CN102683716B - 双极板膜电极组合体 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了双极板膜电极组合体，该结构用于空冷型燃料电池堆时，阴极侧空气和阳极侧气体完全隔开，气体密封性优异，确保电池的性能，且该结构可以降低堆的重量、提高装堆速度；当该结构用于装配电解空气制氧堆，可以根据氧气流量的要求确定双极板膜电极组合体的片数，从而可保证大流量的供氧需求。其包括双极板、膜电极，所述双极板的一面为阴极极面、另一面为阳极极面，一片所述双极板的阴极极面和另一片所述双极板的阳极极面之间封装有所述膜电极，其特征在于：所述阴极极面的非端部位置开有横向两侧贯穿的空气直道，所述阳极极面端部开有集气凹槽，所述阳极极面设置有气体流道凹槽，所有的所述气体流道凹槽连通所述集气凹槽。
Description
技术领域
本发明涉及空冷型质子交换膜燃料电池的技术领域和电化学制造纯氧的技术领域，具体为双极板膜电极组合体。
背景技术
现有的空冷型燃料电池双极板，其专利号：201020606479.0，授权公告日：2011年06月01日,名称：一种空冷型质子交换膜燃料电池双极板，该专利记载如下：
双极板的一面为阴极极面、另一面为阳极极面，其特征在于：所述阴极极面开有阴极密封槽腔体，所述阴极密封槽腔体包裹空气平行直道，所述空气平行直道通过两侧的进气直槽连通外部空气，所述进气直槽位于所述阴极密封槽腔体厚度方向内侧；所述阳极极面的两端开有通孔，所述阳极极面开有氢气流道，所述阳极极面开有阳极密封槽腔体，所述阳极密封槽腔体将两个通孔、氢气流道分别单独包围，两个所述通孔内侧分别开有导通槽连通所述氢气流道，所述导通槽位于所述阳极密封槽腔体厚度方向内侧。
该结构由于氢气在垂直方向上通过双极板，因此为了防止氢气和空气窜气，必须在阳极密封槽腔体和阴极密封槽腔体内放入橡胶密封件，同时需要较厚的端板和较粗的螺杆，以保证电堆装配时所需的很大的预紧力，从而使橡胶密封件压入密封槽腔体，即使如此，由于橡胶密封件厚度尺寸、密封槽腔体的深度尺寸很难控制，因此该双极板用于装配电堆时十分复杂并耗时，装配后的电堆仍然时常发生窜气，不能保证密封效果，从而影响电池性能。
现有的电解空气制氧组件，其专利申请号：201110261940.2，申请公布日：2012年01月25日,名称：采用粘结剂封装自呼吸式电化学纯氧发生组件，该专利记载如下：
其包括膜电极组件，所述膜电极组件包括阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极气体扩散层，多孔气体端板、膜电极组件、氧气端板依次密封连接，所述多孔气体端板的正中均布有小孔，所述小孔正对着所述阴极气体扩散层，所述氧气端板中部开有氧气通孔，所述氧气通孔连通氧气输出管，所述阳极气体扩散层连接外部直流电源正极，其特征在于：所述膜电极组件与所述多孔气体端板、氧气端板的连接处外缘面分别设置有封装槽，粘结剂分别填装于对应的封装槽内。
由于该结构只含有一片膜电极组件，因此，其产生的纯氧量较少，当需要大流量纯氧时不能满足要求。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了双极板膜电极组合体，该结构用于空冷型燃料电池堆时，阴极侧空气和阳极侧气体完全隔开，气体密封性优异，确保电池的性能，且该结构可以降低堆的重量、提高装堆速度；当该结构用于装配电解空气制氧堆，可以根据氧气流量的要求确定双极板膜电极组合体的片数，从而可保证大流量的供氧需求。
