CN101533915A - 一种电化学电池的膜电极和电流收集板组件以及电化学电池模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电化学电池的膜电极和电流收集板组件，包括一层膜，一侧气体扩散层，一侧的多孔的电流收集板，并依次叠合；一侧气体扩散层位于一侧的多孔电流收集板及膜中间；一侧气体扩散层的周边侧面，被密封材料所填充，固化。本发明还公开了一种电化学电池模块，包括至少一个电化学单电池；电化学单电池包括一侧带有气体流道的端板，一个所述的组件，另一侧带有气体流道的端板；依次叠合。与现有技术相比，本发明的技术方案简化了结构与装配工艺，从而降低了大批量生产的成本；同时，也提高了膜电极的有效面积利用率；适合用于燃料电池，电解电池，再生式燃料电池，和电化学氧气发生器的生产。

Description

一种电化学电池的膜电极和电流收集板组件以及电化学电池模块
技术领域
本发明涉及电化学电池领域，尤其涉及一种电化学电池的膜电极和电流收集板组件以及电化学电池模块。
背景技术
国际专利的中国案99808103.5，公开了一种由双极板和聚合物电解质膜燃料的膜电极单元组成的气密组件。双极板和膜电极单元用可固化聚合物粘合。通过在气室外围和内部气体导管周围涂覆粘合珠粒得到气密组件。根据本发明这些组件可叠置并粘合在一起以形成聚合物电解质燃料电池堆。
上述技术方案，相对于其之前的技术，有一定的进步。但是由于双极板除了起到引出电压电流的作用以外，还兼起到了构造密封气室的作用。因此要求双极板的材料不仅具有良好的导电性，而且具有良好的气密性。同时，其结构还要求有内部气体导管，这也具有一定的复杂性，并且降低了膜电极的有效面积利用率。另外，为了提高电池性能，往往有必要在双极板上设置流场，这就要求双极板还具有易加工性，进一步提高了对所述双极板的要求。
中国专利申请200610029938.1，公开了一种嵌入式小型发电电池的密封结构。该小型发电电池包括氢侧端板、二片金属导电钛网、二片扩散层、质子交换膜电极、氧侧端板、红、黑插座和四颗不锈钢螺钉、四个螺母，所述的小型发电电池的端板一块为凹槽形状、一块为凸台形状，钛金属网用导电插座预先拧在端板上，该导电插座包括红、黑两电源插座，分别设置在端板的正反二面。
上述技术方案，相对于其之前的技术，有一定的进步。但是其结构及装配工艺较为复杂，制造成本仍然较大。
发明内容
为了克服上述背景技术中中国案99808103.5中对双极板要求较高，膜电极的有效面积利用率较低的缺点；同时克服上述背景技术中中国申请200610029938.1中结构及装配工艺较为复杂，制造成本仍然较高的缺点，本发明提供了一种电化学电池的膜电极和电流收集板组件以及电化学电池模块。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
一种膜电极和电流收集板的组件，包括：一层膜，至少一层一侧气体扩散层，一层一侧的多孔的电流收集板，并依次叠合，并且：所述的膜有反应区域和非反应区域，所述的一侧的多孔电流收集板有反应区域，非反应区域和电引出区域，所述的至少一层一侧气体扩散层位于所述一侧的多孔电流收集板及所述膜中间，其面积与所述一侧的多孔电流收集板及所述膜的反应区域相对应；所述的至少一层一侧气体扩散层的周边侧面，与所述一侧的多孔电流收集板及所述膜的非反应区域相对应的空间，被密封材料所填充，固化。
进一步的方案是：还包括至少一层另一侧气体扩散层，其与所述膜的背向所述一侧气体扩散层的面相贴；还包括一层另一侧多孔的电流收集板，其与所述另一侧气体扩散层相贴；所述的另一侧多孔的电流收集板有反应区域，非反应区域和电引出区域；所述的至少一层另一侧气体扩散层的面积与所述另一侧多孔电流收集板及所述膜的反应区域相对应。所述的至少一层另一侧气体扩散层的周边侧面，与所述另一侧多孔电流收集板及所述膜的非反应区域相对应的空间，被密封材料所填充，固化。
另一种进一步的方案是：还包括一层另一侧多孔的电流收集板，其与所述膜的背向所述一侧气体扩散层的面相贴；所述的另一侧多孔电流收集板和所述膜的非反应区域的贴合部位被密封材料填充、粘结、固化。
