CN112635784B - 一种嵌合式空冷燃料电池电堆极板和膜电极 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种嵌合式空冷燃料电池电堆极板和膜电极，所述膜电极包括上极板、下极板、定位密封圈、刚性支撑圈和无框膜电极，下极板顶表面的凸起插入在所述上极板底表面上对应的凹槽内，形成容纳空间；定位密封圈设于所述容纳空间内；刚性支撑圈与所述定位密封圈相连，且设于所述容纳空间内，二者共同实现上极板和下极板的完全嵌合，且上极板和下极板间存在间隙，又相互绝缘，形成密封空间；无框膜电极的边缘部分位于所述容纳空间内，被所述定位密封圈固定密封，其余部分均位于所述密封空间。本发明具有更加可靠的密封效果，且无需额外的对位结构。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池电堆技术领域，具体涉及一种嵌合式空冷燃料电池电堆极板和膜电极。
背景技术
目前的燃料电池电堆主流双极板材料为石墨材料和金属材料，其中石墨材料因其加工便捷、电化学抗腐蚀性能优秀而被广泛应用于对电堆体积、重量要求较为宽泛的领域，如大型车辆、工程发电单元等。对于传统石墨双极板，在组装成为电堆过程中需要克服以下几点技术难题：第一，保证两片双极板之间装配入膜电极后的密封性能；第二，保证各个双极板和膜电极之间的对位准确。这两点都将严重影响整个燃料电池电堆的性能和寿命。
传统燃料电池石墨电堆采用在石墨双极板上雕刻沟槽，再在沟槽内部放入密封圈的方法密封电堆，为线密封，密封效果一致性差，偶有出现漏气的情况。同时为了保证密封圈的稳固，会使用粘合剂固定密封圈，装堆过程复杂，拆卸困难。同时需要辅助定位结构，成本高昂。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种嵌合式空冷燃料电池电堆极板和膜电极，具有更加可靠的密封效果，且无需额外的对位结构。
为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
第一方面，本发明提供了一种嵌合式空冷燃料电池电堆极板，包括极板，所述极板的顶表面和底表面均设有空气流道；所述极板顶表面上还设有凸起，其底表面上与各凸起对应的位置处均设有与所述凸起形状相配合的凹槽。
可选地，所述极板的端面设有与各空气流道相连通的出口和进口。
可选地，所述极板顶表面的各空气流道相互连通；所述极板底表面的各空气流道相互连通。
可选地，各空气流道的横截面呈腰型或矩形。
第二方面，本发明提供了一种膜电极，包括：
2片第一方面中任一项所述的嵌合式燃料电池空冷电堆极板，分别称为上极板和下极板，下极板顶表面的凸起插入在所述上极板底表面上对应的凹槽内，形成容纳空间；
定位密封圈，设于所述容纳空间内；
刚性支撑圈，与所述定位密封圈相连，且设于所述容纳空间内，与上极板的底表面贴合，二者共同实现上极板和下极板的完全嵌合，且上极板和下极板间存在间隙，又相互绝缘，形成密封空间；
无框膜电极，其边缘部分位于所述容纳空间内，被所述定位密封圈固定密封，其余部分均位于所述密封空间。
可选地，所述凸起和上设有圆形倒角，所述圆形倒角的半径与定位密封圈截面圆形半径相同。
可选地，所述凹槽上设有圆形倒角，所述圆形倒角的半径与定位密封圈截面圆形半径相同。
可选地，所述下极板的顶表面上存在安装定位密封圈的沟槽，所述沟槽形状为圆弧形、直角形或异形。
可选地，所述上极板和下极板中的一个的空气流道凹陷于极板的表面，另一个的空气流道突出于极板的表面，使得上极板和下极板上位置对应的空气流道能够组装嵌合。
可选地，所述定位密封圈由绝缘材料制成。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的密封圈与上极板和下极板之间完全贴合，整体密封为面密封，而不是传统的线密封，具有更加可靠的密封效果。
本发明的密封圈存在一定的压缩比，上极板和下极板在一定的压力下做到完全嵌合，不需要额外的对位结构。
本发明的密封圈与上极板底表面接触处有刚性支撑圈，保证下端密封圈受压力均匀，不易产生漏气情况。
本发明无需在无框膜电极设计密封圈上的导气孔，条件允许情况下不需要在无框膜电极上加装密封边框，可在燃料电池芯片两侧贴合气体扩散层后就进行装堆操作。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1为本发明一种实施例的嵌合式空冷燃料电池电堆极板的顶表面结构示意图；
图2为本发明一种实施例的嵌合式空冷燃料电池电堆极板的底表面结构示意图；
图3为本发明一种实施例的嵌合式空冷燃料电池电堆极板的顶表面的部分结构示意图；
图4为本发明一种实施例的嵌合式空冷燃料电池电堆极板的底表面的部分结构示意图；
图5为本发明一种实施例的膜电极的爆炸图；
图6为本发明一种实施例的膜电极的剖视截面图；
其中：
1-定位密封圈，2-无框膜电极，3-嵌合式燃料电池空冷电堆极板，4-第一空气流道，5-凸起，6-第二空气流道，7-凹槽，8-刚性支撑圈。
