CN100499239C - 一种燃料电池单元结构及其电堆组装 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池金属极板与膜电极组件封装的组合单元结构设计，具体地说是一种燃料电池单元结构及其电堆组装，包括二片带有流场的模压金属极板及它们内侧封装的膜电极组件(MEA)。将该燃料电池极板与MEA、密封结构封装在一起，并组合装配定位槽和巡检插槽，形成燃料电池单元。该结构形成电堆组装时发电元件的唯一单元组件，减少电堆组装的零件数量，能够提高电堆的组装速度和尺寸稳定性，并且减少MEA在组装和更换时的损坏，有利于提高电池的性能，适合极板和电堆组装的机械化生产。

Description

一种燃料电池单元结构及其电堆组装

技术领域

本发明涉及燃料电池金属极板与膜电极组件封装的组合单元结构设计，具体地说是一种燃料电池单元结构及其电堆组装，其适合氢质子膜燃料电池。

背景技术

燃料电池的每个电池单体由带有流场的阴阳极板中间夹有膜电极组件(MEA)组成，并有冷却结构。以氢质子膜燃料电池为例，在阳极板和阴极板设计方面，一般是将两种极板设计为背对结构，中间形成冷却剂流场，组成双极板结构，然后与MEA和密封线等构件交替叠合，组成多节电池的电堆。也有将MEA制作在双极板的外侧，构成电池单元，然后组装多节电池的电堆。

然而，在传统的电堆组装过程中，由于MEA暴露在外，容易受到机械损伤，而且受到环境湿度变化的影响，所以即影响组装速度，又影响到MEA的性能。同时，组装元件数量比较多，定位装置和方法也影响组装速度，不利于批量的机械化自动组装发展。同时装堆时必须保证的密封面多，容易发生泄露。在电堆的拆卸与更换电极、双极板的过程中，MEA也容易受到损害。

如上海神力科技有限公司申请的(专利号：03255926.7)一种改进型的燃料电池堆组件专利，形成电池单元，但是MEA暴露在外，保管和安装都要相对困难一些。美国专利Fuel Cell Stack(专利公开：US 2006/0068264 A1)提到一种电池组件(unitcells)，但是没有公开该结构的技术实现方法。美国专利Fucl CcllBipolar Separator Plate(专利公开：US 2005/006270 A1)使用点状流场实现流体均匀分配，如果氧化剂和还原剂的各自公用通道面积不同，则相接触的两种单电池为保持沟对脊，必须有4种不同的流场板，形成两种交替使用的单电池。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池单元结构及其电堆组装，将电堆组装时的单元降低为具有足够强度的单一单元结构，降低组装难度，提高电堆的装堆速度和尺寸精度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明将MEA包装在极板内，集成了阴极流场、阴极流场与电极的密封、电极、电极与阳极流场的密封、阳极流场及对这些构件进行组合所需的结构，以及该单元在组装多节电堆时该种单元之间的密封结构，该密封结构作为该单元的组成部分。金属极板端头设有一体的电池电位巡检插槽，用于电池的检测控制。

单元组件是由形成流场的模压金属薄板、MEA，以及形成密封和固定作用的胶条、固定件、黏合剂组成。

具体为：

一种燃料电池单元结构，包括二片带有流场的模压金属阴阳极板及它们内侧封装的膜电极组件(MEA)。还包括它们的密封和固定结构与配件；以及所形成的单元结构之间的密封结构，金属极板接触电极一侧形成氧化剂或燃料的流体通道，该单元重复叠压形成多节的燃料电池电堆结构，其单元之间的空间形成冷却剂的流场。燃料和氧化剂走电池单元的内侧，冷却剂走外侧。

所述二片金属极板由膜电极组件及其边缘聚合物薄片分隔开来，在每片金属极板上与膜电极MEA的对应处设置有燃料或氧化剂流体的流场，在流场的流道上下两端设置有流场流体分配槽，金属极板及膜电极组件上相对应位置上均开设有燃料公用通道、氧化剂公用通道与冷却剂公用通道，在每片金属极板与膜电极组件、燃料公用通道、氧化剂公用通道及冷却剂公用通道间均设置有内胶线槽，内胶线槽内填充有密封内胶线，或沿内胶线槽填充有密封黏合剂，或在内胶线槽中灌注密封胶固化黏结金属极板与膜电极组件；在燃料公用通道或氧化剂公用通道与流道间设置有搭接向各自流场连通的桥，桥内设有瓦楞状加强结构，此处金属极板与电极之间没有密封结构，即内胶线上设置有燃料或氧化剂桥缺口；

