小了電堆可操作溫度范圍。
[0003]為了提高空冷質子交換膜燃料電池電堆的功率密度，盡可能地減少電堆的重量顯得尤為重要。在
【申請人】于2015年7月28提交的，申請號為“201510449567.1”，發明名稱為“用于空氣冷卻型質子交換膜燃料電池的陰極板”的專利申請中，提出了一種可行方案，即使用較低密度的多孔質材料(多孔石墨，多孔金屬)作為雙極板，以此來減少電堆的總重量。同時，帶來的另外一個好處在于，由于使用了多孔質材料作為雙極板，使得冷卻空氣和雙極板間的接觸面積增加，更利于對流和輻射散熱。通過引用將該申請全文并入本文。
[0004]采用多孔質材料作為雙極板，雖然利于提高重量功率密度和散熱，但是，由此帶來的密封方式，和常規實心雙極板燃料電池明顯不同。圖1圖示了質子交換膜燃料電池電堆中氫氣的流通路徑示意圖。燃料電池電堆包括上端板11、上集流板12、燃料電池組、下集流板13和下端板14。燃料電池組由多個燃料電池堆疊而成，每個燃料電池包括陰極板21和陽極板22。在陰極板21中設置有燃料主流道31，在陽極板22中設置有燃料微流道32。如圖1所示，氫氣從一個進口進入，然后流經電堆內部貫穿雙極板的主流道31，再分配給各燃料電池單池，在陽極參加反應后，從另一側的主流道排出電堆。當燃料電池電堆由兩個或者兩個以上的單池組成時，上一個單池的陰極板勢必會有一個通道，讓氫氣進入到下一個單池的陽極。當雙極板采用實心材料時，因為實心材料自身具有密封能力，燃料主流道僅僅需要對陰極板和陽極板之間的接觸處進行密封;而采用多孔質材料作為雙極板后，由于多孔質材料自身不具有阻隔密封氣體的能力，如果還是采用先前實心雙極板的密封方式，氫氣通過貫穿多孔質雙極板的主流道時，會從多孔流道壁處泄漏，無法達到密封的效果。因此，和實心材料雙極板密封方式不同，除了需要對陽極板和陰極板接觸處進行密封，還需要對貫穿雙極板內部的氫氣主流道進行密封。
[0005]總而言之，采用多孔質材料作為雙極板后的空冷質子交換膜燃料電池電堆，需要設計新的密封方式，以使得電堆能正常工作。
【發明內容】
[0006]多孔質材料對氫氣不具有阻隔能力，其作為雙極板后，雖然可以減少電堆重量，提高電堆的重量功率密度，利于散熱。但是，當燃料(比如氫氣)流經電堆內部貫穿雙極板的主流道時，會從多孔質雙極板處泄漏，無法達到密封的效果。因此，一種適合于多孔質材料雙極板燃料電池的密封方式需要被設計，用以滿足對提高電堆重量功率密度和便于散熱的需求。
[0007]根據本發明的一個方面，提供一種燃料電池陰極板密封裝置。該密封裝置包括陰極板和密封部件。陰極板采用多孔質材料制成，所述陰極板上設置有用于安裝所述密封部件的第一結構。所述密封部件內部設置有縱向通孔，用作所述燃料電池的燃料主流道;所述密封部件用于密封所述燃料主流道，并且密封所述陰極板和位于所述陰極板上方的陽極板之間的接觸處，其中所述陽極板包括燃料微流道。所述密封部件下部設置有用于和所述第一結構相配的第二結構，并且所述燃料主流道貫穿所述陰極板;所述密封部件上部設置有橫向溝槽，被配置為包圍所述燃料主流道的頂端和所述陽極板的所述燃料微流道的入口，從而所述密封部件能夠形成在所述陰極板與所述陽極板二者接觸處密封所述橫向溝槽的密閉空間，以便流過所述燃料主流道的燃料能夠分配到所述陽極板中的燃料微流道中。
[0008]根據本發明的實施方式，所述第一結構為凹進結構，所述第二結構為與所述凹進結構相配的凸起結構;或者所述第一結構為凸起結構，所述第二結構為與所述凸起結構相配的凹進結構。
[0009]根據本發明的一個實施方式，密封部件可以為由彈性密封材料制成的密封墊片，所述密封墊片的下部用于形成所述第二結構，上部用于形成所述橫向溝槽。
[0010]根據本發明的一個實施方式，密封部件可以包括密封墊片和彈性密封圈。所述密封墊片的下部用于形成所述第二結構、上部用于形成所述橫向溝槽。所述彈性密封圈用于容納于所述橫向溝槽中，并且密封所述陰極板和所述陽極板之間的接觸處。
[0011]根據本發明的一個實施方式，所述第一結構由所述陰極板的同側伸出的兩個一定寬度的第一薄片和第二薄片構成，第一薄片和第二薄片的厚度小于所述陰極板的厚度。第一薄片的厚度與第二薄片的厚度的相同或者不同。
