燃料电池阴极板密封装置、燃料电池和燃料电池堆的制作方法
【专利摘要】本发明实施方式提供一种燃料电池阴极板密封装置、燃料电池、和燃料电池堆。该密封装置包括阴极板和密封部件。阴极板采用多孔质材料制成，并且在其上设置有用于安装密封部件的第一结构。密封部件内部设置有纵向通孔，用作燃料电池的燃料主流道。密封部件用于密封燃料主流道，并且密封阴极板和位于阴极板上方的阳极板之间的接触处。密封部件下部设置有用于和所述第一结构相配的第二结构，上部设置有横向沟槽，使得流过燃料主流道的燃料能够分配到上方阳极板所包括的燃料微流道中。根据本发明的实施方式，有效地解决了对多孔质材料阴极板燃料电池电堆进行密封的问题。
【专利说明】
燃料电池阴极板密封装置、燃料电池和燃料电池堆
技术领域
[0001]本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池的阴极板密封装置以及相关的燃料电池和燃料电池堆，所述燃料电池单池的阴极板采用多孔质材料制成。
【背景技术】
[0002]质子交换膜燃料电池是以氢气为燃料，通过和空气中的氧气发生氧化还原反应，将燃料中的化学能转变成电能的装置，主要由端板、集流板、双极板(阳极板和阴极板)、气体扩散层、膜电极和密封件组成。据统计，作为关键部件，双极板在电堆中所占的重量超过了总重量的80%。双极板的功能主要包括:I)和膜电极组成单池;2)使得相邻两个单池导电性良好地连接起来;3)阳极板和阴极板分别提供燃料和空气/氧气流道;4)提供移走热量和反应产物的通道;5)在燃料电池电堆中，用于制作反应气体进入各单池前的主流道。通常，采用实心金属，碳材料或者碳基复合材料作为双极板。但是，实心材料无论是金属，碳或者碳基复合材料，密度较高，所构成的电堆总重量也会较高。而且，电堆工作时，除了输出电功率，热效率往往会达到55%，由于双极板以严密紧凑的方式进行堆叠，使得冷却空气和电堆的接触面积较小，不利于电堆辐射和对流散热，减小了电堆可操作温度范围。
[0003]为了提高空冷质子交换膜燃料电池电堆的功率密度，尽可能地减少电堆的重量显得尤为重要。在
【申请人】于2015年7月28提交的，申请号为“201510449567.1”，发明名称为“用于空气冷却型质子交换膜燃料电池的阴极板”的专利申请中，提出了一种可行方案，即使用较低密度的多孔质材料(多孔石墨，多孔金属)作为双极板，以此来减少电堆的总重量。同时，带来的另外一个好处在于，由于使用了多孔质材料作为双极板，使得冷却空气和双极板间的接触面积增加，更利于对流和辐射散热。通过引用将该申请全文并入本文。
[0004]采用多孔质材料作为双极板，虽然利于提高重量功率密度和散热，但是，由此带来的密封方式，和常规实心双极板燃料电池明显不同。图1图示了质子交换膜燃料电池电堆中氢气的流通路径示意图。燃料电池电堆包括上端板11、上集流板12、燃料电池组、下集流板13和下端板14。燃料电池组由多个燃料电池堆叠而成，每个燃料电池包括阴极板21和阳极板22。在阴极板21中设置有燃料主流道31，在阳极板22中设置有燃料微流道32。如图1所示，氢气从一个进口进入，然后流经电堆内部贯穿双极板的主流道31，再分配给各燃料电池单池，在阳极参加反应后，从另一侧的主流道排出电堆。当燃料电池电堆由两个或者两个以上的单池组成时，上一个单池的阴极板势必会有一个通道，让氢气进入到下一个单池的阳极。当双极板采用实心材料时，因为实心材料自身具有密封能力，燃料主流道仅仅需要对阴极板和阳极板之间的接触处进行密封;而采用多孔质材料作为双极板后，由于多孔质材料自身不具有阻隔密封气体的能力，如果还是采用先前实心双极板的密封方式，氢气通过贯穿多孔质双极板的主流道时，会从多孔流道壁处泄漏，无法达到密封的效果。因此，和实心材料双极板密封方式不同，除了需要对阳极板和阴极板接触处进行密封，还需要对贯穿双极板内部的氢气主流道进行密封。
[0005]总而言之，采用多孔质材料作为双极板后的空冷质子交换膜燃料电池电堆，需要设计新的密封方式，以使得电堆能正常工作。
【发明内容】
[0006]多孔质材料对氢气不具有阻隔能力，其作为双极板后，虽然可以减少电堆重量，提高电堆的重量功率密度，利于散热。但是，当燃料(比如氢气)流经电堆内部贯穿双极板的主流道时，会从多孔质双极板处泄漏，无法达到密封的效果。因此，一种适合于多孔质材料双极板燃料电池的密封方式需要被设计，用以满足对提高电堆重量功率密度和便于散热的需求。
