CN110518268A - 燃料电池及其制作方法和模具 - Google Patents

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王利生
杨其良
王海峰
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Abstract

本发明提供一种燃料电池及其制作方法和模具。该一种燃料电池，包括部分粘接的第一极板和第二极板，所述第一极板和所述第二极板之间夹设有膜电极；所述第一极板包括向所述膜电极凸出的凸流道，所述第二极板包括向远离所述膜电极凸出的凹流道；所述膜电极的一侧面接触所述凸流道，另一侧面接触所述凹流道。采用第一极板、膜电极和第二极板构成一体的结构，省去了传统的密封垫，具有成本低、速度快、精度高、成品率高等优点。

Description

燃料电池及其制作方法和模具
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池及其制作方法和模具。
背景技术
燃料电池电堆是将燃料通过电化学反应直接生成电能的装置，是由一片一片燃料电池单电池堆叠而成。燃料电池的单电池主要包括阳极双极板、阴极双极板、膜电极以及密封件组成。由于燃料电池对于密封性有比较高的需求，在实际组装过程中，成品率比较低，一般的产品寿命较短，耐温性、抗震性比较差等缺点，关键性的影响因素是组成的零部件过多，相互之间的错位、形变都会导致结构损坏或者气体液体泄露。
技术在不断发展成熟，产品向更加集成化方向发展。目前已经有一些燃料电池产品开始使用单元的集成化技术，将阳极双极板、阴极双极板、膜电极和密封垫集成到一起，做成一个牢固的整体。根据各自的产品技术方向以及设计不同，集成的形式也不一样。目前大多数产品是将阳极双极板和阴极双极板粘接或者焊接在一起，或者将密封垫与双极板或者膜电极粘接在一起的形式。当前工艺在组装电堆的过程中，组装零部件较多，对于零部件精度和组装精度要求较高，依赖组装工人的技术水平，产品标准化生产困难。
另外当前的技术，使用点胶或者注塑集成密封垫的工艺形式，生产设备成本较高，对生产环境要求高，生产速度比较慢，次品率也比较高。这些问题严重影响燃料电池的产业化，导致燃料电池成本居高不下。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种燃料电池及其制作方法和模具，能够优化燃料电池结构，便于制作，成本低。
为了解决上述问题，本发明提供一种燃料电池，包括部分粘接的第一极板和第二极板，所述第一极板和所述第二极板之间夹设有膜电极；所述第一极板包括向所述膜电极凸出的凸流道，所述第二极板包括向远离所述膜电极凸出的凹流道；所述膜电极的一侧面接触所述凸流道，另一侧面接触所述凹流道。
优选地，所述膜电极包括依次相互接触的第一气体扩散层、质子交换膜和第二气体扩散层，所述第一气体扩散层的面积大于所述第二气体扩散层的面积，所述质子交换膜的侧面形状和所述第一气体扩散层与所述质子交换膜的接触面形状相同。
优选地，所述质子交换膜的侧面边缘突出其与所述第二气体扩散层的接触面。
优选地，所述第一极板包括第一板体，所述凸流道设在所述第一板体的中央处，所述第二极板包括第二板体，所述凹流道设在所述第二板体的中央处；所述燃料电池还包括密封胶层，所述第一板体经所述密封胶层与所述第二板体粘接。
优选地，所述燃料电池还包括过桥隔片，所述过桥隔片盖合在所述凸流道或所述凹流道的两端所述板体上；在两个所述板体的外围之间填充所述密封胶层时，所述过桥隔片隔开所述密封胶层，引导流体进出所述凸流道或所述凹流道。
优选地，所述过桥隔片为焊接或粘接在所述第一极板或所述第二极板上。
优选地，在所述过桥隔片盖合在所述凸流道或所述凹流道的两端所述板体上时，所述密封胶层充满两个所述板体以及所述膜电极端面所围成的凹槽。
优选地，所述密封胶层采用硅胶、热熔胶、环氧胶和橡胶中一种或多种制成；优选采用硅胶和三元乙丙橡胶。