[0012]根據本發明的一個實施方式，形成在所述密封墊片上部的所述橫向溝槽為低于所述密封墊片上表面的平臺。
[0013]根據本發明的一個實施方式，所述第一結構為低于所述陰極板的上表面的臺面，所述臺面包括縱向通孔，用于供所述密封墊片的包括所述燃料主流道的部分穿過，其中所述臺面形成所述陰極板的側面、或者為所述陰極板的上表面所包圍。
[0014]根據本發明的一個實施方式，所述第一結構可以為設置于所述陰極板上的通孔，用于容納所述密封墊片。
[0015]根據本發明的一個實施方式，所述第一結構可以為所述陰極板的一側伸出的一定寬度的一個薄片，所述薄片的厚度小于所述陰極板的厚度。
[0016]根據本發明的一個實施方式，所述燃料電池可以具體為空氣冷卻型質子交換膜燃料電池。
[0017]根據本發明的另一個方面，提供一種燃料電池。該燃料電池包括:前述的陰極板密封裝置;膜電極，設置在所述陰極板下方，其中，所述膜電極上設有質子交換膜;彈性密封件，設置在所述膜電極下方，用于密封所述膜電極下方的空間；陽極板，設置在所述彈性密封件下方，在其上設置有燃料微流道;第一氣體擴散層，設置在所述陰極板和所述膜電極之間；以及第二氣體擴散層，設置在所述膜電極和所述彈性密封件之間。
[0018]在一個實施方式中，所述陽極板可以由多孔層和實心層構成。
[0019]根據本發明的又一個方面，提供一種燃料電池堆，包括:上端板;上集流板，設置在所述上端板下方;燃料電池組，設置在所述上集流板下方，由至少一個前述的燃料電池堆疊而成，其中，所述的燃料電池所包括的陰極板密封裝置密封其陰極板和位于所述陰極板上方的燃料電池的陽極板之間的接觸處，并且連通各個電池的燃料主流道;下集流板，設置在所述燃料電池組下方;下端板，設置在所述下集流板下方;緊固件，用于壓緊位于所述上端板和所述下端板之間的上集流板、燃料電池組和下集流板。將燃料進口設置在所述上端板上;所述燃料進口的位置與所述燃料電池組中的燃料主流道對應，并且在上集流板中設置與所述燃料進口連通的集流板通孔，從而使得所述燃料進口與設置在所述燃料電池組中的燃料主流道連通。緊固件例如可以是貫穿所述上端板和所述下端板的固定螺栓。
[0020]本發明實施例提供的燃料電池陰極板密封裝置，有效地解決了對多孔質材料陰極板燃料電池電堆進行密封的問題。
【附圖說明】
[0021]圖1圖示根據現有技術的質子交換膜燃料電池電堆中氫氣的流通路徑示意圖所示為本發明一實施例所提供的用于質子交換膜燃料電池的陰極板的結構示意圖；
[0022]圖2圖示根據本發明實施方式的多孔質材料陰極板組成的空冷質子交換膜燃料電池的密封示意圖；
[0023]圖3圖示根據本發明實施方式的第一密封設計的圖2中所示的圓圈區的密封放大圖；
[0024]圖4圖示根據本發明實施方式的第二密封設計的圖2中所示的圓圈區的密封放大圖；
[0025]圖5圖示根據本發明實施方式的第三密封設計的圖2中所示的圓圈區的密封放大圖；
[0026]圖6圖示根據本發明實施方式的第四密封設計的圖2中所示的圓圈區的密封放大圖；
[0027]圖7圖示根據本發明實施方式的第五密封設計的圖2中所示的圓圈區的密封放大圖；
[0028]圖8圖示根據本發明實施方式的第六密封設計的圖2中所示的圓圈區的密封放大圖；
[0029]圖9圖示根據本發明實施方式的第七密封設計的圖2中所示的圓圈區的密封放大圖；
[0030]圖10和圖11圖示根據本發明實施方式的第八密封設計的圖2中所示的圓圈區的不同形式的密封放大圖；
[0031]圖12和圖13圖示根據本發明實施方式的第九密封設計的圖2中所示的圓圈區的不同形式的密封放大圖；
[0032]圖14圖示根據本發明實施方式的第十密封設計的圖2中所示的圓圈區的密封放大圖；
[0033]圖15圖示根據本發明實施方式的第十一密封設計的圖2中所示的圓圈區的密封放大圖；
[0034]圖16圖示根據本發明實施方式的第十二密封設計的圖2中所示的圓圈區的密封放大圖；
[0035]圖17圖示根據本發明一種實施方式的“半多孔”陽極板及其密封方式示意圖；
[0036]圖18圖示根據本發明另一種實施方式的“半多孔”陽極板及其密封方式示意圖；以及