[0007]根据本发明的一个方面，提供一种燃料电池阴极板密封装置。该密封装置包括阴极板和密封部件。阴极板采用多孔质材料制成，所述阴极板上设置有用于安装所述密封部件的第一结构。所述密封部件内部设置有纵向通孔，用作所述燃料电池的燃料主流道;所述密封部件用于密封所述燃料主流道，并且密封所述阴极板和位于所述阴极板上方的阳极板之间的接触处，其中所述阳极板包括燃料微流道。所述密封部件下部设置有用于和所述第一结构相配的第二结构，并且所述燃料主流道贯穿所述阴极板;所述密封部件上部设置有横向沟槽，被配置为包围所述燃料主流道的顶端和所述阳极板的所述燃料微流道的入口，从而所述密封部件能够形成在所述阴极板与所述阳极板二者接触处密封所述横向沟槽的密闭空间，以便流过所述燃料主流道的燃料能够分配到所述阳极板中的燃料微流道中。
[0008]根据本发明的实施方式，所述第一结构为凹进结构，所述第二结构为与所述凹进结构相配的凸起结构;或者所述第一结构为凸起结构，所述第二结构为与所述凸起结构相配的凹进结构。
[0009]根据本发明的一个实施方式，密封部件可以为由弹性密封材料制成的密封垫片，所述密封垫片的下部用于形成所述第二结构，上部用于形成所述横向沟槽。
[0010]根据本发明的一个实施方式，密封部件可以包括密封垫片和弹性密封圈。所述密封垫片的下部用于形成所述第二结构、上部用于形成所述横向沟槽。所述弹性密封圈用于容纳于所述横向沟槽中，并且密封所述阴极板和所述阳极板之间的接触处。
[0011]根据本发明的一个实施方式，所述第一结构由所述阴极板的同侧伸出的两个一定宽度的第一薄片和第二薄片构成，第一薄片和第二薄片的厚度小于所述阴极板的厚度。第一薄片的厚度与第二薄片的厚度的相同或者不同。
[0012]根据本发明的一个实施方式，形成在所述密封垫片上部的所述横向沟槽为低于所述密封垫片上表面的平台。
[0013]根据本发明的一个实施方式，所述第一结构为低于所述阴极板的上表面的台面，所述台面包括纵向通孔，用于供所述密封垫片的包括所述燃料主流道的部分穿过，其中所述台面形成所述阴极板的侧面、或者为所述阴极板的上表面所包围。
[0014]根据本发明的一个实施方式，所述第一结构可以为设置于所述阴极板上的通孔，用于容纳所述密封垫片。
[0015]根据本发明的一个实施方式，所述第一结构可以为所述阴极板的一侧伸出的一定宽度的一个薄片，所述薄片的厚度小于所述阴极板的厚度。
[0016]根据本发明的一个实施方式，所述燃料电池可以具体为空气冷却型质子交换膜燃料电池。
[0017]根据本发明的另一个方面，提供一种燃料电池。该燃料电池包括:前述的阴极板密封装置;膜电极，设置在所述阴极板下方，其中，所述膜电极上设有质子交换膜;弹性密封件，设置在所述膜电极下方，用于密封所述膜电极下方的空间；阳极板，设置在所述弹性密封件下方，在其上设置有燃料微流道;第一气体扩散层，设置在所述阴极板和所述膜电极之间；以及第二气体扩散层，设置在所述膜电极和所述弹性密封件之间。
[0018]在一个实施方式中，所述阳极板可以由多孔层和实心层构成。
[0019]根据本发明的又一个方面，提供一种燃料电池堆，包括:上端板;上集流板，设置在所述上端板下方;燃料电池组，设置在所述上集流板下方，由至少一个前述的燃料电池堆叠而成，其中，所述的燃料电池所包括的阴极板密封装置密封其阴极板和位于所述阴极板上方的燃料电池的阳极板之间的接触处，并且连通各个电池的燃料主流道;下集流板，设置在所述燃料电池组下方;下端板，设置在所述下集流板下方;紧固件，用于压紧位于所述上端板和所述下端板之间的上集流板、燃料电池组和下集流板。将燃料进口设置在所述上端板上;所述燃料进口的位置与所述燃料电池组中的燃料主流道对应，并且在上集流板中设置与所述燃料进口连通的集流板通孔，从而使得所述燃料进口与设置在所述燃料电池组中的燃料主流道连通。紧固件例如可以是贯穿所述上端板和所述下端板的固定螺栓。
[0020]本发明实施例提供的燃料电池阴极板密封装置，有效地解决了对多孔质材料阴极板燃料电池电堆进行密封的问题。
【附图说明】
[0021]图1图示根据现有技术的质子交换膜燃料电池电堆中氢气的流通路径示意图所示为本发明一实施例所提供的用于质子交换膜燃料电池的阴极板的结构示意图；
[0022]图2图示根据本发明实施方式的多孔质材料阴极板组成的空冷质子交换膜燃料电池的密封示意图；
[0023]图3图示根据本发明实施方式的第一密封设计的图2中所示的圆圈区的密封放大图；
[0024]图4图示根据本发明实施方式的第二密封设计的图2中所示的圆圈区的密封放大图；
[0025]图5图示根据本发明实施方式的第三密封设计的图2中所示的圆圈区的密封放大图；
