CN110323453B - 一种以冲孔金属箔作集电极的燃料电池 - Google Patents

一种以冲孔金属箔作集电极的燃料电池 Download PDF

Info

Publication number
CN110323453B
CN110323453B CN201910529817.0A CN201910529817A CN110323453B CN 110323453 B CN110323453 B CN 110323453B CN 201910529817 A CN201910529817 A CN 201910529817A CN 110323453 B CN110323453 B CN 110323453B
Authority
CN
China
Prior art keywords
collector
metal foil
electrode
fuel cell
punched metal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910529817.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110323453A (zh
Inventor
米新艳
曹婷婷
崔新然
朱雅男
李军泽
王茁
张克金
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
FAW Jiefang Automotive Co Ltd
Original Assignee
FAW Jiefang Automotive Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by FAW Jiefang Automotive Co Ltd filed Critical FAW Jiefang Automotive Co Ltd
Priority to CN201910529817.0A priority Critical patent/CN110323453B/zh
Publication of CN110323453A publication Critical patent/CN110323453A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110323453B publication Critical patent/CN110323453B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605—Porous electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0232—Metals or alloys
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明公开了一种以冲孔金属箔作集电极的燃料电池，属于新能源燃料电池技术领域，包括有限叠加的多个重复单元；所述重复单元依次由导流板Ⅰ、H2扩散层、正极集电极、膜电极、负极集电极、O2扩散层、导流板Ⅱ组成；所述燃料电池的电子传输路线由膜电极直接传输到正极集电极，然后经外电路做功后经负极集电极回到膜电极的反应场。本发明的燃料电池在降低内阻的同时，增加了组件材料的可选范围，降低了整体电池的成本；增加了集电极，集电极的结构及电流输出端连接方式直接影响了电子传输速度和内阻；采用导电性和膜电极贴合度更好的冲孔金属箔作为集电极，极大的改善了新结构电池的组装工艺，降低成本和内阻。