[0037]圖19所示為本發明一實施例所提供的質子交換膜燃料電池堆的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0038]為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0039]圖2圖示根據本發明實施方式的多孔質材料陰極板組成的空冷質子交換膜燃料電池的密封示意圖。如圖2所示，燃料電池單池包括多孔陰極板21和陽極板22，以及夾在雙極板之間的膜電極(MEA) 23、氣體擴散層(GDL) 24和密封單池內部流道的彈性密封件25。陽極板22包括燃料微流道32 ο圖2還示出了用于對燃料主流道進行密封、并且密封陰極板和位于陰極板上方的陽極板之間的接觸處的密封部件。密封部件內部設置有用作質子交換膜燃料電池的縱向通孔，密封部件可以包括密封墊片41和彈性密封圈42，此外，當數個單池串聯組成一個燃料電池電堆時，氫氣從電堆上的一個進口進入，流經電堆內部貫穿雙極板的主流道后，再分配給各個單池。也即，上一個單池的陰極板勢必會有一個通道，讓氫氣進入到下一個單池的陽極，小部分進入陽極板微流道32參與反應，大部分流經貫穿本單池陽極板和陰極板的主流道，又進入到下一個單池的陽極板主流道。由于多孔質材料不具有實心材料所擁有的對氫氣的阻隔能力。因此，除了需要密封雙極板之間的接觸部位，還需要對貫穿多孔質材料雙極板的燃料流道進行密封，即密封燃料主流道。
[0040]這種多孔質材料雙極板燃料電池的主要密封原理在于:氫氣流經貫穿多孔質雙極板的流道時，不與多孔質材料接觸，僅僅和雙極板的實心部分、彈性密封材料、以及隔開氫氣和多孔質材料的密封部件(例如實心墊片)相接觸。最終，氫氣的整個流通路徑，由密封部分(墊片、彈性密封材料、以及雙極板的實心部分和質子交換膜)所構成，避免了氫氣的泄漏對電堆造成負面影響。
[0041]根據本發明的實施方式，提供一種空氣冷卻型質子交換膜燃料電池陰極板密封裝置，如圖2所示，其包括多孔陰極板和密封部件。陰極板采用多孔質材料制成。氧化劑能夠通過多孔質材料中的孔隙被導入/導出質子交換膜燃料電池。陰極板上設置有用于安裝所述密封部件的第一結構。所述密封部件內部設置有縱向通孔，用作燃料電池的燃料主流道;所述密封部件用于密封燃料主流道，并且密封陰極板和位于陰極板上方的陽極板之間的接觸處。陽極板包括燃料微流道。所述密封部件下部設置有用于和第一結構相配的第二結構。從而，例如在密封部件受到擠壓時，能夠安裝到陰極板上。所述燃料主流道貫穿陰極板。所述密封部件上部設置有橫向溝槽，被配置為包圍燃料主流道的頂端和陽極板的燃料微流道的入口。從而，例如當密封部件受到陽極板的擠壓時，能夠形成在二者接觸處密封橫向溝槽的密閉空間，以便流過燃料主流道的燃料能夠分配到陽極板中的燃料微流道中。
[0042]應當理解，在本文的描述和附圖中，將燃料主流道圖示為在單池所包括的陰極板和陽極板的左右兩側，但是應當理解，燃料主流道(包括燃料進口和燃料出口)在雙極板的具體位置和數量視設計需要可以變化，本發明對此不作限制。例如，圖1所示的燃料電池堆中的氫氣排出流道可以部署在電堆的外部。無論如何，本發明實施方式關心多孔質材料雙極板組成的空冷質子交換膜燃料電池電堆的密封方式，而對相關的周邊內容僅稍做解釋。
[0043]例如，本領域技術人員可以理解，燃料主流道具體位置可根據燃料的具體輸送方式而定，燃料進口和燃料出口也可以有多對。例如，當陽極板上燃料流道有多個陽極板通孔，且分別位于陽極板的不同位置時；陰極板上也可相應設置多個分布與不同位置的燃料主流道。
[0044]多孔質材料可以為多孔質石墨材料或者多孔質金屬材料。
[0045]在本發明一實施例中，氧化劑可為空氣中的氧氣，燃料可為氫氣。這樣所形成的質子交換膜燃料電池即為一個敞開式空氣冷卻型質子交換膜燃料電池。然而本發明對氧化劑和燃料的種類不做限定。
[0046]根據本發明的實施方式，當陽極板采用實心材料，陰極板采用多孔質材料時，由于實心材料對氫氣有阻隔能力，只需要對多孔陰極板主流道和相鄰極板接觸處進行密封。下面描述幾個具體的密封設計形式。
[0047]密封設計I