[0026]图6图示根据本发明实施方式的第四密封设计的图2中所示的圆圈区的密封放大图；
[0027]图7图示根据本发明实施方式的第五密封设计的图2中所示的圆圈区的密封放大图；
[0028]图8图示根据本发明实施方式的第六密封设计的图2中所示的圆圈区的密封放大图；
[0029]图9图示根据本发明实施方式的第七密封设计的图2中所示的圆圈区的密封放大图；
[0030]图10和图11图示根据本发明实施方式的第八密封设计的图2中所示的圆圈区的不同形式的密封放大图；
[0031]图12和图13图示根据本发明实施方式的第九密封设计的图2中所示的圆圈区的不同形式的密封放大图；
[0032]图14图示根据本发明实施方式的第十密封设计的图2中所示的圆圈区的密封放大图；
[0033]图15图示根据本发明实施方式的第十一密封设计的图2中所示的圆圈区的密封放大图；
[0034]图16图示根据本发明实施方式的第十二密封设计的图2中所示的圆圈区的密封放大图；
[0035]图17图示根据本发明一种实施方式的“半多孔”阳极板及其密封方式示意图；
[0036]图18图示根据本发明另一种实施方式的“半多孔”阳极板及其密封方式示意图；以及
[0037]图19所示为本发明一实施例所提供的质子交换膜燃料电池堆的结构示意图。
【具体实施方式】
[0038]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039]图2图示根据本发明实施方式的多孔质材料阴极板组成的空冷质子交换膜燃料电池的密封示意图。如图2所示，燃料电池单池包括多孔阴极板21和阳极板22，以及夹在双极板之间的膜电极(MEA) 23、气体扩散层(GDL) 24和密封单池内部流道的弹性密封件25。阳极板22包括燃料微流道32 ο图2还示出了用于对燃料主流道进行密封、并且密封阴极板和位于阴极板上方的阳极板之间的接触处的密封部件。密封部件内部设置有用作质子交换膜燃料电池的纵向通孔，密封部件可以包括密封垫片41和弹性密封圈42，此外，当数个单池串联组成一个燃料电池电堆时，氢气从电堆上的一个进口进入，流经电堆内部贯穿双极板的主流道后，再分配给各个单池。也即，上一个单池的阴极板势必会有一个通道，让氢气进入到下一个单池的阳极，小部分进入阳极板微流道32参与反应，大部分流经贯穿本单池阳极板和阴极板的主流道，又进入到下一个单池的阳极板主流道。由于多孔质材料不具有实心材料所拥有的对氢气的阻隔能力。因此，除了需要密封双极板之间的接触部位，还需要对贯穿多孔质材料双极板的燃料流道进行密封，即密封燃料主流道。
[0040]这种多孔质材料双极板燃料电池的主要密封原理在于:氢气流经贯穿多孔质双极板的流道时，不与多孔质材料接触，仅仅和双极板的实心部分、弹性密封材料、以及隔开氢气和多孔质材料的密封部件(例如实心垫片)相接触。最终，氢气的整个流通路径，由密封部分(垫片、弹性密封材料、以及双极板的实心部分和质子交换膜)所构成，避免了氢气的泄漏对电堆造成负面影响。
[0041]根据本发明的实施方式，提供一种空气冷却型质子交换膜燃料电池阴极板密封装置，如图2所示，其包括多孔阴极板和密封部件。阴极板采用多孔质材料制成。氧化剂能够通过多孔质材料中的孔隙被导入/导出质子交换膜燃料电池。阴极板上设置有用于安装所述密封部件的第一结构。所述密封部件内部设置有纵向通孔，用作燃料电池的燃料主流道;所述密封部件用于密封燃料主流道，并且密封阴极板和位于阴极板上方的阳极板之间的接触处。阳极板包括燃料微流道。所述密封部件下部设置有用于和第一结构相配的第二结构。从而，例如在密封部件受到挤压时，能够安装到阴极板上。所述燃料主流道贯穿阴极板。所述密封部件上部设置有横向沟槽，被配置为包围燃料主流道的顶端和阳极板的燃料微流道的入口。从而，例如当密封部件受到阳极板的挤压时，能够形成在二者接触处密封横向沟槽的密闭空间，以便流过燃料主流道的燃料能够分配到阳极板中的燃料微流道中。
[0042]应当理解，在本文的描述和附图中，将燃料主流道图示为在单池所包括的阴极板和阳极板的左右两侧，但是应当理解，燃料主流道(包括燃料进口和燃料出口)在双极板的具体位置和数量视设计需要可以变化，本发明对此不作限制。例如，图1所示的燃料电池堆中的氢气排出流道可以部署在电堆的外部。无论如何，本发明实施方式关心多孔质材料双极板组成的空冷质子交换膜燃料电池电堆的密封方式，而对相关的周边内容仅稍做解释。
[0043]例如，本领域技术人员可以理解，燃料主流道具体位置可根据燃料的具体输送方式而定，燃料进口和燃料出口也可以有多对。例如，当阳极板上燃料流道有多个阳极板通孔，且分别位于阳极板的不同位置时；阴极板上也可相应设置多个分布与不同位置的燃料主流道。