根据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池的制作方法，包括
极板上制作流道：在第一极板上制作凸流道，以及第二极板上制作凹流道；
制作膜电极：第一气体扩散层、质子交换膜和第二气体扩散层依次叠加设置，其中，所述第一气体扩散层的面积大于所述第二气体扩散层的面积，所述质子交换膜的侧面形状和所述第一气体扩散层与所述质子交换膜的接触面形状相同；
扩展流道：在所述凸流道端头的第一极板上设置第一过桥隔片，在所述凹流道端头的第二极板上设置第二过桥隔片；
灌注密封胶：所述第一极板、所述膜电极和所述第二极板依次叠加，向由所述第一极板和所述第二极板的板体之间以及所述膜电极端面所围成的空腔内灌注密封胶流体；
定型：对所述第一极板、所述膜电极和所述第二极板叠加层进行压合，在所述密封胶能发生固化的条件下进行固化，成型。
根据本发明的再一方面，提供了一种用于制作燃料电池的模具，包括上压合模具和下压合模具，所述下压合模具包括用来摆放该燃料电池的凹槽，所述上压合模具包括与该燃料电池形状一致的向下凹陷，所述凹陷扣合在所述凹槽上，所述凹槽的深度与所述凹陷的高度差与该燃料电池的厚度相同。
本发明提供的一种燃料电池，包括部分粘接的第一极板和第二极板，所述第一极板和所述第二极板之间夹设有膜电极；所述第一极板包括向所述膜电极凸出的凸流道，所述第二极板包括向远离所述膜电极凸出的凹流道；所述膜电极的一侧面接触所述凸流道，另一侧面接触所述凹流道。采用第一极板、膜电极和第二极板构成的一体结构，省去了传统的密封垫，具有成本低、速度快、精度高、成品率高等优点。
附图说明
图1为本发明实施例的燃料电池的结构示意图；
图2为本发明实施例的燃料电池的压合前的示意图；
图3为本发明实施例的燃料电池的第二极板的示意图；
图4为本发明实施例的燃料电池的拱桥结构的过桥隔片示意图；
图5为本发明实施例的燃料电池的第二极板的装配示意图；
图6为本发明实施例的燃料电池的第一极板的装配示意图；
图7为本发明实施例的燃料电池的立体装配示意图；
图8为本发明实施例的模具的下压合模具的结构示意图；
图9为本发明实施例的模具的上压合模具的结构示意图。
附图标记表示为：
1、第一极板；11、第一板体；12、凸流道；13、平板过桥；2、第二极板；21、第二板体；22、凹流道；23、拱桥隔片；3、膜电极；31、第一气体扩散层；32、质子交换膜；33、第二气体扩散层；4、密封胶层；5、下压合模具；51、凹槽；6、上压合模具。
具体实施方式
结合参见图1至图9所示，根据本发明的实施例，一种燃料电池，包括部分粘接的第一极板1和第二极板2，所述第一极板1和所述第二极板2之间夹设有膜电极3；所述第一极板1包括凸流道12，所述第二极板2包括凹流道22；所述膜电极3的一侧面接触所述凸流道12，另一侧面接触所述凹流道22。
本发明将第一极板1和第二极板2夹设膜电极3集成为燃料电池的结构形式，尤其是第一极板1和第二极板2之间直接进行粘接，相对传统带密封垫的电池结构，结构简单，制作成本低。
本发明与中间的膜电极接触的是凸流道12和凹流道22；需要注意的是，两个极板的流道一为凸流道、一为凹流道即可，并不限定阳极或者阴极流道类型。
整个燃料电池的厚度等于膜电极3的厚度、第一极板1和第二极板2的板体厚度以及流道深度的总和，其中可以控制的是两个极板的流道深度方向。考虑到燃料电池的冷却水腔的密封，留出一个流道深度作为冷却水腔密封垫的厚度，把另外一个流道深度和膜电极3的厚度作为粘接胶的厚度，这样可以降低太薄的粘接胶在加工和装配时候的困难。这样设计的基础是粘接胶与水腔密封垫处于一条垂直线上，如果水腔密封与粘接胶的位置不重合，则可以有更多的空间用来设计粘接胶的厚度。这种“非重合”设计会带来结构问题，如果水腔密封垫比粘接胶的面积大，会导致同样的有效面积，单电池整体面积变大，而如果水腔密封垫比粘接胶的面积小，则会导致散热不良。