再一种进一步的方案是：还包括至少一层另一侧气体扩散层，其与所述膜的背向所述一侧气体扩散层的面相贴；还包括一层另一侧多孔的电流收集板，其与所述另一侧气体扩散层相贴；所述的至少一层另一侧气体扩散层的面积等于所述膜的面积。
所述的密封材料固化后的宽度为0.05-2毫米；所述的密封材料为热塑型塑料，或热固型塑料，或弹性聚合物，优选硅橡胶。
所述的一层膜可以为质子交换膜；所述的一层膜的两侧，可以至少在所述的反应区域内有催化剂层。
所述的各气体扩散层可以是碳纤维纸，或碳纤维布，或透气石墨板，或金属网，或多孔金属板中的至少一种的导电透气材料；所述的各气体扩散层靠近所述的膜的一侧可以涂有催化剂层。
所述的各个多孔的电流收集板，在反应区域为多孔透气，在非反应区域为显著的不透气；所述的各个多孔的电流收集板为耐腐蚀，导电的金属材料。
一种电化学电池模块，包括至少一个电化学单电池。所述的电化学单电池包括一侧带有气体流道的端板，一个所述的膜电极和电流收集板组件，另一侧带有气体流道的端板；所述三者依次叠合。
所述带有气体流道的端板可以为热塑型聚合物，热固型聚合物，弹性聚合物中的至少一种材料。所述的聚合物材料优选为可注射成型的塑料材料。
所述的电化学电池可以为燃料电池，或电解电池，或再生式燃料电池，或电化学氧气发生器。
所述的电化学电池模块，还可以包括一印刷电路板PCB；所述PCB与所述各个多孔电流收集板的电引出区域直接焊接。
所述PCB可以包括对所述电化学电池进行控制的电路，或者发光元件。
本发明的积极进步效果在于：
与现有技术相比，本发明的技术方案将导电性、气密性、易加工性的要求分配给不同的材料来承担，可用塑料材料代替传统的高成本碳或金属材料，并且简化了结构与装配工艺，从而降低了大批量生产的成本；同时，也提高了膜电极的有效面积利用率；适合用于燃料电池，电解电池，再生式燃料电池，和电化学氧气发生器的生产。
附图说明
图1至图4为本发明的组件的第一实施例的示意图。
图5为本发明的组件的第二实施例的示意图。
图6为本发明的组件的第三实施例的示意图。
图7为本发明的组件的第四实施例的示意图。
图8为本发明的电池模块的第一实施例的示意图。
图9为本发明的电池模块的第二实施例的示意图。
具体实施方式
一、组件实施例
实施例1
图1所示为充当一侧多孔电流收集板的金属板1，其中间区域布满微小的通孔，为反应区域101，其无孔的外圈为非反应区域102，其右侧的柄状伸出为电引出区域103，电引出区域的端部为有一通孔，用于电气连接。
图2所示为加上了充当一侧气体扩散层的碳纸2，充当密封材料的胶3的中间产品；碳纸2的面积与金属板1的反应区域101基本对应；胶3的位置与金属板1的非反应区域102基本对应。
图3所示为加上了膜4的所述组件，膜4的中间部分为反应区域401，外圈为非反应区域402。
胶3填充图中所示的空间，固化后产生良好的密封作用；胶3固化后的宽度为1.5mm，压合装配之后，多余的胶3会向周围扩张，可以将多余部分切除。胶3是硅橡胶。
膜4为两侧涂覆了催化剂的质子交换膜。碳纸2的全称为碳纤维纸。
金属板1的表面镀金，具有良好的耐腐蚀性。
实施例2
图5是对例1所示组件的扩充。增加了充当另一侧气体扩散层的碳纸5，充当另一侧多孔电流收集板的金属板6，充当密封材料的胶7。
碳纸5、金属板6、胶7的位置关系，反应区域，非反应区域和电引出区域的分布，与例1中金属板1，膜4与碳纸2的情况相似，附图已经足够清楚，不再针对各区域编号。
实施例3
图6是对例1所示组件的扩充。增加了充当另一侧多孔电流收集板的金属板6，充当密封材料的胶7。由于该组件用于装配电解电池模块，电解电池在运行中具有较高的极化过电压，为了避免电蚀，没有碳纸5，因此胶7很薄，在图中几乎无法看到。其他位置关系与例2相似。
实施例4
图7是对例1所示组件的扩充。增加了充当另一侧气体扩散层的碳纸5，充当另一侧多孔电流收集板的金属板6。由于碳纸5的面积与膜4相同，所以没有胶7。其他位置关系与例2相似。
二、模块实施例
实施例1
图8是一个燃料电池模块，由前述实施例中的组件加上一侧端板8，另一侧端板9，组成单电池。所述的单电池多个堆叠。一侧端板8与另一侧端板9采用PC材料，即聚碳酸酯。
实施例2