[0044]多孔质材料可以为多孔质石墨材料或者多孔质金属材料。
[0045]在本发明一实施例中，氧化剂可为空气中的氧气，燃料可为氢气。这样所形成的质子交换膜燃料电池即为一个敞开式空气冷却型质子交换膜燃料电池。然而本发明对氧化剂和燃料的种类不做限定。
[0046]根据本发明的实施方式，当阳极板采用实心材料，阴极板采用多孔质材料时，由于实心材料对氢气有阻隔能力，只需要对多孔阴极板主流道和相邻极板接触处进行密封。下面描述几个具体的密封设计形式。
[0047]密封设计I
[0048]图3图示根据本发明实施方式的第一密封设计的示意图。如图3所示，多孔阴极板同侧伸出两个一定宽度的薄片51和52，薄片I 51的厚度比阴极板厚度小，薄片2 52的厚度不大于阴极板厚度。密封垫片41的厚度和阴极板厚度相同，其下部刚好可以填满两薄片之间的空间，下部有一个贯穿垫片的燃料主流道，垫片上部两侧分别有个薄板加在阴极板薄片之上，结合后，两者总厚度和阴极板厚度相同。垫片上主流道31往一侧有个横向沟槽61，使得氢气可以从主流道31通过阳极板22的微流道入口 33进入阳极板(位于该阴极板之上的相邻单池的阳极板)的微流道参与反应。沟槽61上加有一个由闭合的弹性密封圈42(材料可以为硅胶、橡胶和聚氨酯等，形状例如为回形、圆形或者方形等)，用于密封垫片和上个单池的阳极板之间的流道。从而，垫片配合所述弹性密封圈对自身所在单池的主流道以及与位于其上方的单池的阳极板的接触处进行密封。
[0049]密封设计2
[0050]图4图示根据本发明实施方式的第二密封设计的示意图。如图4所示，多孔阴极板同一侧伸出两个有一定宽度的薄片51和52，薄片I 51的厚度比阴极板21的厚度小，薄片252的厚度不大于阴极板21的厚度。密封垫片41两侧各有一个薄板，分别用于叠加在阴极板两薄片上；中间区域有一个气体主流道31贯穿整个垫片，而且主流道周围区域厚度较低，此区域可采用一个回形、圆形或者方形的弹性密封圈42(如硅胶，橡胶，聚氨酯等)，以密封垫片和上一单池阳极板之间的主流道。此外，弹性密封圈42提供氢气从主流道通过阳极板22的微流道入口 33流向阳极板反应微流道的通道。垫片配合单池中的弹性密封件来密封下方的主流道。
[0051 ] 密封设计3
[0052]图5图示根据本发明实施方式的第三密封设计的示意图。如图5所示，多孔阴极板同侧伸出两个有一个宽度的薄片51和52，薄片I 51的厚度比阴极板21的厚度小，薄片2 52的厚度可以不大于阴极板21的厚度。采用弹性材料(如硅胶，橡胶，聚氨酯等)制作弹性密封垫41，此弹性密封垫为一体化设计，纵向有气体主流道31贯穿其中，横向有一个可以使气体从主流道31通过阳极板22的微流道入口 33到达阳极板(位于该阴极板之上的相邻单池的阳极板)微流道的沟槽，通过此弹性密封垫41，可以使得所处单池中的燃料主流道以及上下单池的接触处都能得到密封。
[0053]密封设计4
[0054]图6图示根据本发明实施方式的第四密封设计的示意图。如图6所示，多孔阴极板21的气体主流道31的区域两侧有个在阴极板内的通孔(圆形，方形等)，通孔周围厚度比阴极板21的厚度小。密封垫片41由两个部分构成，下部刚好可以放入通孔区域，上部可以覆盖周围较薄区域，两者结合后，和阴极板21的高度相平。密封垫片41上有一个圆形或者方形的燃料主流道31，流道上部通过回形，圆形或者方形弹性密封圈42(材料如硅胶，橡胶，聚氨酯等)和上一单池的阳极板主流道密封，流道下部通过使用所处单池的密封垫片来密封自身单池双极板主流道。密封垫片41对于流过所述燃料主流道的燃料有阻隔能力。垫片上部有一个横向的流道沟槽61，使得氢气能够从主流道31通过阳极板22的微流道入口 33分配到单池阳极板(位于该阴极板之上的相邻单池的阳极板)微流道中参与反应。
[0055]密封设计5
[0056]图7图示根据本发明实施方式的第五密封设计的示意图。如图7所示，和密封设计4不同之处在于，不使用弹性密封圈42，仅采用弹性材料(材料如硅胶，橡胶，聚氨酯等)来制作密封垫片41，就能实现对多孔质材料阴极板燃料电堆的密封，其它和密封设计4相同。
[0057]密封设计6