上述粘接胶起到双层作用，粘接第一极板1和第二极板2，使得夹设膜电极3的两个极板成为一体；同时该粘接胶封装在膜电极3的周围，起到密封作用，避免了使用传统结构中需要的密封垫组件。
上述的膜电极3由第一气体扩散层31、质子交换膜32和第二气体扩散层33依次相互接触构成，第一气体扩散层31的面积大于第二气体扩散层33的面积，质子交换膜32的侧面形状和第一气体扩散层31与所述质子交换膜32的接触面形状相同。优选地，质子交换膜32的边缘突出其与第二气体扩散层33的接触面。
为了更好的固定膜电极3，以及保证第一极板1和第二极板2之间的密封。如果两个气体扩散层的形状完全一致，则与密封胶的接触密封面只有厚度方向，以及少量的横向溢出，密封和固定效果较差。形状差异导致膜电极3形成台阶形状，密封胶与膜电极3的接触面加大至两个气体扩散层的面积差，密封与固定效果更好。同时密封胶4与第一气体扩散层31附着的质子交换膜32以及封边进行粘合，保证了密封性。第二气体扩散层33在该密封方案中可能存在没有完全粘接牢固的情况，该情况并不会导致燃料电池密封、固定以及其他方面的结构问题。需要注意的是，第二气体扩散层33与第一气体扩散层31的面积差应设计的尽可能小，在既保证粘接效果的前提下，尽可能增大膜电极3的有效面积占比。
上述的第一极板1包括第一板体11，第二极板2包括第二板体21，凸流道12或凹流道22设在板体的中央处，如冲压成型；燃料电池还包括密封胶层4，密封胶层4设在第一板体11和第二板体21之间。
燃料电池还包括过桥隔片，过桥隔片盖合在凸流道12或凹流道22两端的板体上，在填充所述密封胶层4时，所述过桥隔片隔开所述密封胶层4，引导流体进出所述凸流道12或所述凹流道22。
为了防止密封胶堵塞第一极板1和第二极板2的进出气口流道，需要增设相应的过桥隔片13，对于凸流道12，直接使用平板式过桥的设计，因为凸流道12本身留出的厚度方向已经留出足够的进气口、出气口空间。凹流道22由于流道处于整体与膜电极3的接触面下面，所以需要设计一个拱桥结构，如图4所示的拱桥隔片23；在入口，使气体可以先有当前膜电极3的平面进入，然后向下进入流道；在出口，从流道中上升进行拱桥形成通道中，然后再排出。优选地，过桥隔片与两个极板为焊接或者粘接组合为一体。优选地，在所述过桥隔片盖合在所述凸流道12或所述凹流道22的两端所述板体上时，所述密封胶层4充满两个所述板体以及所述膜电极3端面所围成的凹槽。
本发明中使用的密封胶加工的厚度为压缩后的膜电极3厚度与凸流道12高度之和。通常这个厚度很小，如果再按照膜电极3的台阶形状和过桥隔片的形状加工，保证密封胶形状的完全贴合，比较困难。对于不太容易成型的胶类型，简化为统一的厚度，可能存在的多余的密封胶通过压合固化的过程排出到单电池外侧。如果本身密封胶是容易成形的类型，也可以按照预期的密封胶形状进行预加工。
密封胶可以选择硅胶、热熔胶、环氧胶、橡胶等材料，需要考虑的是与双极板、膜电极3的粘合效果，未固化前的可塑性、固化条件、固化后的强度、耐腐蚀性、弹性等。固化前的可塑性应控制在一定范围内，如果太软，则有可能向膜电极3内部溢胶，太硬，压合的时候有可能不能够充满整个密封空间。粘合固化条件可能是加热、加湿、或者等待一段时间。应尽量选择粘合强度、耐腐蚀性、弹性比较高的密封胶，根据当前主流密封胶的参数，比较合适的有硅胶和三元乙丙橡胶等。
本发明提供一种燃料电池的制作工艺方法，包括
极板上制作流道：在第一极板1上制作凸流道12，以及第二极板2上制作凹流道22；
制作膜电极3：由第一气体扩散层31、质子交换膜32和第二气体扩散层33依次叠加而成，其中，所述第一气体扩散层31的面积大于所述第二气体扩散层33的面积，所述质子交换膜32的侧面形状和所述第一气体扩散层31与所述质子交换膜32的接触面形状相同；
扩展流道：在所述凸流道12端头的第一极板1上设置第一过桥隔片，在所述凹流道22端头的第二极板2上设置第二过桥隔片；
灌注密封胶：所述第一极板1、所述膜电极3和所述第二极板2依次叠加，向由所述第一极板1和所述第二极板2的板体之间以及所述膜电极3端面所围成的空腔内灌注密封胶流体；
定型：对所述第一极板1、所述膜电极3和所述第二极板2叠加层进行压合，在所述密封胶能发生固化的条件下进行固化，成型。
本发明制作方法的特点有：(1)两个极板上的凹凸流道设计，相对于与中间的膜电极3接触面，第一极板1的流道为凸流道12，第二极板2的流道为凹流道22，需要注意的是，两个极板的流道一为凸流道12、一为凹流道22即可，并不限定阳极或者阴极流道类型；凹凸流道的设计，为密封胶尽量留出足够的空间；(2)膜电极3由中间的质子交换膜32(CCM)和两侧的阳极阴极气体扩散层组成，本制作中两侧的气体扩散层大小不一致，其中第一气体扩散层31的面积整体比第二气体扩散层33的面积略大一些，CCM与第一气体扩散层31形状一致粘合在一起，在安装过程中，第一气体扩散层31的边缘完全覆盖并超出第二气体扩散层33的边缘；为密封胶尽量增大与膜电极3的接触面积；(3)为了防止密封胶堵塞第一极板1和第二极板2的进出气口流道，设置相应的过桥隔片；(4)采用具有流动性的密封胶来密封，进行压合固化，保证制作的单电池尺寸的一致性。
本发明将两个极板和膜电极3粘接集成为燃料电池的形式，该方法与已有的方案相比，具有成本低、速度快、精度高、成品率高等优点。
本发明提供了一种用于制作燃料电池的模具，包括上压合模具和下压合模具，所述下压合模具包括用来摆放该燃料电池的凹槽，所述上压合模具包括与该燃料电池形状一致的凸起，所述凸起扣合在所述凹槽上，所述凹槽的深度与所述凸起的高度差与该燃料电池的厚度相同。
如果直接将两个极板进行密封，第一极板1与第二极板2的位置很有可能产生错位，同时厚度也难以控制。使用比两个极板边缘形状类似的粘接模具，可以保证两个极板的定位。本发明使用上压合模具6、下压合模具5。其中下压合模具5中间的凹槽51用来摆放待密封的单电池，上压合模具6有与单电池形状相似的凸起，用来对下压合模具5进行压合。
下压合模具5的槽深减去上压合模具6的突起高度等于经过计算的燃料电池的压缩后的整体厚度，初始状态单电池的厚度应该大于压缩后的厚度，而小于下压合模具的深度，使用上压合模具板进行压合，当燃料电池的厚度压缩至下压合模具减去上压合模具的深度后，与下压合模具的外边接触，多余的压力就会传递到下压合模具上，燃料电池厚度将不在变化。此密封过程中，密封胶的形状由于压力的作用，发生形状变化，填充满燃料电池的外围密封胶空间。当压合完成后，根据密封胶的固化条件，有可能是加热、加湿、等待足够长的时间以及其他固化条件，将密封胶在压合状态固化。需要注意的是凹流道22由于向外侧凸出，在本发明提供的参考设计中，需要设计一个凹槽用于放置凸出的流道，使槽的底面能够接触密封胶的压合面。
在生产中，需要将燃料电池的各部件摆放到位，包括第一极板1、第二极板2、膜电极3和密封胶，并将整体放入下压合模具的槽内，然后将上压合模具扣在其上进行压合粘接。
本发明通过密封胶的内部流动，填补空隙，密封效果好。相比预制密封垫，粘接密封比压缩密封更加牢固。由于没有放置密封垫的密封槽，可以有更多的空间来做密封或者提升有效面积占比。
本发明不需要专用设备，比如点胶机、注塑机等，实施成本低。
使用本工艺生产的单电池，尺寸一致性好，双极板平整度的偏差被膜电极3以及密封胶冲抵，基本由粘接模具的尺寸决定。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各实施方式可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池，其特征在于，包括部分粘接的第一极板(1)和第二极板(2)，所述第一极板(1)和所述第二极板(2)之间夹设有膜电极(3)；所述第一极板(1)包括向所述膜电极(3)凸出的凸流道(12)，所述第二极板(2)包括向远离所述膜电极(3)凸出的凹流道(22)；所述膜电极(3)的一侧面接触所述凸流道(12)，另一侧面接触所述凹流道(22)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述膜电极(3)包括依次相互接触的第一气体扩散层(31)、质子交换膜(32)和第二气体扩散层(33)，所述第一气体扩散层(31)的面积大于所述第二气体扩散层(33)的面积，所述质子交换膜(32)的侧面形状大小和所述第一气体扩散层(31)与所述质子交换膜(32)的接触面形状大小相同。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述质子交换膜(32)的侧面边缘突出所述质子交换膜(32)与所述第二气体扩散层(33)的接触面。
4.根据权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，所述第一极板(1)包括第一板体(11)，所述凸流道(12)设在所述第一板体(11)的中央处，所述第二极板(2)包括第二板体(21)，所述凹流道(22)设在所述第二板体(21)的中央处；所述燃料电池还包括密封胶层(4)，所述第一板体(11)经所述密封胶层(4)与所述第二板体(21)粘接。
5.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池还包括过桥隔片，所述过桥隔片盖合在所述凸流道(12)或所述凹流道(22)的两端所述板体上；在两个所述板体的外围之间填充所述密封胶层(4)时，所述过桥隔片隔开所述密封胶层(4)，引导流体进出所述凸流道(12)或所述凹流道(22)。
6.根据权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述过桥隔片为焊接或粘接在所述第一极板(1)或所述第二极板(2)上。
7.根据权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，在所述过桥隔片盖合在所述凸流道(12)或所述凹流道(22)的两端所述板体上时，所述密封胶层(4)充满两个所述板体以及所述膜电极(3)端面所围成的凹槽。
8.根据权利要求4-7任一所述的燃料电池，其特征在于，所述密封胶层(4)采用硅胶、热熔胶、环氧胶和橡胶中一种或多种制成；优选采用硅胶和三元乙丙橡胶。
9.一种燃料电池的制作方法，其特征在于，包括
极板上制作流道：在第一极板(1)上制作凸流道(12)，以及第二极板(2)上制作凹流道(22)；
制作膜电极(3)：第一气体扩散层(31)、质子交换膜(32)和第二气体扩散层(33)依次叠加设置，其中，所述第一气体扩散层(31)的面积大于所述第二气体扩散层(33)的面积，所述质子交换膜(32)的侧面形状和所述第一气体扩散层(31)与所述质子交换膜(32)的接触面形状相同；
扩展流道：在所述凸流道(12)端头的第一极板(1)上设置第一过桥隔片，在所述凹流道(22)端头的第二极板(2)上设置第二过桥隔片；
灌注密封胶：所述第一极板(1)、所述膜电极(3)和所述第二极板(2)依次叠加，向由所述第一极板(1)和所述第二极板(2)的板体之间以及所述膜电极(3)端面所围成的空腔内灌注密封胶流体；
定型：对所述第一极板(1)、所述膜电极(3)和所述第二极板(2)叠加层进行压合，在所述密封胶能发生固化的条件下进行固化，成型。
10.一种用于制作燃料电池的模具，其特征在于，包括上压合模具(6)和下压合模具(5)，所述下压合模具(5)包括用来摆放该燃料电池的凹槽(51)，所述上压合模具(6)包括与该燃料电池形状一致的向下凹陷，所述凹陷扣合在所述凹槽(51)上，所述凹槽(51)的深度与所述凹陷的高度差与该燃料电池的厚度相同。
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