Description

一种以冲孔金属箔作集电极的燃料电池
技术领域
本发明属于新能源燃料电池技术领域，具体涉及一种具有高导电性和高透气性的燃料电池。
背景技术
随着环保和节能减排要求的不断提高，机动车驱动力由传统能源向新能源转变是未来很长一段时间的发展方向，国家制造2025中十大发展方向之一就包括新能源发展战略。新能源包括清洁替代燃料、二次储能电池和燃料电池汽车。二次储能电池由于其理论能量密度的限制、安全问题、充电效率和寿命难以大幅度提高的问题以及回收利用的难度都会影响其在车用动力系统方面的大规模应用。燃料电池作为燃料补充型发电系统，不受体积和质量能量密度的限制，能量利用率能够达到50％以上，能源清洁度整体高于二次储能电池，氢气来源广泛，加氢速度类似于汽油加注，一次加注续驶里程400-700公里，运行寿命长，整体性能非常适宜作为车载动力源使用。目前商业化推广应用最大的障碍是成本问题。含铂催化剂的价格只能随着铂矿藏的逐渐减少而日益高涨，基于碳纤维抄纸结构的气体扩散层由于我国在碳纤维材料方面的基础薄弱，只能依靠进口。金属双极板的基材薄板容易产生翘曲导致电子通过效率降低，增大内阻。目前燃料电池各部件的选材是基于传统的燃料电池结构---电子运输依靠内部的部件通道，即所有部件需要是电子的良导体。因此各部件材质选择要么是电子良导体的金属，要么是接近半导体的碳基材料，材料可选范围小，价格居高不下。
发明内容
基于传统燃料电池结构的上述缺点带来的高成本，本发明从改变电子转移线路出发，提供了一种全新的燃料电池结构，在降低内阻的同时，大大增加了组件材料的可选范围，降低了整体电池的成本，如图1所示。本发明的电池结构中增加了集电极，集电极的结构及电流输出端连接方式直接影响了电子传输速度和内阻。本发明采用金属网柔丝作为集电极，采用焊接式极耳作为电子输出端子，这种结构气体透过率较好，但由于减小了与膜电极的接触面积，因此电子传输阻力较大。本发明采用导电性和膜电极贴合度更好的冲孔金属箔作为集电极，极大的改善了新结构电池的组装工艺，降低成本和内阻。
本发明主要目的在于在保障反应气透气率的前提下尽可能提高集电极与膜电极的接触面积，在电极输出端改变极耳的连接方式，从而综合降低电子传输电阻。
本发明通过如下技术方案实现：
一种以冲孔金属箔作集电极的燃料电池，包括有限叠加的多个重复单元；所述重复单元依次由导流板Ⅰ1、H2扩散层2、正极集电极3、膜电极4、负极集电极5、O2扩散层6、导流板Ⅱ7组成；所述燃料电池的电子传输路线由膜电极4直接传输到正极集电极3，然后经外电路做功后经负极集电极5回到膜电极4的反应场。
进一步地，所述导流板为O2导流板或H2导流板。
进一步地，所述集电极由冲孔式金属箔集电极11、一体式极耳12及绝缘层13组成，所述冲孔式金属箔集电极11呈长方形，所述绝缘层13与冲孔式金属箔集电极11的长边连接，所述一体式极耳12位于绝缘层13端部，所述绝缘层13包覆一体式极耳12的两边，所述一体式极耳12平行于冲孔式金属箔集电极11的短边。
进一步地，所述冲孔式金属箔集电极11的厚度为8μm-25μm，所述一体式极耳12的长度为7mm-13mm。
进一步地，所述冲孔式金属箔集电极11的厚度为10μm-18μm。
进一步地，所述冲孔式金属箔集电极11上均匀分布有通孔，所述通孔的孔径d大小为
Figure BDA0002099374270000021
Figure BDA0002099374270000022
为保证集电极与膜电极具有充分的接触面积以保证反应电子的快速传输，其中，L为冲孔式金属箔集电极的长度，W为冲孔式金属箔集电极的宽度，m为同行的两个孔之间的距离，n为同列的两个孔之间的距离。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1、与双极板预伏金属集电极结构不同的是本发明的燃料电池不需要构建电子的内部传输通道，因此气体扩散层不再需要导电性能，仅具备透气透水性能即可，在材料选择上极大的扩展了范围，可以摈弃进口碳基材料，选用透气性好的丝棉、无纺布、高分子多孔材料等。
2、本发明的导流板仅作为气体导流部件，在材料选择上可以摈弃脆性较大的石墨板和薄板刚度差、不耐腐蚀的金属板囹圄，广泛选择好加工、刚性大、质量轻、成本低的合成材料和天然材料。
3、与第一代的新结构燃料电池在质子膜上伏埋网状柔丝电极相比，以冲孔金属箔做集电极组装工艺更简单、内阻更小。
4、本发明的燃料电池该在空间排列上面更加灵活，可以根据车载的整车布置余量空间进行电池堆的松散摆放，通过引线的串并联实现所需要的电压、电流性能。
附图说明
图1为本发明的一种以冲孔金属箔作集电极的燃料电池的结构示意图；
图2为本发明的一种以冲孔金属箔作集电极的燃料电池的集电极的结构示意图；
图中：导流板Ⅰ1、H2扩散层2、正极集电极3、膜电极4、负极集电极5、O2扩散层6、导流板Ⅱ7、冲孔式金属箔集电极11、一体式极耳12、绝缘层13。
具体实施方式