[0058]图8图示根据本发明实施方式的第六密封设计的示意图。如图8所示，多孔阴极板气体主流道区域有个在阴极板内的通孔(圆形，方形等)，密封垫片41刚好可以放入，密封垫片41的厚度和阴极板21的厚度一致。垫片有一个气体主流道31，流道上部通过弹性密封圈(如硅胶，橡胶，聚氨酯等)和上一单池的阳极板主流道密封，流道下部通过使用所处单池的密封垫片来密封自身单池双极板主流道。密封垫片对于流过所述燃料主流道的燃料有阻隔能力。垫片上部有一个横向的流道沟槽61，使得氢气能够从主流道31通过阳极板22的微流道入口 33分配到单池阳极板(位于该阴极板之上的相邻单池的阳极板)微流道中参与反应。
[0059]密封设计7
[0060]图9图示根据本发明实施方式的第七密封设计的示意图。如图9所示，和密封设计6不同之处在于，不使用弹性密封圈42，仅采用弹性材料(材料如硅胶，橡胶，聚氨酯等)来制作密封垫片41，就能实现对多孔质材料阴极板燃料电堆的密封，其它和密封设计6相同。[0061 ] 密封设计8
[0062]图10和图11图示根据本发明实施方式的第八密封设计的示意图。如图10和图11所示，多孔阴极板气体主流道31的区域一侧的厚度比阴极板低，主流道位置设置有通孔。通孔可以采用多种形状，如圆形，方形或者多边形，其目的是提供燃料的通道。阴极板21的该厚度较薄的区域用于容纳一个对氢气有阻隔能力的密封垫片41，二者的总厚度和阴极板厚度一样。密封垫片41下部刚好可以放入通孔，下部中间有一个贯穿的燃料主流道31，垫片41上有一个气体主流道，流道上部通过回形，圆形或者方形弹性密封圈42(材料如硅胶，橡胶，聚氨酯等)和上一单池的阳极板主流道密封，流道下部通过使用所处单池的密封垫片来密封自身单池双极板主流道。垫片上部有一个横向的流道沟槽61，使得氢气能够从主流道31通过阳极板22的微流道入口 33分配到单池阳极板(位于该阴极板之上的相邻单池的阳极板)微流道中参与反应。
[0063]密封设计9
[0064]图12和图13图示根据本发明实施方式的第九密封设计的示意图。如图12和图13所示，和密封设计8不同之处在于，不使用弹性密封圈42，仅采用弹性材料(材料如硅胶，橡胶，聚氨酯等)来制作密封垫片41，就能实现对多孔质材料阴极板燃料电堆的密封，其它和密封设计8相同。
[0065]密封设计1
[0066]图14图示根据本发明实施方式的第十密封设计的示意图。如图14所示，多孔阴极板主流道区域有一个圆形或者方形的通孔作为燃料主流道31，其上有一个下沉的椭圆形或者方形平台，平台被四周所包围。垫片41有两个部分，下部刚好可以放入阴极板21上的通孔，上部刚好可以放入通孔附近的下沉平台。垫片41上通孔区域内有一个燃料主流道31，主流道往一侧有一个横向沟槽61，以提供氢气从主流道31通过阳极板22的微流道入口 33到阳极板微流道的通道。垫片41主流道上部通过回形，圆形或者方形弹性密封圈(材料如硅胶，橡胶，聚氨酯等)和上一单池的阳极板主流道密封，流道下部通过使用所处单池的密封垫片41来密封自身单池双极板主流道。
[0067]密封设计11
[0068]图15图示根据本发明实施方式的第十一密封设计的示意图。如图15所示，和密封设计10不同之处在于，不使用弹性密封圈42，仅采用弹性材料(材料如硅胶，橡胶，聚氨酯等)来制作密封垫片41，就能实现对多孔质材料阴极板燃料电堆的密封，其它和密封设计10相同。
[0069]密封设计12
[0070]在上述设计中，阳极板一侧用于密封氢气微流道的弹性密封件和阳极板另一侧的弹性密封圈或者弹性垫片可以设计成一体化，以减少装配零部件数量，提高装配效率。
[0071]密封设计13
[0072]图16图示根据本发明实施方式的第十二密封设计的示意图。如图16所示，从阴极板21的一侧伸出一定宽度的一个薄片51，薄片51的厚度小于阴极板21的厚度。密封垫片41的厚度和阴极板21的厚度相同，可以在其下部形成与阴极板的该薄片相配的结构。图16图示了阴极板的薄片51位于阴极板21的侧边的左端部，但是应当理解，其也可以位于阴极板的侧边的中间、右端部或者其他部位。从而，在将密封垫片41安装到阴极板21上，二者结合后，两者总厚度和阴极板厚度相同。密封垫片41的下部可以受阴极板的该薄片和位于阴极板下方的部件(比如膜电极或者下方的阳极板)的支撑。垫片上主流道往一侧有个横向沟槽61，使得氢气可以从主流道31通过阳极板22的微流道入口 33进入阳极板(位于该阴极板之上的相邻单池的阳极板)微流道参与反应。沟槽61上加有一个由闭合的弹性密封圈42(材料可以为硅胶、橡胶和聚氨酯等，形状例如为回形、圆形或者方形等)，用于密封垫片和上个单池的阳极板之间的流道。从而，垫片配合所述弹性密封圈对自身所在单池的主流道以及与位于其上方的单池的阳极板的接触处进行密封。