[0048]圖3圖示根據本發明實施方式的第一密封設計的示意圖。如圖3所示，多孔陰極板同側伸出兩個一定寬度的薄片51和52，薄片I 51的厚度比陰極板厚度小，薄片2 52的厚度不大于陰極板厚度。密封墊片41的厚度和陰極板厚度相同，其下部剛好可以填滿兩薄片之間的空間，下部有一個貫穿墊片的燃料主流道，墊片上部兩側分別有個薄板加在陰極板薄片之上，結合后，兩者總厚度和陰極板厚度相同。墊片上主流道31往一側有個橫向溝槽61，使得氫氣可以從主流道31通過陽極板22的微流道入口 33進入陽極板(位于該陰極板之上的相鄰單池的陽極板)的微流道參與反應。溝槽61上加有一個由閉合的彈性密封圈42(材料可以為硅膠、橡膠和聚氨酯等，形狀例如為回形、圓形或者方形等)，用于密封墊片和上個單池的陽極板之間的流道。從而，墊片配合所述彈性密封圈對自身所在單池的主流道以及與位于其上方的單池的陽極板的接觸處進行密封。
[0049]密封設計2
[0050]圖4圖示根據本發明實施方式的第二密封設計的示意圖。如圖4所示，多孔陰極板同一側伸出兩個有一定寬度的薄片51和52，薄片I 51的厚度比陰極板21的厚度小，薄片252的厚度不大于陰極板21的厚度。密封墊片41兩側各有一個薄板，分別用于疊加在陰極板兩薄片上；中間區域有一個氣體主流道31貫穿整個墊片，而且主流道周圍區域厚度較低，此區域可采用一個回形、圓形或者方形的彈性密封圈42(如硅膠，橡膠，聚氨酯等)，以密封墊片和上一單池陽極板之間的主流道。此外，彈性密封圈42提供氫氣從主流道通過陽極板22的微流道入口 33流向陽極板反應微流道的通道。墊片配合單池中的彈性密封件來密封下方的主流道。
[0051 ] 密封設計3
[0052]圖5圖示根據本發明實施方式的第三密封設計的示意圖。如圖5所示，多孔陰極板同側伸出兩個有一個寬度的薄片51和52，薄片I 51的厚度比陰極板21的厚度小，薄片2 52的厚度可以不大于陰極板21的厚度。采用彈性材料(如硅膠，橡膠，聚氨酯等)制作彈性密封墊41，此彈性密封墊為一體化設計，縱向有氣體主流道31貫穿其中，橫向有一個可以使氣體從主流道31通過陽極板22的微流道入口 33到達陽極板(位于該陰極板之上的相鄰單池的陽極板)微流道的溝槽，通過此彈性密封墊41，可以使得所處單池中的燃料主流道以及上下單池的接觸處都能得到密封。
[0053]密封設計4
[0054]圖6圖示根據本發明實施方式的第四密封設計的示意圖。如圖6所示，多孔陰極板21的氣體主流道31的區域兩側有個在陰極板內的通孔(圓形，方形等)，通孔周圍厚度比陰極板21的厚度小。密封墊片41由兩個部分構成，下部剛好可以放入通孔區域，上部可以覆蓋周圍較薄區域，兩者結合后，和陰極板21的高度相平。密封墊片41上有一個圓形或者方形的燃料主流道31，流道上部通過回形，圓形或者方形彈性密封圈42(材料如硅膠，橡膠，聚氨酯等)和上一單池的陽極板主流道密封，流道下部通過使用所處單池的密封墊片來密封自身單池雙極板主流道。密封墊片41對于流過所述燃料主流道的燃料有阻隔能力。墊片上部有一個橫向的流道溝槽61，使得氫氣能夠從主流道31通過陽極板22的微流道入口 33分配到單池陽極板(位于該陰極板之上的相鄰單池的陽極板)微流道中參與反應。
[0055]密封設計5
[0056]圖7圖示根據本發明實施方式的第五密封設計的示意圖。如圖7所示，和密封設計4不同之處在于，不使用彈性密封圈42，僅采用彈性材料(材料如硅膠，橡膠，聚氨酯等)來制作密封墊片41，就能實現對多孔質材料陰極板燃料電堆的密封，其它和密封設計4相同。
[0057]密封設計6
[0058]圖8圖示根據本發明實施方式的第六密封設計的示意圖。如圖8所示，多孔陰極板氣體主流道區域有個在陰極板內的通孔(圓形，方形等)，密封墊片41剛好可以放入，密封墊片41的厚度和陰極板21的厚度一致。墊片有一個氣體主流道31，流道上部通過彈性密封圈(如硅膠，橡膠，聚氨酯等)和上一單池的陽極板主流道密封，流道下部通過使用所處單池的密封墊片來密封自身單池雙極板主流道。密封墊片對于流過所述燃料主流道的燃料有阻隔能力。墊片上部有一個橫向的流道溝槽61，使得氫氣能夠從主流道31通過陽極板22的微流道入口 33分配到單池陽極板(位于該陰極板之上的相鄰單池的陽極板)微流道中參與反應。
[0059]密封設計7