在金属极板的中部设置有电池单元定位槽，单元定位槽与桥的瓦楞状加强结构相卡接配合；在冷却剂公用通道下方的金属极板上设置有金属极板水桥缺口，金属极板水桥缺口内设置有瓦楞状加强结构，对应的在内胶线上设置有内胶线水桥缺口，冷却剂公用通道通过内胶线水桥缺口和金属极板水桥缺口与金属极板外侧相连通。冷却剂的流场在单元结构的外侧，是经过桥的搭接向单元结构的外侧流场连通，并有瓦楞状加强结构，此处金属极板在组装电堆时与另一个单元的相临金属极板之间没有密封结构。所述金属极板端头设有一体的电池电位巡检插槽，用于检测控制；

燃料电池单元结构边缘紧固密封方式可为，

a.在边缘，一侧金属极板向另一侧折弯，MEA的聚合物薄片随之弯曲并隔离弯曲后的金属极板；可以同向折弯，并可以分段交替改变折弯方向；

或b.在金属极板的边缘设置止退突起，在止退突起上套设弹性夹条对电池单元结构进行固定；

或c.将突出于金属极板边缘的MEA的聚合物薄片热融化，使之收缩成电池边缘热融收缩体封盖其两侧的金属极板；

或d.在所述金属极板和膜电极组件上穿插绝缘的铆接物，使金属极板和膜电极组件固定为一体；

或e.在金属极板的边缘上注塑固化有注塑封边，封闭金属极板边缘；

或f上述a-e任何二种或二种以上结构的组合。

所述燃料电池单元结构组装电堆时，相临两单元电池使用金属极板上模压形成的突起和凹陷定位，即采用所述流场的桥及桥内设有的瓦楞状加强结构相互卡接定位；在燃料电池单元结构的每片金属极板外侧，金属极板周围、燃料公用通道及氧化剂公用通道均设置有外胶线槽，外胶线槽内填充有弹性密封外胶线，或沿外胶线槽填充有密封黏合剂，或在外胶线槽中灌注密封胶固化黏结金属极板。

所述弹性密封外胶线边侧或密封面具有局部突起，对应的金属极板位置具有相应的开孔，两者形成镶嵌结构，使密封胶条固定在金属极板上；

所述金属板的外胶线槽的底面或者侧面设置有凹陷开孔，外胶线槽内填充的密封黏合剂或灌注的密封胶，密封黏合剂或灌注的密封胶固化前的流体，经过固化附着在密封槽中，且有少量从凹陷开孔泄露，固化后固定在金属极板上。

本发明的优点是：在金属薄板模压制成厚度薄、重量轻的极板基础上，密封结构可以方便地使用机械操作完成，大幅度降低手工安装量，有利于批量化生产，而且电堆组装速度和精度提高，装配工段的零件数量和种类大幅度降低，由于组装产生的泄露点大幅度减少，降低了电堆组装环节引起的电堆运转中的燃料和氧化剂的泄露。本发明降低了易损的MEA发生损坏和污染的可能，也使更换MEA容易操作。因此，本发明可以提高电堆的生产效率，提高电堆的可靠性，降低成本，在工业化产品的生产和维修方面具有优势。

附图说明

图1为本发明单元组装的多节电池局部立体示意图；

图2为本发明单元结构分解的立体局部示意图；

图3为极板的平面结构示意图；

图4为图3中A—A断面的剖视示意图；

图5为图3中B—B断面的剖视示意图；

图6为图4中C圈视的局部放大示意图；

图7为图6中D—D断面的剖视示意图；

图8为组合单元的边缘固定之折弯固定方式示意图；

图9为组合单元的边缘固定之铆接固定方式示意图；

图10为组合单元的边缘固定之弹性夹条固定方式示意图；

图11为组合单元的边缘固定之热融封盖固定方式示意图；

图12为组合单元的边缘固定之注塑封边示意图；

图13为内密封胶条局部立体结构示意图；

图14为外密封胶条局部立体结构示意图；

图15为外密封胶条与金属极板镶嵌固定结构示意图；

图中符号说明：1为巡检插槽，2为燃料公用通道，3为外胶线槽，4为冷却剂公用通道，5为氧化剂公用通道，6为边缘密封，7为电池单元定位槽，8为流场流体分配槽或收集槽，9为流道，10为桥，11为支撑槽，12为内胶线槽，13为内胶线凹陷接触面，14为电极与金属板的黏结面，15为内胶线，16为外胶线，17为MEA，18为注塑封边，19为MEA边缘热融收缩体，20为弹性夹条，21为金属极板对弹性夹条的止退突起，22为铆接物，23为金属极板，30为金属极板的水桥缺口，31为内胶线的水桥缺口，32为内胶线的燃料或氧化剂桥缺口，34为外胶线的水桥缺口，35为外胶线的点状突起，36为金属极板固定外胶线的凹陷开孔；