[0073]应当理解，在以上密封设计1-密封设计13的密封结构的示例中，在双极板两侧对称存在，以使得氢气能够进入电堆，也能够从电堆排出。另外，密封设计1-密封设计13仅是多孔质燃料电池阴极板密封装置的示例形式，而非任何形式的限制。还应当理解，以上以具体的密封设计形式给出的若干密封设计仅是示意性，本领域技术人员还可以将不同密封设计或者不同密封的不同特征进行组合或替换。
[0074]另外，考虑到阳极板和阴极板所处的工作环境很不一样，因而阴极板可以采用多孔质材料制备，以为阴极板的轻质化提供了必要空间；但是，阳极板却需要保持气密性。通常情况下，因为阳极板内部需要保留有氢气参与氧化反应的空腔，此空腔留有一个氢气进口和一个出口，其它地方限制氢气穿过。因此，阳极板不可能完全由不密闭的多孔质材料组成。
[0075]例如，在一个敞开式空气冷却型质子交换膜燃料电池中，阴极板所需具备的条件是:I)为燃料(例如:氢气)的输入和输出形成通道;2)具备良好的导热和导电性能;3)突出的化学稳定性和耐腐蚀性能;4)保证充足和均匀的氧化剂供应。因此在满足上述条件的基础上，阴极板无需要像阳极板一样保证其材料本身良好的气密性。
[0076]以上密封设计是针对采用实心材料制作的阳极板的燃料电池单池的情形进行描述的。
[0077]在另外的实施例中，阳极板可以由一层多孔导电材料和一层实心导电材料所构成，多孔层可以作为阳极板反应微流道，实心层起着密封反应空腔一面的作用。下面描述根据本发明实施方式的这种“半多孔”的阳极板和全多孔的阴极板燃料电池的密封设计。
[0078]密封设计14
[0079]图17图示根据本发明一种实施方式的“半多孔”阳极板及其密封方式示意图。如图17所示，阳极板由多孔层65与实心层66构成。“半多孔”阳极板的实心层和多孔层贴合后，多孔层65在实心层66之内，四周未被多孔层覆盖的边缘可以放置一个一定厚度的连续的弹性密封件42(例如，图2中所示的弹性密封件)。该燃料电池单池其它部分密封方式可以和上述密封设计1-13的密封方式相同。以此“半多孔”阳极板的密封方式和密封设计2结合为例，氢气从阴极板主流道31进入阳极板主流道后，大部分通过主流道进入下一个单池，小部分经过弹性密封圈上的横向沟槽，进入阳极板多孔层参与反应，反应完全后，未反应的氢气和反应产物从另一侧呈中心对称的主流道排出。
[0080]密封设计15
[0081 ]图18图示根据本发明另一种实施方式的“半多孔”阳极板及其密封方式示意图。如图18所示，阳极板由多孔层65与实心层66构成，实心层中央区域是一个凹进，用于容纳多孔层65。“半多孔”阳极板的实心层和多孔层贴合后，多孔层容纳与实心层的该凹进之内，该凹进的四周包围整个多孔层。该燃料电池单池其它部分密封方式可以和上述密封设计1-13的密封方式相同。
[0082]参考并回顾图2，其还图示了根据本发明一实施例所提供的质子交换膜燃料电池单池的结构示意图。如图2所示，燃料电池单池包括阳极板22和阴极板21，以及夹在双极板之间的膜电极(MEA)23、气体扩散层(GDL)24和密封单池内部流道的弹性密封件25。膜电极23，设置在阴极板下方，在其上设置有质子交换膜。弹性密封件25设置在膜电极下方，用于密封膜电极下方的空间，防止外界气体进入膜电极下方的空间。阳极板设置在弹性密封件25下方，阳极板上设有燃料微流道。在阴极板和膜电极之间、以及在膜电极和弹性密封件25之间设置有气体扩散层。
[0083]在图2所示的实施例中，燃料微流道的两端设置有分别与两个膜电极通孔连通的两个阳极板通孔，形成用于所述燃料电池的燃料输送通道。
[0084]质子交换膜燃料电池的工作原理为:燃料通过阴极板上的一个燃料主流道导入，经过膜电极上的膜电极通孔导入阳极板上的燃料流道。燃料流道中的燃料在催化剂作用下发生电极反应生成电子和燃料离子(例如，氢质子)。氧化剂(例如，空气中的氧气)则通过阴极板的多孔结构和氧化剂流道直接进入质子交换膜，并与穿过质子交换膜的电子和燃料离子发生电极反应释放电能。
[0085]由于阴极板采用了多孔质材料(例如多孔质石墨材料、多孔质金属材料)制成，该质子交换膜燃料电池也具备轻质化的优势，同时散热能力好、工作效率高。
[0086]图19所示为本发明一实施例所提供的燃料电池堆的结构示意图。如图19所示，该质子交换膜燃料电池堆包括:
[0087]上端板81，包括两个燃料口811，分别用作燃料进口和燃料出口；
[0088]上集流板82，设置在上端板81下方;其中，上集流板82上设有与两个燃料口811连通的上集流板通孔；