一种以冲孔金属箔作集电极的燃料电池，包括有限叠加的多个重复单元；所述重复单元依次由导流板Ⅰ1、H2扩散层2、正极集电极3、膜电极4、负极集电极5、O2扩散层6、导流板Ⅱ7组成；所述燃料电池的电子传输路线由膜电极4直接传输到正极集电极3，然后经外电路做功后经负极集电极5回到膜电极4的反应场；所述导流板为O2导流板或H2导流板；所述集电极由冲孔式金属箔集电极11、一体式极耳12及绝缘层13组成，所述冲孔式金属箔集电极11呈长方形，所述绝缘层13与冲孔式金属箔集电极11的长边连接，所述一体式极耳12位于绝缘层13端部，所述绝缘层13包覆一体式极耳12的两边，所述一体式极耳12平行于冲孔式金属箔集电极11的短边。
其中，冲孔式金属箔集电极11的主体尺寸根据膜电极有效尺寸确定。其中长度L等于膜电极封装框与膜电极本体接触线长度。宽度W等于膜电极封装框与膜电极本体接触线宽度。冲孔金属箔的厚度优选8μm-25μm，特别优选10μm-18μm。冲孔金属箔的冲孔制备由冲孔机完成，冲孔直径和排列间距按照考虑透气率和电导率综合的要求，根据试验结果优选冲孔孔径
Figure BDA0002099374270000041
其中为保证集电极与膜电极具有充分的接触面积以保证反应电子的快速传输，其中行列间距(同时等于同方向边距)m、n>d。其中，L为冲孔式金属箔集电极的长度，W为冲孔式金属箔集电极的宽度，m为同行的两个孔之间的距离，n为同列的两个孔之间的距离。一体式极耳2的制备采用专用的冲切刀具与本体一起冲切完成。极耳长度根据电池封装外壳体的尺寸确定，一般长于封装壳体外边缘30mm-50mm，用以连接外电路导线。极耳宽度和位置根据电池堆紧固螺栓或箍带的间距及位置选择，以不影响电堆紧固为宜，为方便连接外电路导线和强度需要，极耳宽度以不小于15mm为适宜。极耳绝缘层3的制备采用厚度不大于80μm的双层热压粘结高分子材料在极耳的两面包覆热压一体制备。每层热压粘结极耳绝缘层的宽度大于极耳宽度每侧各1mm，以保证两侧完全密封的绝缘包覆效果。极耳绝缘层长度根据极耳的长度裁定，优选小于极耳长度7mm-13mm，包覆位置从极耳与冲孔金属箔的交届线向本体延伸2mm-3mm开始至距极耳自由端10mm-15mm。绝缘密封层延伸至集流体本体内是为了加强极耳与集流体本体的连接强度，避免从连接处断裂。
实施例1
选择市售铜箔，厚度为12μm。根据所组装电池堆膜电极的尺寸，采用冲切设备一体裁切成长L＝158mm、宽W＝78mm，极耳长50mm、宽20mm，极耳位于铜箔电极的长边边缘、平行于短边，外侧边距离短边20mm处。裁切极耳绝缘层，将厚度70μm的热压粘结高分子材料裁切成长38mm、宽22mm的密封条，从极耳与集流体的交界线往本体延伸2mm顺极耳长度铺设，上下两层将极耳包覆在中间层，采用热压机先边缘后中间热压密封。设置冲孔参数为m＝n＝3mm，计算得d＝2.8mm。用冲孔机将铜箔按设定参数冲孔后按(O2)H2导流板、H2扩散层、+集电极、膜电极、-集电极、O2扩散层、O2(H2)导流板……的次序组装电堆。采用厚度为20um@1MPa通孔聚氨酯棉作为气体扩散材料，以模压酚醛树脂粉制成0.5mm厚的气体导入流道，重复单元采用密封圈封装成设计为1MPa的短堆，测试结果为峰值功率1.2MPa。成本较传统同功率燃料电池降低49％，内阻较柔丝电极结构降低7％。
实施例2
选择市售铝箔，厚度为10μm。根据所组装电池堆膜电极的尺寸，采用冲切设备一体裁切成长L＝158mm、宽W＝78mm，极耳长50mm、宽20mm，极耳位于铝箔电极的长边边缘、平行于短边，外侧边距离短边20mm处。裁切极耳绝缘层，将厚度70μm的热压粘结高分子材料裁切成长38mm、宽22mm的密封条，从极耳与集流体的交界线往本体延伸2mm顺极耳长度铺设，上下两层将极耳包覆在中间层，采用热压机先边缘后中间热压密封。设置冲孔参数为m＝n＝4mm，计算得d＝3.8mm。用冲孔机将铝箔按设定参数冲孔后按(O2)H2导流板、H2扩散层、+集电极、膜电极、-集电极、O2扩散层、O2(H2)导流板……的次序组装电堆。采用厚度为20um@1MPa通孔聚氨酯棉作为气体扩散材料，以模压酚醛树脂粉制成0.5mm厚的气体导入流道，重复单元采用密封圈封装成设计为1MPa的短堆，测试结果为峰值功率1.1MPa。成本较传统同功率燃料电池降低50％，内阻较柔丝电极结构降低5％。
实施例3
选择市售涂炭银箔，厚度为16μm。根据所组装电池堆膜电极的尺寸，采用冲切设备一体裁切成长L＝158mm、宽W＝78mm，极耳长50mm、宽20mm，极耳位于铝箔电极的长边边缘、平行于短边，外侧边距离短边20mm处。裁切极耳绝缘层，将厚度70μm的热压粘结高分子材料裁切成长38mm、宽22mm的密封条，从极耳与集流体的交界线往本体延伸2mm顺极耳长度铺设，上下两层将极耳包覆在中间层，采用热压机先边缘后中间热压密封。设置冲孔参数为m＝n＝5mm，计算得d＝4.8mm。用冲孔机将涂炭银箔按设定参数冲孔后按(O2)H2导流板、H2扩散层、+集电极、膜电极、-集电极、O2扩散层、O2(H2)导流板……的次序组装电堆。采用厚度为20um@1MPa通孔聚氨酯棉作为气体扩散材料，以模压酚醛树脂粉制成0.5mm厚的气体导入流道，重复单元采用密封圈封装成设计为1MPa的短堆，测试结果为峰值功率1.2MPa。成本较传统同功率燃料电池降低47％，内阻较柔丝电极结构降低8％。