具体实施方式

本发明的单元实施例如图2至图15所示。图1是本发明单元组装的多节电池局部立体示意图。流场形式以平行沟槽为例，但不局限于平行沟槽流场结构，本设计同样适用于其他常见的流场。

如图2、图3所示，流体公用孔道2、5是用于燃料和氧化剂的输送，MEA17封装在两片金属极板23的内侧，金属极板23接触MEA17一侧形成氧化剂或燃料的流体通道，即单元结构的内侧，电极MEA17与金属极板23之间有密封内胶线15，在桥10的位置内胶线15上设有缺口32，MEA17与金属极板23之间也可以使用黏合剂固定密封而不使用密封内胶线15。或使用在密封槽中灌注密封胶固化黏结金属极板23和MEA17，以及上述方法的配合使用。

冷却剂公用通道4是用于冷却剂的输送。冷却剂走单元结构的外侧，是单元组装多节电堆形成的空间。冷却剂的流场在单元结构的外侧，是经过内胶线的水桥缺口31的搭接向单元结构的外侧流场连通，并有瓦楞状加强结构，此处金属极板23与另一个单元的金属极板23之间的外密封外胶线16有外胶线的水桥缺口34，对应于内胶线的水桥缺口31，密封内胶线15相应位置的截面有变化。

模压金属极板端头折弯形成极板电位巡检插槽1，可以每个板片设立一个或多个，但以一个为佳，或在电堆组装后间隔一定数量的单元结构再使用一个，降低电堆巡检的总的数量。相临两单元电池使用模压形成的突起和凹陷定位，特别是使用流场的瓦楞状加强结构桥10和电池单元定位槽7相互卡接定位。

图4、5显示图2的剖面A、B结构，流体公用通道的模压深度不同，以方便组装的定位和防止板片错装。瓦楞状加强结构的桥10起到连接公用通道和流场的作用，同时与定位突起电池单元定位槽7扣合，起到本单元在组装电堆时的相互卡接定位作用定位。支撑槽11起单元之间的支撑和分散冷却剂的作用，支撑槽11不限于单一的矩形结构，可以有多个圆形或条形结构，起到分流、分配冷却剂的作用。

图6显示局部C的放大，图7是D剖面的示意图。流场流体分配槽8向流场通道9连通，背面对应是冷却剂的分配槽和流道。流场边缘的电极与金属板的黏结面14与密封槽中心内胶线凹陷接触面13可以在一个平面，也可以不在一个平面，这形成内密封槽的密封横断面主要有凸多边形和凹多边形，如O、L、U型。

板边缘使用或不使用折弯连接固定金属极板23和MEA17，连接固定及密封的方式有：

如图8所示，上下两片金属极板23边缘长度不相同，MEA17的边缘长度超过金属极板23的边缘长度，将边缘长度大的金属极板23向边缘长度小的一侧翻边折弯，形成边缘密封6，同时使用MEA17的电极边缘聚合物薄片作为该处的绝缘层，并可以分段交替改变折弯方向；

或如图9所示使用绝缘的铆接物22固定；

或如图10所示，使用弹性夹条20固定，对应位置的金属极板做出边缘方向的止退突起21；

或如图11所示，在金属极板边缘长度相同时，MEA的边缘聚合物薄片17长度超过极金属极板的边缘长度，加热融化MEA的边框超出金属极板边缘的部分，使之收缩形成电极边缘热融收缩体19，包覆两侧的金属极板，形成密封条件；

或如图12所示，使用注塑封边18，注塑固化封闭边缘。

以及上述连接固定方法的配合使用。

在流体公用通道4和5，都是具有中间的MEA17与上下两侧的金属极板23的连接结构，为阻止流体通过MEA17与其上下两侧的金属极板23之间的缝隙，向不同的公用通道之间流通、或向电池外界泄露，本发明采用与上述的边缘固定及密封结构相同的技术。

图15表示镶嵌在密封槽中的弹性外密封外胶线16，预制的弹性密封胶条边侧及密封面具有局部外胶线的点状突起35，对应的金属极板位置具有相应的开孔，即金属极板固定外胶线的凹陷缺口36，两者形成镶嵌结构，使密封胶条固定在金属极板上；或使用涂抹弹性体固化前的流体，经过固化附着在密封槽中，密封槽具有底面和或者侧面的适当的泄露点(即金属极板固定外胶线的凹陷缺口36)，使密封胶条(即形成的外胶线的点状突起35)流体原料泄露少量固化后固定在金属极板上。