[0089]燃料电池组83，设置在上集流板82下方，由至少一个上述实施例提供的质子交换膜燃料电池堆叠而成;其中，每个燃料电池的两个阳极板通孔分别与相邻的燃料电池的阴极板的两个燃料主流道连通，在燃料电池组中形成连通的燃料输送通道，并且该燃料输送通道还与两个燃料口 811连通；
[0090]下集流板84，设置在燃料电池组83下方；
[0091 ]下端板85，设置在下集流板84下方；以及，
[0092]固定螺栓86，贯穿上端板81和下端板85，压紧位于上端板81和下端板85之间的上集流板82、燃料电池组83和下集流板84。
[0093]本领域技术人员可以理解，固定螺栓86的数量和具体位置可根据所要实现的压紧程度而调整，本发明对固定螺栓86的数量和具体位置不做限定。另外，分别用作燃料进口和燃料出口的两个燃料口811也可以都在下端板上，或上端板和下端板各一个，并且与此相应的布置上集流板通孔。固定螺栓仅是示意性的，其可以是用于压紧位于上端板81和下端板85之间的上集流板82、燃料电池组83和下集流板84的紧固件。
[0094]集流板还可用于密封未与燃料进出口连通的燃料电池的燃料输送通道。例如，在如图19所示的燃料进口和燃料出口都设置在上端板的情形下，可以在下集流板84上在与电池堆的燃料输送通道对应的位置设置两个密封垫，用于密封燃料电池组83中的最下面的一个燃料电池的两个阳极板通孔。
[0095]由于该质子交换膜燃料电池堆的燃料电池组83中采用了由多孔质材料制成的阴极板，因此该质子交换膜燃料电池堆也具备轻质化的优势，同时也具备优秀的化学稳定性和耐腐蚀性、散热能力好、工作效率高。
[0096]根据本发明的实施方式，还提供一种空气冷却型质子交换膜燃料电池堆。如图19所示，该电池堆可以包括:上端板;上集流板，设置在所述上端板下方;燃料电池组，设置在所述上集流板下方，由至少一个前述的质子交换膜燃料电池堆叠而成，其中，所述的质子交换膜燃料电池所包括的阴极板密封装置密封其阴极板和位于所述阴极板上方的质子交换膜燃料电池的阳极板之间的接触处，并且连通各个电池的燃料主流道;下集流板，设置在所述燃料电池组下方;下端板，设置在所述下集流板下方;紧固件，用于压紧位于所述上端板和所述下端板之间的上集流板、燃料电池组和下集流板;其中，将燃料进口设置在所述上端板上;所述燃料进口的位置与所述燃料电池组中的燃料主流道对应，并且在上集流板中设置与所述燃料进口连通的集流板通孔，从而使得所述燃料进口与设置在所述燃料电池组中的燃料主流道连通。
[0097]根据本发明的实施方式，提供了一种能够适合于多孔质材料双极板燃料电池的密封方式。提高空冷质子交换膜燃料电池电堆的重量功率密度和散热能力，不仅是燃料电池性能优化开发上孜孜不倦的追求，同时，也在其广泛的应用领域上变得尤为重要。通常，采用较高密度的实心材料作为双极板，结果，不仅使得燃料电池电堆重量较重，而且双极板紧密的堆叠方式，也不利于电堆散热。而多孔质材料由于其较低的低密度，一旦被用于制作双极板，将使得电堆的重量得到显著的降低，提高了重量功率密度，同时，多孔结构的双极板，增加了气体和双极板的接触面积，使得对流和辐射散热变得有利。但是，由于多孔质材料对氢气没有阻隔能力，难以密封，一旦没有可行的密封方式，将使得这种多孔质材料使用于燃料电池电堆变得不现实。
[0098]因此，本发明设计了一种完全可行的、便捷的、对多孔质材料双极板燃料电池电堆进行密封的方法。这种方法有益于提高空冷质子交换膜燃料电池电堆的重量功率密度和散热能力。
[0099]虽然以上实施例是关于空气冷却型质子交换膜燃料电池进行描述的，但是本发明所提出的密封设计形式或者密封装置(密封结构)能够适用于其他冷却类型的质子交换膜燃料电池，以及其他类型的燃料电池。
[0100]上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，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、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种燃料电池阴极板密封装置，其特征在于，包括阴极板和密封部件， 所述阴极板采用多孔质材料制成，所述阴极板上设置有用于安装所述密封部件的第一结构;并且 所述密封部件内部设置有纵向通孔，用作所述燃料电池的燃料主流道;所述密封部件用于对所述燃料主流道进行密封，并且密封所述阴极板和位于所述阴极板上方的阳极板之间的接触处，其中所述阳极板包括燃料微流道； 其中，所述密封部件下部设置有用于和所述第一结构相配的第二结构，并且所述燃料主流道贯穿所述阴极板;所述密封部件上部设置有横向沟槽，被配置为包围所述燃料主流道的顶端和所述阳极板的所述燃料微流道的入口，从而所述密封部件能够形成在所述阴极板与所述阳极板二者接触处密封所述横向沟槽的密闭空间，以便流过所述燃料主流道的燃料能够分配到所述阳极板中的燃料微流道中。