双极板膜电极组合体，其技术方案是这样的：其包括双极板、膜电极，所述双极板的一面为阴极极面、另一面为阳极极面，一片所述双极板的阴极极面和另一片所述双极板的阳极极面之间封装有所述膜电极， 其特征在于：所述阴极极面的非端部位置开有横向两侧贯穿的空气直道，所述阳极极面端部开有集气凹槽，所述阳极极面设置有气体流道凹槽，所有的所述气体流道凹槽连通所述集气凹槽，气管位于所述双极板的外缘厚度平面，所述气管连通所述集气凹槽，封装后的所述双极板的阴极极面贴合所述膜电极的阴极气体扩散层，所述空气直道连通所述阴极气体扩散层的外表面，所述双极板的阳极极面与所述膜电极的阳极气体扩散层外表面接触， 且双极板的阳极极面、膜电极的四周设置有阳极封装槽，粘接剂封装所述阳极封装槽，所述气体流道凹槽连通所述膜电极的阳极气体扩散层的外表面。
其进一步特征在于：封装后的所述膜电极的所述阳极气体扩散层、阳极催化层的四周设置有所述阳极封装槽；
封装后的所述膜电极的所述阳极气体扩散层、阳极催化层的四周设置有内阳极封装槽，接触所述阳极气体扩散层的所述阳极极面的四周设置有外阳极封装槽，所述内阳极封装槽、外阳极封装槽相互连通形成整体的所述阳极封装槽；
所述空气直道均匀布置且相互平行；
所述气体流道凹槽纵向平行均布于所述阳极极面；
所述双极板采用导电材料；
所述膜电极包括阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极气体扩散层，所述质子交换膜具体为氢离子交换膜；
其更进一步特征在于：
当所述双极板膜电极组合体用于空冷型燃料电池堆时，所述阳极极面的两端部分别开有所述集气凹槽，所述集气凹槽分别为进气集气凹槽、出气集气凹槽，所述气管具体为氢气进气管、氢气出气管，所述氢气进气管连通所述进气集气凹槽，所述氢气出气管连通所述出气集气凹槽；
当所述双极板膜电极组合体用于电解空气制氧堆时，所述阳极极面的一端部开有所述集气凹槽，所述集气凹槽具体为氧气集气凹槽，所述气管具体为氧气出气管，所述氧气出气管连通所述氧气集气凹槽。
采用本发明的结构后，双极板和膜电极直接封装为双极板膜电极组合体的结构，同时结合在双极板的外缘厚度平面采用气管独立通气的结构，避免了阳极侧气体在垂直方向上穿过双极板，保证了阳极侧的气体与阴极侧的空气完全隔离、不发生混合；另外，在电堆装配时不再使用密封圈，所以无需使用很大的装配预紧力，从而可以降低电堆端板的厚度以及减小螺杆的直径，因此可以使电堆更轻便，此外，由于将双极板和膜电极粘合成为一个独立的组合体，可以大大提高电堆的装配速度。
当用于空冷型质子交换膜燃料电池堆时，在相邻两片双极板膜电极组合体之间，空气通过一片双极板的阴极极面的空气直道，进入膜电极的阴极侧进行反应；氢气从气管进入阳极极面，在集气凹槽中汇聚后分配至各气体流道凹槽，氢气在该膜电极的阳极侧发生反应，剩余氢气汇聚到另一侧的集气凹槽中，再由该侧的气管排出。
当用于电解空气制氧堆时，在相邻两片双极板膜电极组合体之间，空气通过一片双极板的阴极极面的空气直道，进入膜电极的阴极侧进行反应；纯氧在该膜电极的阳极侧生成后进入双极板的阳极极面的气体流道凹槽，再汇聚于集气凹槽，而后从气管输出。
附图说明
图1为本发明用于空冷型燃料电池堆时，相邻两片双极板膜电极组合体的位置关系和结构示意图；
图2为本发明用于空冷型燃料电池堆时，阴极极面的结构示意图；
图3为本发明用于空冷型燃料电池堆时，阳极极面的结构示意图；
图4为本发明的膜电极结构示意图；
图5为本发明的双极板和膜电极组件的具体封装实施例一的结构示意图；
图6为本发明的双极板和膜电极组件的具体封装实施例二的结构示意图；
图7为本发明用于电解空气制氧堆时，阳极极面的结构示意图。
具体实施方式
双极板膜电极组合体，见图1、图2、图3、图4、图7，其包括双极板2、膜电极3，双极板2的一面为阴极极面4、另一面为阳极极面5，一片双极板2的阴极极面4和另一片双极板2的阳极极面5之间封装有膜电极3， 阴极极面4的非端部位置开有横向两侧贯穿的空气直道6，空气直道6均匀布置且相互平行，
阳极极面5端部开有集气凹槽，阳极极面5设置有气体流道凹槽9，气体流道凹槽9纵向平行均布于阳极极面5，