[0060]圖9圖示根據本發明實施方式的第七密封設計的示意圖。如圖9所示，和密封設計6不同之處在于，不使用彈性密封圈42，僅采用彈性材料(材料如硅膠，橡膠，聚氨酯等)來制作密封墊片41，就能實現對多孔質材料陰極板燃料電堆的密封，其它和密封設計6相同。[0061 ] 密封設計8
[0062]圖10和圖11圖示根據本發明實施方式的第八密封設計的示意圖。如圖10和圖11所示，多孔陰極板氣體主流道31的區域一側的厚度比陰極板低，主流道位置設置有通孔。通孔可以采用多種形狀，如圓形，方形或者多邊形，其目的是提供燃料的通道。陰極板21的該厚度較薄的區域用于容納一個對氫氣有阻隔能力的密封墊片41，二者的總厚度和陰極板厚度一樣。密封墊片41下部剛好可以放入通孔，下部中間有一個貫穿的燃料主流道31，墊片41上有一個氣體主流道，流道上部通過回形，圓形或者方形彈性密封圈42(材料如硅膠，橡膠，聚氨酯等)和上一單池的陽極板主流道密封，流道下部通過使用所處單池的密封墊片來密封自身單池雙極板主流道。墊片上部有一個橫向的流道溝槽61，使得氫氣能夠從主流道31通過陽極板22的微流道入口 33分配到單池陽極板(位于該陰極板之上的相鄰單池的陽極板)微流道中參與反應。
[0063]密封設計9
[0064]圖12和圖13圖示根據本發明實施方式的第九密封設計的示意圖。如圖12和圖13所示，和密封設計8不同之處在于，不使用彈性密封圈42，僅采用彈性材料(材料如硅膠，橡膠，聚氨酯等)來制作密封墊片41，就能實現對多孔質材料陰極板燃料電堆的密封，其它和密封設計8相同。
[0065]密封設計1
[0066]圖14圖示根據本發明實施方式的第十密封設計的示意圖。如圖14所示，多孔陰極板主流道區域有一個圓形或者方形的通孔作為燃料主流道31，其上有一個下沉的橢圓形或者方形平臺，平臺被四周所包圍。墊片41有兩個部分，下部剛好可以放入陰極板21上的通孔，上部剛好可以放入通孔附近的下沉平臺。墊片41上通孔區域內有一個燃料主流道31，主流道往一側有一個橫向溝槽61，以提供氫氣從主流道31通過陽極板22的微流道入口 33到陽極板微流道的通道。墊片41主流道上部通過回形，圓形或者方形彈性密封圈(材料如硅膠，橡膠，聚氨酯等)和上一單池的陽極板主流道密封，流道下部通過使用所處單池的密封墊片41來密封自身單池雙極板主流道。
[0067]密封設計11
[0068]圖15圖示根據本發明實施方式的第十一密封設計的示意圖。如圖15所示，和密封設計10不同之處在于，不使用彈性密封圈42，僅采用彈性材料(材料如硅膠，橡膠，聚氨酯等)來制作密封墊片41，就能實現對多孔質材料陰極板燃料電堆的密封，其它和密封設計10相同。
[0069]密封設計12
[0070]在上述設計中，陽極板一側用于密封氫氣微流道的彈性密封件和陽極板另一側的彈性密封圈或者彈性墊片可以設計成一體化，以減少裝配零部件數量，提高裝配效率。
[0071]密封設計13
[0072]圖16圖示根據本發明實施方式的第十二密封設計的示意圖。如圖16所示，從陰極板21的一側伸出一定寬度的一個薄片51，薄片51的厚度小于陰極板21的厚度。密封墊片41的厚度和陰極板21的厚度相同，可以在其下部形成與陰極板的該薄片相配的結構。圖16圖示了陰極板的薄片51位于陰極板21的側邊的左端部，但是應當理解，其也可以位于陰極板的側邊的中間、右端部或者其他部位。從而，在將密封墊片41安裝到陰極板21上，二者結合后，兩者總厚度和陰極板厚度相同。密封墊片41的下部可以受陰極板的該薄片和位于陰極板下方的部件(比如膜電極或者下方的陽極板)的支撐。墊片上主流道往一側有個橫向溝槽61，使得氫氣可以從主流道31通過陽極板22的微流道入口 33進入陽極板(位于該陰極板之上的相鄰單池的陽極板)微流道參與反應。溝槽61上加有一個由閉合的彈性密封圈42(材料可以為硅膠、橡膠和聚氨酯等，形狀例如為回形、圓形或者方形等)，用于密封墊片和上個單池的陽極板之間的流道。從而，墊片配合所述彈性密封圈對自身所在單池的主流道以及與位于其上方的單池的陽極板的接觸處進行密封。
[0073]應當理解，在以上密封設計1-密封設計13的密封結構的示例中，在雙極板兩側對稱存在，以使得氫氣能夠進入電堆，也能夠從電堆排出。另外，密封設計1-密封設計13僅是多孔質燃料電池陰極板密封裝置的示例形式，而非任何形式的限制。還應當理解，以上以具體的密封設計形式給出的若干密封設計僅是示意性，本領域技術人員還可以將不同密封設計或者不同密封的不同特征進行組合或替換。
[0074]另外，考慮到陽極板和陰極板所處的工作環境很不一樣，因而陰極板可以采用多孔質材料制備，以為陰極板的輕質化提供了必要空間；但是，陽極板卻需要保持氣密性。通常情況下，因為陽極板內部需要保留有氫氣參與氧化反應的空腔，此空腔留有一個氫氣進口和一個出口，其它地方限制氫氣穿過。因此，陽極板不可能完全由不密閉的多孔質材料組成。
[0075]例如，在一個敞開式空氣冷卻型質子交換膜燃料電池中，陰極板所需具備的條件是:I)為燃料(例如:氫氣)的輸入和輸出形成通道;2)具備良好的導熱和導電性能;3)突出的化學穩定性和耐腐蝕性能;4)保證充足和均勻的氧化劑供應。因此在滿足上述條件的基礎上，陰極板無需要像陽極板一樣保證其材料本身良好的氣密性。
[0076]以上密封設計是針對采用實心材料制作的陽極板的燃料電池單池的情形進行描述的。
[0077]在另外的實施例中，陽極板可以由一層多孔導電材料和一層實心導電材料所構成，多孔層可以作為陽極板反應微流道，實心層起著密封反應空腔一面的作用。下面描述根據本發明實施方式的這種“半多孔”的陽極板和全多孔的陰極板燃料電池的密封設計。
[0078]密封設計14
[0079]圖17圖示根據本發明一種實施方式的“半多孔”陽極板及其密封方式示意圖。如圖17所示，陽極板由多孔層65與實心層66構成。“半多孔”陽極板的實心層和多孔層貼合后，多孔層65在實心層66之內，四周未被多孔層覆蓋的邊緣可以放置一個一定厚度的連續的彈性密封件42(例如，圖2中所示的彈性密封件)。該燃料電池單池其它部分密封方式可以和上述密封設計1-13的密封方式相同。以此“半多孔”陽極板的密封方式和密封設計2結合為例，氫氣從陰極板主流道31進入陽極板主流道后，大部分通過主流道進入下一個單池，小部分經過彈性密封圈上的橫向溝槽，進入陽極板多孔層參與反應，反應完全后，未反應的氫氣和反應產物從另一側呈中心對稱的主流道排出。
[0080]密封設計15
[0081 ]圖18圖示根據本發明另一種實施方式的“半多孔”陽極板及其密封方式示意圖。如圖18所示，陽極板由多孔層65與實心層66構成，實心層中央區域是一個凹進，用于容納多孔層65。“半多孔”陽極板的實心層和多孔層貼合后，多孔層容納與實心層的該凹進之內，該凹進的四周包圍整個多孔層。該燃料電池單池其它部分密封方式可以和上述密封設計1-13的密封方式相同。
[0082]參考并回顧圖2，其還圖示了根據本發明一實施例所提供的質子交換膜燃料電池單池的結構示意圖。如圖2所示，燃料電池單池包括陽極板22和陰極板21，以及夾在雙極板之間的膜電極(MEA)23、氣體擴散層(GDL)24和密封單池內部流道的彈性密封件25。膜電極23，設置在陰極板下方，在其上設置有質子交換膜。彈性密封件25設置在膜電極下方，用于密封膜電極下方的空間，防止外界氣體進入膜電極下方的空間。陽極板設置在彈性密封件25下方，陽極板上設有燃料微流道。在陰極板和膜電極之間、以及在膜電極和彈性密封件25之間設置有氣體擴散層。
[0083]在圖2所示的實施例中，燃料微流道的兩端設置有分別與兩個膜電極通孔連通的兩個陽極板通孔，形成用于所述燃料電池的燃料輸送通道。
[0084]質子交換膜燃料電池的工作原理為:燃料通過陰極板上的一個燃料主流道導入，經過膜電極上的膜電極通孔導入陽極板上的燃料流道。燃料流道中的燃料在催化劑作用下發生電極反應生成電子和燃料離子(例如，氫質子)。氧化劑(例如，空氣中的氧氣)則通過陰極板的多孔結構和氧化劑流道直接進入質子交換膜，并與穿過質子交換膜的電子和燃料離子發生電極反應釋放電能。
[0085]由于陰極板采用了多孔質材料(例如多孔質石墨材料、多孔質金屬材料)制成，該質子交換膜燃料電池也具備輕質化的優勢，同時散熱能力好、工作效率高。
[0086]圖19所示為本發明一實施例所提供的燃料電池堆的結構示意圖。如圖19所示，該質子交換膜燃料電池堆包括:
[0087]上端板81，包括兩個燃料口811，分別用作燃料進口和燃料出口；
[0088]上集流板82，設置在上端板81下方;其中，上集流板82上設有與兩個燃料口811連通的上集流板通孔；
[0089]燃料電池組83，設置在上集流板82下方，由至少一個上述實施例提供的質子交換膜燃料電池堆疊而成;其中，每個燃料電池的兩個陽極板通孔分別與相鄰的燃料電池的陰極板的兩個燃料主流道連通，在燃料電池組中形成連通的燃料輸送通道，并且該燃料輸送通道還與兩個燃料口 811連通；
[0090]下集流板84，設置在燃料電池組83下方；
[0091 ]下端板85，設置在下集流板84下方；以及，
[0092]固定螺栓86，貫穿上端板81和下端板85，壓緊位于上端板81和下端板85之間的上集流板82、燃料電池組83和下集流板84。
[0093]本領域技術人員可以理解，固定螺栓86的數量和具體位置可根據所要實現的壓緊程度而調整，本發明對固定螺栓86的數量和具體位置不做限定。另外，分別用作燃料進口和燃料出口的兩個燃料口811也可以都在下端板上，或上端板和下端板各一個，并且與此相應的布置上集流板通孔。固定螺栓僅是示意性的，其可以是用于壓緊位于上端板81和下端板85之間的上集流板82、燃料電池組83和下集流板84的緊固件。
[0094]集流板還可用于密封未與燃料進出口連通的燃料電池的燃料輸送通道。例如，在如圖19所示的燃料進口和燃料出口都設置在上端板的情形下，可以在下集流板84上在與電池堆的燃料輸送通道對應的位置設置兩個密封墊，用于密封燃料電池組83中的最下面的一個燃料電池的兩個陽極板通孔。
[0095]由于該質子交換膜燃料電池堆的燃料電池組83中采用了由多孔質材料制成的陰極板，因此該質子交換膜燃料電池堆也具備輕質化的優勢，同時也具備優秀的化學穩定性和耐腐蝕性、散熱能力好、工作效率高。
[0096]根據本發明的實施方式，還提供一種空氣冷卻型質子交換膜燃料電池堆。如圖19所示，該電池堆可以包括:上端板;上集流板，設置在所述上端板下方;燃料電池組，設置在所述上集流板下方，由至少一個前述的質子交換膜燃料電池堆疊而成，其中，所述的質子交換膜燃料電池所包括的陰極板密封裝置密封其陰極板和位于所述陰極板上方的質子交換膜燃料電池的陽極板之間的接觸處，并且連通各個電池的燃料主流道;下集流板，設置在所述燃料電池組下方;下端板，設置在所述下集流板下方;緊固件，用于壓緊位于所述上端板和所述下端板之間的上集流板、燃料電池組和下集流板;其中，將燃料進口設置在所述上端板上;所述燃料進口的位置與所述燃料電池組中的燃料主流道對應，并且在上集流板中設置與所述燃料進口連通的集流板通孔，從而使得所述燃料進口與設置在所述燃料電池組中的燃料主流道連通。
[0097]根據本發明的實施方式，提供了一種能夠適合于多孔質材料雙極板燃料電池的密封方式。提高空冷質子交換膜燃料電池電堆的重量功率密度和散熱能力，不僅是燃料電池性能優化開發上孜孜不倦的追求，同時，也在其廣泛的應用領域上變得尤為重要。通常，采用較高密度的實心材料作為雙極板，結果，不僅使得燃料電池電堆重量較重，而且雙極板緊密的堆疊方式，也不利于電堆散熱。而多孔質材料由于其較低的低密度，一旦被用于制作雙極板，將使得電堆的重量得到顯著的降低，提高了重量功率密度，同時，多孔結構的雙極板，增加了氣體和雙極板的接觸面積，使得對流和輻射散熱變得有利。但是，由于多孔質材料對氫氣沒有阻隔能力，難以密封，一旦沒有可行的密封方式，將使得這種多孔質材料使用于燃料電池電堆變得不現實。
[0098]因此，本發明設計了一種完全可行的、便捷的、對多孔質材料雙極板燃料電池電堆進行密封的方法。這種方法有益于提高空冷質子交換膜燃料電池電堆的重量功率密度和散熱能力。
[0099]雖然以上實施例是關于空氣冷卻型質子交換膜燃料電池進行描述的，但是本發明所提出的密封設計形式或者密封裝置(密封結構)能夠適用于其他冷卻類型的質子交換膜燃料電池，以及其他類型的燃料電池。