Claims (4)

1.一种以冲孔金属箔作集电极的燃料电池，其特征在于，包括有限叠加的多个重复单元；所述重复单元依次由导流板Ⅰ(1)、H2扩散层(2)、正极集电极(3)、膜电极(4)、负极集电极(5)、O2扩散层(6)、导流板Ⅱ(7)组成；所述燃料电池的电子传输路线由膜电极(4)直接传输到正极集电极(3)，然后经外电路做功后经负极集电极(5)回到膜电极(4)的反应场；
所述正极集电极(3)及负极集电极(5)由冲孔式金属箔集电极(11)、一体式极耳(12)及绝缘层(13)组成，所述冲孔式金属箔集电极(11)呈长方形，所述绝缘层(13)与冲孔式金属箔集电极(11)的长边连接，所述一体式极耳(12)位于绝缘层(13)端部，所述绝缘层(13)包覆一体式极耳(12)的两边，所述一体式极耳(12)平行于冲孔式金属箔集电极(11)的短边；
所述冲孔式金属箔集电极(11)上均匀分布有通孔，所述通孔的孔径d大小为
Figure FDA0003245037900000011
其中，L为冲孔式金属箔集电极的长度，W为冲孔式金属箔集电极的宽度，m为同行的两个孔之间的距离，n为同列的两个孔之间的距离。
2.如权利要求1所述的一种以冲孔金属箔作集电极的燃料电池，其特征在于，所述导流板Ⅰ(1)及导流板Ⅱ(7)为O2导流板或H2导流板。
3.如权利要求1所述的一种以冲孔金属箔作集电极的燃料电池，其特征在于，所述冲孔式金属箔集电极(11)的厚度为8μm-25μm，所述一体式极耳(12)的长度为7mm-13mm。
4.如权利要求1所述的一种以冲孔金属箔作集电极的燃料电池，其特征在于，所述冲孔式金属箔集电极(11)的厚度为10μm-18μm。
CN201910529817.0A 2019-06-19 2019-06-19 一种以冲孔金属箔作集电极的燃料电池 Active CN110323453B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910529817.0A CN110323453B (zh) 2019-06-19 2019-06-19 一种以冲孔金属箔作集电极的燃料电池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910529817.0A CN110323453B (zh) 2019-06-19 2019-06-19 一种以冲孔金属箔作集电极的燃料电池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110323453A CN110323453A (zh) 2019-10-11
CN110323453B true CN110323453B (zh) 2021-12-14