所有的气体流道凹槽连通集气凹槽，气管位于双极板2的外缘厚度平面，气管连通集气凹槽，封装后的双极板2的阴极极面4贴合膜电极3的阴极气体扩散层16，空气直道6连通阴极气体扩散层16的外表面，双极板2的阳极极面5与膜电极2的阳极气体扩散层12外表面接触， 且双极板2的阳极极面5、膜电极3的四周设置有阳极封装槽17，粘接剂18封装阳极封装槽17，气体流道凹槽连通膜电极3的阳极气体扩散层12的外表面。
双极板2采用导电材料；
膜电极3包括阳极气体扩散层12、阳极催化层13、质子交换膜14、阴极催化层15、阴极气体扩散层16，质子交换膜14具体为氢离子交换膜。
具体实施例一，见图5：封装后的膜电极3的阳极气体扩散层12、阳极催化层13的四周设置有阳极封装槽17，粘接剂18封装阳极封装槽17。
具体实施例二，见图6：
封装后的膜电极的阳极气体扩散层12、阳极催化层13的四周设置有内阳极封装槽19，接触阳极气体扩散层12的阳极极面5的四周设置有外阳极封装槽20，内阳极封装槽19、外阳极封装槽20相互连通形成整体的阳极封装槽17。
当双极板膜电极组合体用于空冷型燃料电池堆时，见图1、图2、图3：阳极极面5的两端部分别开有集气凹槽，集气凹槽分别为进气集气凹槽7、出气集气凹槽8，气管具体为氢气进气管10、氢气出气管11，氢气进气管10连通进气集气凹槽7，氢气出气管11连通出气集气凹槽8。
当双极板膜电极组合体用于电解空气制氧堆时，见图7：阳极极面5的一端部开有集气凹槽，集气凹槽具体为氧气集气凹槽21，气管具体为氧气出气管1，氧气出气管1连通氧气集气凹槽21。
Claims (6)
1.双极板膜电极组合体，其包括双极板、膜电极，所述双极板的一面为阴极极面、另一面为阳极极面，一片所述双极板的阴极极面和另一片所述双极板的阳极极面之间封装有所述膜电极，其特征在于：所述阴极极面的非端部位置开有横向两侧贯穿的空气直道，所述阳极极面端部开有集气凹槽，所述阳极极面设置有气体流道凹槽，所有的所述气体流道凹槽连通所述集气凹槽，气管位于所述双极板的外缘厚度平面，所述气管连通所述集气凹槽，封装后的所述双极板的阴极极面贴合所述膜电极的阴极气体扩散层，所述空气直道连通所述阴极气体扩散层的外表面，所述双极板的阳极极面与所述膜电极的阳极气体扩散层外表面接触， 且双极板的阳极极面、膜电极的四周设置有阳极封装槽，粘接剂封装所述阳极封装槽，所述气体流道凹槽连通所述膜电极的阳极气体扩散层的外表面；
封装后的所述膜电极的所述阳极气体扩散层、阳极催化层的四周设置有所述阳极封装槽；
所述空气直道均匀布置且相互平行；
所述气体流道凹槽纵向平行均布于所述阳极极面。
2.根据权利要求1所述的双极板膜电极组合体，其特征在于：封装后的所述膜电极的所述阳极气体扩散层、阳极催化层的四周设置有内阳极封装槽，接触所述阳极气体扩散层的所述阳极极面的四周设置有外阳极封装槽，所述内阳极封装槽、外阳极封装槽相互连通形成整体的所述阳极封装槽。
3.根据权利要求1所述的双极板膜电极组合体，其特征在于：所述双极板采用导电材料。
4.根据权利要求3所述的双极板膜电极组合体，其特征在于：所述膜电极包括阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极气体扩散层，所述质子交换膜具体为氢离子交换膜。
5.根据权利要求1或2所述的双极板膜电极组合体，其特征在于：当所述双极板膜电极组合体用于空冷型燃料电池堆时，所述阳极极面的两端部分别开有所述集气凹槽，所述集气凹槽分别为进气集气凹槽、出气集气凹槽，所述气管具体为氢气进气管、氢气出气管，所述氢气进气管连通所述进气集气凹槽，所述氢气出气管连通所述出气集气凹槽。
6.根据权利要求1或2所述的双极板膜电极组合体，其特征在于：当所述双极板膜电极组合体用于电解空气制氧堆时，所述阳极极面的一端部开有所述集气凹槽，所述集气凹槽具体为氧气集气凹槽，所述气管具体为氧气出气管，所述氧气出气管连通所述氧气集气凹槽。
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