图9是一个包括PCB10的燃料电池模块，PCB10与各个单电池的金属板的电引出区域103等直接焊接。PCB10上安装有燃料电池控制电路的元件11，发光二极管12。

Claims (15)

1、一种电化学电池的膜电极和电流收集板组件，包括：一层膜，至少一层一侧气体扩散层，一层一侧的多孔的电流收集板，并依次叠合，其特征在于：
所述的膜有反应区域和非反应区域，所述的一侧的多孔电流收集板有反应区域，非反应区域和电引出区域，所述的至少一层一侧气体扩散层位于所述一侧的多孔电流收集板及所述膜中间，其面积与所述一侧的多孔电流收集板及所述膜的反应区域相对应；
所述的至少一层一侧气体扩散层的周边侧面，与所述一侧的多孔电流收集板及所述膜的非反应区域相对应的空间，被密封材料所填充，固化。
2、如权利要求1所述的电化学电池的膜电极和电流收集板组件，其特征在于：还包括至少一层另一侧气体扩散层，其与所述膜的背向所述一侧气体扩散层的面相贴；还包括一层另一侧多孔的电流收集板，其与所述另一侧气体扩散层相贴；所述的另一侧多孔的电流收集板有反应区域，非反应区域和电引出区域；所述的至少一层另一侧气体扩散层的面积与所述另一侧多孔电流收集板及所述膜的反应区域相对应。所述的至少一层另一侧气体扩散层的周边侧面，与所述另一侧多孔电流收集板及所述膜的非反应区域相对应的空间，被密封材料所填充，固化。
3、如权利要求1所述的电化学电池的膜电极和电流收集板组件，其特征在于：还包括一层另一侧多孔的电流收集板，其与所述膜的背向所述一侧气体扩散层的面相贴；所述的另一侧多孔电流收集板和所述膜的非反应区域的贴合部位被密封材料填充、粘结。
4、如权利要求1所述的电化学电池的膜电极和电流收集板组件，其特征在于：还包括至少一层另一侧气体扩散层，其与所述膜的背向所述一侧气体扩散层的面相贴；还包括一层另一侧多孔的电流收集板，其与所述另一侧气体扩散层相贴；所述的至少一层另一侧气体扩散层的面积等于所述膜的面积。
5、如权利要求1至4中任意一项所述的电化学电池的膜电极和电流收集板组件，其特征在于：所述的密封材料固化后的宽度为0.05-2毫米；所述的密封材料为热塑型塑料，或热固型塑料，或弹性聚合物。
6、如权利要求5所述的电化学电池的膜电极和电流收集板组件，其特征在于：所述的密封材料为弹性聚合物中的硅橡胶。
7、如权利要求1至4中任意一项所述的电化学电池的膜电极和电流收集板组件，其特征在于，具有下述两项特征中的至少一项：所述的一层膜为质子交换膜；所述的一层膜的两侧，至少在所述的反应区域内有催化剂层。
8、如权利要求1至4中任意一项所述的电化学电池的膜电极和电流收集板组件，其特征在于，具有下述两项特征中的至少一项：所述的各气体扩散层是碳纤维纸，或碳纤维布，或透气石墨板，或金属网，或多孔金属板中的至少一种的导电透气材料；所述的各气体扩散层靠近所述的膜的一侧涂有催化剂层。
9、如权利要求1至4中任意一项所述的电化学电池的膜电极和电流收集板组件，其特征在于：所述的各个多孔的电流收集板，在反应区域为多孔透气，在非反应区域为显著的不透气；所述的各个多孔的电流收集板为耐腐蚀，导电的金属材料。
10、一种电化学电池模块，包括至少一个电化学单电池，其特征在于：所述的电化学单电池包括一侧带有气体流道的端板，一个如权利要求1至4中任意一项所述的膜电极和电流收集板组件，另一侧带有气体流道的端板；所述三者依次叠合。
11、如权利要求10所述的电化学电池模块，其特征在于：所述带有气体流道的端板为热塑型聚合物，热固型聚合物，弹性聚合物中的至少一种材料。
12、如权利要求11所述的电化学电池模块，其特征在于：所述的聚合物材料为可注射成型的塑料材料。
13、如权利要求10所述的电化学电池模块，其特征在于：所述的电化学电池为燃料电池，或电解电池，或再生式燃料电池，或电化学氧气发生器。
14、如权利要求10所述的电化学电池模块，其特征在于：还包括一印刷电路板；所述印刷电路板与所述各个多孔电流收集板的电引出区域直接焊接。
15、如权利要求14所述的电化学电池模块，其特征在于：所述印刷电路板包括对所述电化学电池进行控制的电路，或者发光元件。
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