Family

ID=68120950

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910529817.0A Active CN110323453B (zh) 2019-06-19 2019-06-19 一种以冲孔金属箔作集电极的燃料电池

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110323453B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH113719A (ja) * 1997-06-09 1999-01-06 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 溶融炭酸塩型燃料電池
CN100347896C (zh) * 2002-11-20 2007-11-07 许纲 一种燃料电池膜电极及其制造方法
CN101159333A (zh) * 2007-09-28 2008-04-09 哈尔滨工业大学 一种自呼吸式燃料电池膜电极及其制备方法
CN201117712Y (zh) * 2007-11-21 2008-09-17 天津和平安耐高能电池科技有限公司 大容量、高功率、耐低温方形锂-二氧化锰电池正极板
JP2015186923A (ja) * 2015-05-25 2015-10-29 財團法人工業技術研究院Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ 燃料電池および炭素複合構造

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH113719A (ja) * 1997-06-09 1999-01-06 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 溶融炭酸塩型燃料電池
CN100347896C (zh) * 2002-11-20 2007-11-07 许纲 一种燃料电池膜电极及其制造方法
CN101159333A (zh) * 2007-09-28 2008-04-09 哈尔滨工业大学 一种自呼吸式燃料电池膜电极及其制备方法
CN201117712Y (zh) * 2007-11-21 2008-09-17 天津和平安耐高能电池科技有限公司 大容量、高功率、耐低温方形锂-二氧化锰电池正极板
JP2015186923A (ja) * 2015-05-25 2015-10-29 財團法人工業技術研究院Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ 燃料電池および炭素複合構造

Also Published As

Publication number Publication date
CN110323453A (zh) 2019-10-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107305942B (zh) 一种卷绕式负极片以及设有该负极片的电芯及锂浆料电池
CN101022171A (zh) 离子交换膜燃料电池双极板及其应用
CN103633330B (zh) 一种液流电池用复合电极及液流储能电池
CN111029490A (zh) 单体电池及动力电池组
CN209607855U (zh) 一种采用叠层软连接铜母排的燃料电池堆栈连接结构
CN101447583A (zh) 一种燃料电池一体化单元模块及其电堆
CN102447133A (zh) 一种车用锂离子动力电池
CN110323453B (zh) 一种以冲孔金属箔作集电极的燃料电池
CN201060896Y (zh) 一种质子交换膜燃料电池复合膜电极
CN205828568U (zh) 二次电池
CN203871424U (zh) 一种基于单片电解质的固体氧化物燃料电池组
CN202034444U (zh) 锂离子动力电池
CN107482153B (zh) 一种新型箔极耳卷绕电池极组与盖板连接结构
KR20140134466A (ko) 레독스 흐름 전지용 전극 집전체, 레독스 흐름 전지용 전극 집전체의 제조 방법 및 레독스 흐름 전지
CN207368108U (zh) 一种燃料电池堆输出接线结构
CN103956504A (zh) 一种单片电解质固体氧化物燃料电池组
CN102610850B (zh) 锂离子动力电池
CN109802147B (zh) 以膜电极做集电极的燃料电池用气体扩散层及其制备方法
CN111834637B (zh) 一种具有多通道柔性集流体结构降内阻的柔性锂离子电池及其制备方法
CN212848718U (zh) 一种圆柱电池
CN105098218A (zh) 线缆式导流锂离子液流电池反应器
CN202585618U (zh) 一种方形铝壳锂离子电池电芯结构
CN207765561U (zh) 一种卷绕式锂离子电池
CN208315570U (zh) 一种采用异形焊带的太阳能电池片组件
CN206574804U (zh) 一种基于静电吸附的聚合物电解质膜燃料电池

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant