一种燃料电池系统及汽车的制作方法

1.本发明属于新能源技术领域，更具体地说，是涉及一种燃料电池系统及汽车。


背景技术：

2.燃料电池电堆作为燃料电池系统的核心零部件，应用于新能源汽车、无人机以及便携式电源等新能源领域。由于燃料电池在工作过程中会产生大量的热，需要冷却装置，普通的水冷燃料电池需要配备冷却系统，而风冷不需要水冷却电堆温度，省略了冷却水泵、热交换器等冷却子系统，因此空冷燃料电池系统简单适合作为移动电源使用。其中，空冷燃料电池系统是以风扇提供自然空气为氧化剂进行反应，所以在电堆结构上省略了空压机等氧气供应系统部件，只需要配备风扇即可。而空气既可以作为反应燃料又可作为冷却介质。
3.现有的电堆组装技术是分别将燃料电池的单电池即双极板的阴极侧、膜电极以及双极板的阳极侧的顺序依次叠加进行组装，组装成风冷燃料电池堆需要多片膜电极进行循环组装。每次组装时关键部件的放置位置的偏差、组装的压力等都会影响燃料电池电堆输出性能。当需要替换膜电极时，拆卸再组装的工序十分繁琐且容易损坏膜电极及密封圈等部件；且相邻的两个单电池之间，相邻的阳极板和阴极板是通过粘接或者焊接的方式结合为一个双极板，工序的增加降低工作效率且容易造成极板损坏。


技术实现要素：

4.本发明实施例的目的在于提供一种燃料电池系统及汽车，以解决现有的燃料电池堆组装工序繁琐，工作效率低的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种燃料电池系统，包括层叠设置的多个单电池组件，各所述单电池组件包括：
6.阳极板；
7.阴极板；以及
8.膜电极，设置于阳极板和阴极板之间；
9.相邻的两个单电池组件之间，其中一个单电池组件的阳极板上开设有容置槽，另一个所述单电池组件的阴极板朝背离所述膜电极的方向延伸有与所述容置槽配合的凸起，所述容置槽与所述凸起密封连接，且所述容置槽与所述凸起滑动连接；或者，
10.相邻的两个单电池组件之间，其中一个单电池组件的阳极板朝背离所述膜电极的方向延伸有凸起，另一个所述单电池组件的阴极板上设置有与所述凸起配合的容置槽，所述容置槽与所述凸起密封连接，且所述容置槽与所述凸起滑动连接。
11.通过采用上述技术方案，相邻的两个单电池组件之间通过容置槽与凸起的密封配合，可以使得相邻的两个单电池组件之间无需使用其他的紧固件，即可稳定的连接在一起，又可以起到定位的作用，保证了电堆组装过程中的一致性；且相邻的两个单电池组件之间，依靠双极板上的容置槽与凸起之间的滑动连接，一方面，可以替换电堆中任意一个性能低下的单电池组件，且不影响相邻的单电池组件；另一方面，减少了双极板焊接或粘接，提高
了生产效率，降低了生产成本。
12.可选地，所述容置槽的延伸方向与设置有所述容置槽的所述阳极板或所述阴极板的长度方向平行。
13.通过采用上述技术方案，通过将容置槽的延伸方向与阳极板的长度方向或者阴极板的长度方向平行，保证了组装过程中多个单电池组件之间性能的均一性，从而保证了整个燃料电池系统的输出性能。
14.可选地，所述容置槽的延伸方向与设置有所述容置槽的所述阳极板或所述阴极板的长度方向平行。
15.通过采用上述技术方案，将容置槽的数量设置为多个，且多个容置槽的结构相同且间隔设置，保证了相邻的两个单电池组件之间的连接的稳定性。
16.可选地，容置槽为燕尾槽，相对应地，凸起为燕尾凸起；
17.或者，
18.容置槽为t形槽，相对应地，凸起为t形凸起；
19.或者，
20.容置槽为椭圆形槽，相对应地，凸起为椭圆形凸起；
21.或者，
22.容置槽为圆弧形槽，相对应地，凸起为圆弧形凸起；
23.或者，
24.容置槽为矩形槽，相对应地，凸起为矩形凸起。
25.通过采用上述技术方案，采用燕尾槽、t形槽和椭圆形槽，提高了阳极板与阴极板之间的卡紧效果；采用圆弧形槽和矩形槽，加工简单，通过设置不同形状的容置槽和凸起，从而可以确保凸起与容置槽的卡合，以使得相邻的两个单电池组件之间的连接的稳定性。
26.可选地，阳极板上朝向膜电极的表面开设有第一密封槽，第一密封槽环设于膜电极的四周，阴极板上朝向膜电极的表面开设有第二密封槽，第二密封槽环设于膜电极的四周，燃料电池系统还包括：
27.第一密封件，环设于第一密封槽内，并与膜电极抵接；以及
28.第二密封件，环设于第二密封槽内，并与膜电极抵接。