[0100]上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種燃料電池陰極板密封裝置，其特征在于，包括陰極板和密封部件， 所述陰極板采用多孔質材料制成，所述陰極板上設置有用于安裝所述密封部件的第一結構;并且 所述密封部件內部設置有縱向通孔，用作所述燃料電池的燃料主流道;所述密封部件用于對所述燃料主流道進行密封，并且密封所述陰極板和位于所述陰極板上方的陽極板之間的接觸處，其中所述陽極板包括燃料微流道； 其中，所述密封部件下部設置有用于和所述第一結構相配的第二結構，并且所述燃料主流道貫穿所述陰極板;所述密封部件上部設置有橫向溝槽，被配置為包圍所述燃料主流道的頂端和所述陽極板的所述燃料微流道的入口，從而所述密封部件能夠形成在所述陰極板與所述陽極板二者接觸處密封所述橫向溝槽的密閉空間，以便流過所述燃料主流道的燃料能夠分配到所述陽極板中的燃料微流道中。2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于， 所述第一結構為凹進結構，所述第二結構為與所述凹進結構相配的凸起結構;或者 所述第一結構為凸起結構，所述第二結構為與所述凸起結構相配的凹進結構。3.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述密封部件為由彈性密封材料制成的密封墊片，所述密封墊片的下部用于形成所述第二結構，上部用于形成所述橫向溝槽。4.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述密封部件包括密封墊片和彈性密封圈， 其中，所述密封墊片的下部用于形成所述第二結構、上部用于形成所述橫向溝槽； 所述彈性密封圈用于容納于所述橫向溝槽中，并且密封所述陰極板和所述陽極板之間的接觸處。5.根據權利要求3或4所述的裝置，其特征在于， 所述第一結構由所述陰極板的同側伸出的兩個一定寬度的第一薄片和第二薄片構成，第一薄片和第二薄片的厚度小于所述陰極板的厚度。6.根據權利要求3或4所述的裝置，其特征在于， 形成在所述密封墊片上部的所述橫向溝槽為低于所述密封墊片上表面的平臺。7.根據權利要求3或4所述的裝置，其特征在于， 所述第一結構為低于所述陰極板的上表面的臺面，所述臺面包括縱向通孔，用于供所述密封墊片的包括所述燃料主流道的部分穿過，其中所述臺面形成所述陰極板的側面、或者為所述陰極板的上表面所包圍。8.根據權利要求3或4所述的裝置，其特征在于， 所述第一結構為設置于所述陰極板上的通孔，用于容納所述密封墊片。9.根據權利要求3或4所述的裝置，其特征在于， 所述第一結構為所述陰極板的一側伸出的一定寬度的一個薄片，所述薄片的厚度小于所述陰極板的厚度。10.根據權利要求1-4中任一項所述的裝置，其特征在于，所述燃料電池為空氣冷卻型質子交換膜燃料電池。11.一種燃料電池，其特征在于，包括: 根據權利要求1-10中任一項所述的陰極板密封裝置； 膜電極，設置在所述陰極板下方，其中，所述膜電極上設有質子交換膜； 彈性密封件，設置在所述膜電極下方，用于密封所述膜電極下方的空間； 陽極板，設置在所述彈性密封件下方，在其上設置有燃料微流道； 第一氣體擴散層，設置在所述陰極板和所述膜電極之間；以及 第二氣體擴散層，設置在所述膜電極和所述彈性密封件之間。12.根據權利要求11所述的燃料電池，其特征在于，所述陽極板由多孔層和實心層構成。13.一種燃料電池堆，其特征在于，包括: 上端板； 上集流板，設置在所述上端板下方； 燃料電池組，設置在所述上集流板下方，由至少一個如權利要求11或12所述的燃料電池堆疊而成，其中，所述燃料電池所包括的陰極板密封裝置密封其陰極板和位于所述陰極板上方的燃料電池的陽極板之間的接觸處，并且連通各個電池的燃料主流道； 下集流板，設置在所述燃料電池組下方； 下端板，設置在所述下集流板下方； 緊固件，用于壓緊位于所述上端板和所述下端板之間的上集流板、燃料電池組和下集流板； 其中，將燃料進口設置在所述上端板上;所述燃料進口的位置與所述燃料電池組中的燃料主流道對應，并且在上集流板中設置與所述燃料進口連通的集流板通孔，從而使得所述燃料進口與設置在所述燃料電池組中的燃料主流道連通。14.根據權利要求13所述的燃料電池堆，其特征在于，所述陰極板密封裝置所包括的密封部件和用于位于其上方的燃料電池陽極板的彈性密封件一體化制造。
【文檔編號】H01M8/0276GK105932314SQ201610333293
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月19日
【發明人】李驍, 趙鋒, 李名劍, 江浩
【申請人】武漢眾宇動力系統科技有限公司