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于， 所述第一结构为凹进结构，所述第二结构为与所述凹进结构相配的凸起结构;或者 所述第一结构为凸起结构，所述第二结构为与所述凸起结构相配的凹进结构。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述密封部件为由弹性密封材料制成的密封垫片，所述密封垫片的下部用于形成所述第二结构，上部用于形成所述横向沟槽。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述密封部件包括密封垫片和弹性密封圈， 其中，所述密封垫片的下部用于形成所述第二结构、上部用于形成所述横向沟槽； 所述弹性密封圈用于容纳于所述横向沟槽中，并且密封所述阴极板和所述阳极板之间的接触处。5.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于， 所述第一结构由所述阴极板的同侧伸出的两个一定宽度的第一薄片和第二薄片构成，第一薄片和第二薄片的厚度小于所述阴极板的厚度。6.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于， 形成在所述密封垫片上部的所述横向沟槽为低于所述密封垫片上表面的平台。7.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于， 所述第一结构为低于所述阴极板的上表面的台面，所述台面包括纵向通孔，用于供所述密封垫片的包括所述燃料主流道的部分穿过，其中所述台面形成所述阴极板的侧面、或者为所述阴极板的上表面所包围。8.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于， 所述第一结构为设置于所述阴极板上的通孔，用于容纳所述密封垫片。9.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于， 所述第一结构为所述阴极板的一侧伸出的一定宽度的一个薄片，所述薄片的厚度小于所述阴极板的厚度。10.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，所述燃料电池为空气冷却型质子交换膜燃料电池。11.一种燃料电池，其特征在于，包括: 根据权利要求1-10中任一项所述的阴极板密封装置； 膜电极，设置在所述阴极板下方，其中，所述膜电极上设有质子交换膜； 弹性密封件，设置在所述膜电极下方，用于密封所述膜电极下方的空间； 阳极板，设置在所述弹性密封件下方，在其上设置有燃料微流道； 第一气体扩散层，设置在所述阴极板和所述膜电极之间；以及 第二气体扩散层，设置在所述膜电极和所述弹性密封件之间。12.根据权利要求11所述的燃料电池，其特征在于，所述阳极板由多孔层和实心层构成。13.一种燃料电池堆，其特征在于，包括: 上端板； 上集流板，设置在所述上端板下方； 燃料电池组，设置在所述上集流板下方，由至少一个如权利要求11或12所述的燃料电池堆叠而成，其中，所述燃料电池所包括的阴极板密封装置密封其阴极板和位于所述阴极板上方的燃料电池的阳极板之间的接触处，并且连通各个电池的燃料主流道； 下集流板，设置在所述燃料电池组下方； 下端板，设置在所述下集流板下方； 紧固件，用于压紧位于所述上端板和所述下端板之间的上集流板、燃料电池组和下集流板； 其中，将燃料进口设置在所述上端板上;所述燃料进口的位置与所述燃料电池组中的燃料主流道对应，并且在上集流板中设置与所述燃料进口连通的集流板通孔，从而使得所述燃料进口与设置在所述燃料电池组中的燃料主流道连通。14.根据权利要求13所述的燃料电池堆，其特征在于，所述阴极板密封装置所包括的密封部件和用于位于其上方的燃料电池阳极板的弹性密封件一体化制造。
【文档编号】H01M8/0276GK105932314SQ201610333293
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月19日
【发明人】李骁, 赵锋, 李名剑, 江浩
【申请人】武汉众宇动力系统科技有限公司