29.通过采用上述技术方案，通过第一密封件和第二密封件的作用，一方面可以将膜电极分别与阳极板和阴极板连接；另一方面，用于密封膜电极的四周，防止气体泄漏。
30.可选地，第一密封件为密封圈或者密封胶；第二密封件为密封圈或者密封胶。
31.通过采用上述技术方案，通过设置不同结构的密封件，可以根据需求进行选择不同结构的密封件。
32.可选地，所述阳极板的朝向所述膜电极的一侧开设有第一流道，所述第一流道的延伸方向与所述阳极板的宽度方向；
33.所述阴极板的朝向所述膜电极的一侧开设有第二流道，所述第二流道的延伸方向与所述阴极板的长度方向平行。
34.通过采用上述技术方案，开设流道，便于空气流通，与对应的极板发生反应，同时，带走热量。
35.可选地，第一流道的数量为多个，多个第一流道均匀间隔设置；第二流道的数量为
多个，多个第二流道均匀间隔设置。
36.通过采用上述技术方案，通过设置多个均匀设置的流道，各个流道的尺寸相同，便于加工成型。
37.可选地，所述第一流道的槽宽、所述第一流道的槽高以及相邻的两个所述第一流道之间的间隙的比值范围在1：0.5：1-1：1：1；
38.所述第二流道的槽宽、所述第二流道的槽高以及相邻的两个所述第二流道之间的间隙的比值范围在1：0.5：1-1：1：1。
39.通过采用上述技术方案，比值在该范围内，使得该燃料电池的电流密度较高，从而使得该燃料电池的供电性能好且功率高，相反地，超过该范围，需要较厚的极板，影响气体扩散到反应面；太小会影响气体的进气量，不利于反应。
40.本发明还提供了一种汽车，包括上述的燃料电池系统。
41.本发明提供的汽车的有益效果在于：通过采用上述的燃料电池系统，相邻的两个单电池组件之间通过容置槽与凸起的密封配合，可以使得相邻的两个单电池组件之间无需使用其他的紧固件，即可稳定的连接在一起，又可以起到定位的作用，保证了电堆组装过程中的一致性；且相邻的两个单电池组件之间，依靠双极板上的容置槽与凸起之间的滑动连接，一方面，可以替换电堆中任意一个性能低下的单电池组件，且不影响相邻的单电池组件；另一方面，减少了双极板焊接或粘接，提高了生产效率，降低了生产成本。
附图说明
42.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
43.图1为本发明实施例提供的燃料电池系统的俯视结构示意图；
44.图2为图1中沿a-a线的剖视结构示意图；
45.图3为图2中单电池组件的剖视结构示意图；
46.图4为图1中沿b-b线的剖视结构示意图；
47.图5为本发明实施例提供的阳极板和阴极板配合的立体结构示意图；
48.图6为本发明实施例提供的第一种结构的阳极板和阴极板配合的剖视结构示意图；
49.图7为本发明实施例提供的第二种结构的阳极板和阴极板配合的剖视结构示意图；
50.图8为本发明实施例提供的第三种结构的阳极板和阴极板配合的剖视结构示意图；
51.图9为本发明实施例提供的第四种结构的阳极板和阴极板配合的剖视结构示意图；
52.图10为本发明实施例提供的第五种结构的燃料电池系统的剖视结构示意图；
53.图11为本发明实施例提供的第五种结构的阳极板和阴极板配合的剖视结构示意图。其中，图中各附图标记：
54.1-单电池组件；101-第一单电池组件；102-第二单电池组件；11-阳极板；111-容置槽；12-阴极板；121-凸起；13-膜电极；14-第一密封件；15-第二密封件；16-第一流道；17-第二流道；w1-第一流道的槽宽；h1-第一流道的槽高；l1-相邻的两个第一流道之间的间隙；w2-第二流道的槽宽；h2-第二流道的槽高；l2-相邻的两个第二流道之间的间隙。
具体实施方式
55.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
56.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
57.请一并参阅图1至图3，现对本发明实施例提供的燃料电池系统进行说明。该燃料电池系统为空冷燃料电池系统，空冷燃料电池系统不需要水冷却电堆温度，省略了冷却水泵、热交换器等冷却子系统的部件，空气即作为反应燃料又作为冷却介质，不需要冷却系统，因此空冷燃料电池系统简单适合作为移动电源使用。
58.具体地，进一步参见图1至图3，本实施例中的燃料电池系统包括层叠设置的多个单电池组件1，各单电池组件1包括阳极板11、阴极板12以及设置于阳极板11和阴极板12之间的膜电极13。在具体应用中，单电池组件1的数量为两个、三个或者多个，以下实施例中的单电池组件1以两个为例，分别是第一单电池组件101和第二单电池组件102。
59.其中，相邻的两个第一单电池组件101和第二单电池组件102之间，第一单电池组件101的阳极板11上开设有容置槽111，第二单电池组件102的阴极板12朝背离膜电极13的方向延伸有与容置槽111配合的凸起121，容置槽111与凸起121密封连接，且容置槽111与凸起121滑动连接。或者，相邻的第一单电池组件101和第二单电池组件102之间，第一单电池组件101的阳极板11朝背离膜电极13的方向延伸有凸起121，第二单电池组件102的阴极板12上设置有与凸起121配合的容置槽111，容置槽111与凸起121密封连接，且容置槽111与凸起121滑动连接。即当第一单电池组件101上开设有容置槽111时，第二单电池组件102上设置有凸起121；当第一单电池组件101上设置有凸起121时，那么第二单电池组件102上设置有容置槽111。相邻的第一单电池组件101和第二单电池组件102之间，两个极板的结合处，采用容置槽111和凸起121的结合，从而实现第一单电池组件101和第二单电池组件102之间抽拉式结合。
60.本发明提供的燃料电池系统，与现有技术相比，相邻的两个单电池组件1之间通过容置槽111与凸起121的密封配合，可以使得相邻的两个单电池组件1之间无需使用其他的紧固件，即可稳定的连接在一起，又可以起到定位的作用，保证了电堆组装过程中的一致性；且相邻的两个单电池组件1之间，依靠双极板上的容置槽111与凸起121之间的滑动连接，一方面，可以替换电堆中任意一个性能低下的单电池组件1，且不影响相邻的单电池组件1；另一方面，减少了双极板焊接或粘接，提高了生产效率，降低了生产成本。
61.需要说明的是，容置槽111的延伸方向与设置有容置槽的阳极板11或者阴极板12的长度方向平行，从而使得第一单电池组件101和第二单电池组件102组装后保证了电堆组装过程中的一致性。
62.进一步地，容置槽111的数量为多个，多个容置槽111的结构相同且平行间隔设置，在具体应用中，容置槽111的数量为一个、两个、三个或者多个，采用多个容置槽111，使得容置槽111与凸起121之间的连接更加稳定。
63.以下实施例对容置槽111和凸起121的不同形状进行描述，具体以容置槽111开设于阴极板12上，凸起121设置于阳极板11上为例进行说明。
64.进一步地，进一步结合图5及图6，在一个实施例中，容置槽111为燕尾槽，此时，凸起121为燕尾凸起121，其中，该燕尾槽类似为倒梯形，即梯形的长边朝内设置，梯形的短边朝外设置，内指的是远离阳极板11的方向，外指的是靠近阳极板11的方向，有效地增加了凸起121与容置槽111之间连接的稳定性。
65.请参阅图3及图7，在一个实施例中，该容置槽111为t形槽，即该容置槽111的形状类比于字母“t”，此时，凸起121为t形凸起121，其中，t形槽的横边远离阳极板11设置，t形槽的竖边靠近阳极板11设置，由于t形槽的两端与t形凸起121的两端的紧密配合，保证了凸起121与容置槽111之间连接的稳定性。
66.请参阅图4及图8，在一个实施例中，该容置槽111为椭圆形槽，此时，凸起121为椭圆形凸起121，具体地，该椭圆形槽的形状为半椭圆形，该椭圆形槽的槽宽为椭圆形的长轴，该椭圆形槽的槽高为椭圆形的短轴，可以保证凸起121与容置槽111之间连接的稳定性。
67.进一步地，参见图4及图9，在一个实施例中，该容置槽111为圆弧形槽，即该容置槽111的形状为圆弧形，具体地，该容置槽111可以是半圆形或者弧形，此时，凸起121为圆弧形凸起121，采用圆弧形槽和圆弧形凸起121的配合，便于加工。
68.进一步地，在一个实施例中，参见图10及图11，该容置槽111为矩形槽，此时，凸起121为矩形凸起121，其中，容置槽111的槽宽为矩形的长边，容置槽111的槽高为矩形的短边，采用矩形槽和矩形凸起121配合，便于加工成型。