以上的实施例说明是本设计的特例，而非唯一可用实施例，依据本发明所列技术实施方式做其它的特定形式实例，仍然属于本发明的保护范围之内。

本发明将该燃料电池极板与MEA、密封结构封装在一起，并组合装配定位槽和巡检插槽，形成燃料电池单元。该结构形成电堆组装时发电元件的唯一单元组件，减少电堆组装的零件数量，能够提高电堆的组装速度和尺寸稳定性，并且减少MEA在组装和更换时的损坏，有利于提高电池的性能，适合极板和电堆组装的机械化生产。

Claims (6)

1.一种燃料电池单元结构，其特征在于：包括二片带有流场的模压金属极板(23)及它们内侧封装的膜电极组件；

所述二片金属极板(23)由膜电极组件及其边缘聚合物薄片(17)分隔开来，在每片金属极板(23)上与膜电极MEA的对应处设置有燃料或氧化剂流体的流场，在流场的流道(9)上端和下端设置有流场流体分配槽(8)，金属极板及膜电极组件上相对应位置上均开设有燃料公用通道(2)、氧化剂公用通道(5)与冷却剂公用通道(4)，在每片金属极板与膜电极组件之间，在金属极板上的膜电极组件、燃料公用通道(2)、氧化剂公用通道(5)及冷却剂公用通道(4)周围均设置有内胶线槽(12)，内胶线槽(12)内填充有密封内胶线(15)，或沿内胶线槽填充有密封黏合剂，或在内胶线槽中灌注密封胶固化黏结金属极板与膜电极组件；在燃料公用通道(2)或氧化剂公用通道(5)与流道(9)间设置有搭接向各自流场连通的桥(10)，桥(10)内设有瓦楞状加强结构，此处金属极板与电极之间没有密封结构，内胶线(15)上的对应位置设置有燃料或氧化剂桥缺口(32)；

在所述金属极板设置有电池单元定位槽(7)，相邻金属极板上的单元定位槽(7)与桥(10)的瓦楞状加强结构相卡接配合。

2.根据权利要求1所述燃料电池单元结构，其特征在于：冷却剂的流场在单元结构的外侧，金属极板上设置有金属极板水桥缺口(30)，金属极板水桥缺口(30)内设置有瓦楞状加强结构，对应的在内胶线(15)上设置有内胶线水桥缺口(31)，冷却剂公用通道(4)通过内胶线水桥缺口(31)和金属极板水桥缺口(30)与金属极板外侧相连通。

3.根据权利要求1所述燃料电池单元结构，其特征在于：所述金属极板端头设有一体的电池电位巡检插槽(1)，用于检测控制。

4.根据权利要求1所述燃料电池单元结构，其特征在于：所述燃料电池单元结构边缘紧固密封方式为，

a.在边缘，一侧金属极板向另一侧折弯，MEA的聚合物薄片(17)随之弯曲并隔离弯曲后的金属极板；其为同向折弯或分段交替改变折弯方向；

或b.在金属极板的边缘设置止退突起(21)，在止退突起(21)上套设弹性夹条(20)对电池单元结构进行固定；

或c.将突出于金属极板边缘的MEA的聚合物薄片(17)热融化，使之收缩成电池边缘热融收缩体(19)封盖其两侧的金属极板；

或d.在所述金属极板(23)和膜电极组件上穿插绝缘的铆接物(22)，使金属极板(23)和膜电极组件固定为一体；

或e.在金属极板的边缘上注塑固化有注塑封边(18)，封闭金属极板边缘；

或f.上述a-e任何二种或二种以上结构的组合。

5.一种权利要求1所述燃料电池单元结构的电堆组装，其特征在于：所述燃料电池单元结构组装电堆时，相邻两单元电池使用金属极板上模压形成的突起和凹陷定位，即采用权利要求1所述单元定位槽(7)和桥(10)内设有的瓦楞状加强结构相互卡接定位；

在燃料电池单元结构的每片金属极板外侧壁，金属极板四周边缘处、燃料公用通道(2)周围及氧化剂公用通道(5)周围均设置有外胶线槽(3)，外胶线槽(3)内填充有弹性密封外胶线(16)，或沿外胶线槽填充有密封黏合剂，或在外胶线槽(3)中灌注密封胶固化黏结金属极板。

6.按照权利要求5所述燃料电池单元结构的电堆组装，其特征在于：所述弹性密封外胶线(16)边侧或密封面具有局部点状突起(35)，对应的金属极板位置具有相应的凹陷开孔(36)，两者形成镶嵌结构，使密封胶条固定在金属极板上；

所述金属极板的外胶线槽的底面或者侧面设置有凹陷开孔(36)，外胶线槽内填充密封黏合剂或灌注密封胶，密封黏合剂或密封胶固化前为流体，流体经过固化附着在密封槽中，且有少量从凹陷开孔(36)泄露到金属极板的另一侧，固化后固定在金属极板上。

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