69.在本发明的一个实施例中，进一步参见图2及图3，阳极板11上朝向膜电极13的表面开设有第一密封槽，第一密封槽环设于膜电极13的四周，阴极板12上朝向膜电极13的表面开设有第二密封槽，第二密封槽环设于膜电极13的四周，燃料电池系统还包括第一密封件14和第二密封件15，其中，第一密封件14环设于第一密封槽内，并与膜电极13抵接；第二密封件15环设于第二密封槽内，并与膜电极13抵接。
70.需要说明的是，由于阳极板11和膜电极13之间需要通空气，且阴极板12和膜电极13之间需要通空气，为避免空气的泄露，在阳极板11上设置第一密封件14，一方面可以避免空气的泄露，另一方面，可以使得阳极板11与膜电极13之间形成紧固地连接。在阴极板12上设置第二密封件15，一方面可以避免空气的泄露，另一方面，可以使得阴极板12与膜电极13之间形成紧固地连接。
71.进一步地，具体参见图2及图3，第一密封件14为密封圈或者密封胶；第二密封件15为密封圈或者密封胶。需要说明的是，第一密封件14可以与第二密封件15相同，即第一密封件14为密封圈时，那么第二密封件15为密封圈，当然，第一密封件14可以与第二密封件15不同，即当第一密封件14为密封胶时，第二密封件15可以是密封圈。采用密封圈连接，便于膜
电极13与极板之间的拆卸；采用密封胶连接，使得膜电极13与极板之间连接的更加稳固，可以根据具体需求进行选择。
72.具体地，当第一密封件14为密封圈，第二密封件15也为密封圈时，第一密封件14的横截面形状为圆形、椭圆形或者多边形；第二密封件15的横截面形状为圆形、椭圆形或者多边形。其中，第一密封件14的横截面形状可以与第二密封件15的横截面形状相同，即当第一密封件14的横截面形状为圆形时，第二密封件15的形状也为圆形；那么，第一密封件14的横截面形状可以与第二密封件15的横截面形状不同，即当第一密封件14的横截面形状为圆形时，第二密封件15的横截面形状为椭圆形。在具体应用中，多边形可以是矩形、五边形或者多边形，可以根据具体需求进行选择。
73.请参阅图2至图4，在一个实施例中，阳极板11的朝向膜电极13的一侧开设有第一流道16，第一流道16的延伸方向与阳极板的宽度方向平行，其中，第一流道16供氢气通过；阴极板12的朝向膜电极13的一侧开设有第二流道17，第二流道17的延伸方向与阴极板的宽度方向平行，第二流道17供氧气通过。
74.进一步地，第一流道16的数量为多个，多个第一流道16均匀间隔设置；第二流道17的数量为多个，多个第二流道17均匀间隔设置。其中，第一流道16的槽宽w1、第一流道16的槽高h1以及相邻的两个第一流道16之间的间隙l1的比值范围在1：0.5：1-1：1：1。在具体应用中，第一流道16的槽宽w2、第一流道16的槽高h1以及第一流道16之间的间隙l1的比值范围在1：0.5：1、1：0.6：1、1：0.7：1、1：0.8：1、1：0.9：1、1：1：1，可以根据具体需求进行选择。
75.第二流道17的槽宽w2、第二流道17的槽高h2以及相邻的两个第二流道17之间的间隙l2的比值范围在1：0.5：1-1：1：0.8。在具体应用中，第二流道17的槽宽w2、第二流道17的槽高h2以及第二流道17之间的间隙l2的比值范围在1：0.5：1、1：0.6：1、1：0.7：1、1：0.8：1、1：0.9：1、1：1：1，可以根据具体需求进行选择。
76.比值在该范围内，该燃料电池的性能好且功率高，相反地，超过该范围，需要较厚的极板，影响气体扩散到反应面；太小会影响气体的进气量，不利于反应。
77.本发明还提供了一种汽车，包括上述任意实施例中的燃料电池系统。
78.本实施例提供的汽车，通过采用上述任意实施例中的燃料电池系统，相邻的两个单电池组件1之间通过容置槽111与凸起121的密封配合，可以使得相邻的两个单电池组件1之间无需使用其他的紧固件，即可稳定的连接在一起，又可以起到定位的作用，保证了电堆组装过程中的一致性；且相邻的两个单电池组件1之间，依靠双极板上的容置槽111与凸起121之间的滑动连接，一方面，可以替换电堆中任意一个性能低下的单电池组件1，且不影响相邻的单电池组件1；另一方面，减少了双极板焊接或粘接，提高了生产效率。
79.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。