实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
实施例
本发明实施例中提供了一种嵌合式空冷燃料电池电堆极板，如图1-4所示，包括极板，所述极板为立体结构，其顶表面和底表面上均设有空气流道，其中，顶表面的空气流道称为第一空气流道5，底表面的空气流道称为第二空气流道6，所述极板顶表面的各第一空气流道5相互连通；所述极板底表面的各第二空气流道6相互连通；所述极板顶表面上还设有凸起5，其底表面上与各凸起5对应的位置处均设有与所述凸起5形状相配合的凹槽7。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述极板的端面设有与各空气流道相连通的出口（图中未示出）和进口8，用于实现进液。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，各空气流道的横截面呈腰型或矩形，具体可以根据实际需要进行设置，本发明中不做具体的限定。
实施例
本发明实施例中提供了一种膜电极，如图5-6所示，具体包括：
2片实施例1中任一项所述的嵌合式燃料电池空冷电堆极板3，分别称为上极板和下极板，下极板顶表面的凸起5插入在所述上极板底表面上对应的凹槽7内，形成容纳空间；
定位密封圈1，设于所述容纳空间内，用于起定位作用；所述定位密封圈1存在一定的压缩比，上下极板在一定的压力下做到完全嵌合，不需要额外的对位结构；
刚性支撑圈8，与所述定位密封圈1相连，且设于所述容纳空间内，与上极板的底表面贴合，二者共同实现上极板和下极板的完全嵌合，且上极板和下极板间存在间隙，又相互绝缘，形成密封空间；所述刚性支撑圈8用于保证空气流道处下端面的密封性；所述刚性支撑圈8和定位密封圈1同时具有将上下极板有效面积间相互定位的效用；所述刚性支撑圈8还用于保证定位密封圈1受压力均匀，不易产生漏气情况；
无框膜电极2，其边缘部分位于所述容纳空间内，被所述定位密封圈1固定密封，其余部分均位于所述密封空间，形成了面密封结构，并非传统的线密封。所述无边框膜电极上不存在绝缘密封边框或用于导气的孔洞；
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述凸起5和上设有圆形倒角，所述圆形倒角的半径与定位密封圈1截面圆形半径相同；所述凹槽7上设有圆形倒角，所述圆形倒角的半径与定位密封圈1截面圆形半径相同，实现了与定位密封圈1的完全贴合，整体密封为面密封，而不是传统的线密封，具有更加可靠的密封效果。
在本发明实施例的一种具体实施例中，所述下极板的顶表面上存在安装定位密封圈1的沟槽，所述沟槽形状为圆弧形、直角形或异形。
在本发明实施例的一种具体实施例中，所述上极板和下极板中的一个的空气流道凹陷于极板的表面，另一个的空气流道突出于极板的表面，使得上极板和下极板上位置对应的空气流道能够组装嵌合。
在本发明实施例的一种具体实施例中，所述定位密封圈1由绝缘材料制成。
综上所述，本发明实施例中的膜电极的装配过程具体为：
（1）将上极板的正面水平向上，并清扫该正面，将无框膜电极2水平置于上极板底表面的凹槽7内，无边框电池膜电极最大尺寸与上极板底表面凹槽7尺寸相同，所述无框膜电极2使用的膜电极未设置绝缘密封边框，则直接将边缘的CCM置于下电极顶表面的凸起5。
（2）将定位密封圈1嵌套入刚性支撑圈8内，组装时刚性支撑圈8与上极板的底表面接触。
（3）将定位组装好的定位密封圈1嵌合于上极板底表面的凹槽7内，由于定位密封圈11具有一定弹性，因此能够完整包覆于上极板上的凹槽7内。
（4）将上下嵌合式上下极板嵌合，保证无边框电池膜电极的边缘平整且完全压覆于定位密封圈1内，以保证其密封质量。
（5）依次如以上步骤装配剩余的膜电极及上下极板，直至达到电堆要求；
（6）按照电堆要求组装外部固定结构及气路分配结构。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种膜电极，其特征在于，包括：
2片嵌合式燃料电池空冷电堆极板，分别称为上极板和下极板，下极板顶表面的凸起插入在所述上极板底表面上对应的凹槽内，形成容纳空间；2片嵌合式燃料电池空冷电堆极板均包括极板，所述极板的顶表面和底表面均设有空气流道；所述极板顶表面的四周还设有凸起，其底表面上与各凸起对应的位置处均设有与所述凸起形状相配合的凹槽；所述极板的端面设有与各空气流道相连通的出口和进口；
定位密封圈，设于所述容纳空间内且存在一定压缩比；
刚性支撑圈，与所述定位密封圈相连，且设于所述容纳空间内，与上极板的底表面贴合，二者共同实现上极板和下极板的完全嵌合，且上极板和下极板间存在间隙，又相互绝缘，形成密封空间；
无框膜电极，其边缘部分位于所述容纳空间内，被所述定位密封圈固定密封，其余部分均位于所述密封空间。
2.根据权利要求1所述的一种膜电极，其特征在于，所述凸起上设有圆形倒角，所述圆形倒角的半径与定位密封圈截面圆形半径相同。
3.根据权利要求1所述的一种膜电极，其特征在于，所述凹槽上设有圆形倒角，所述圆形倒角的半径与定位密封圈截面圆形半径相同。
4.根据权利要求1所述的一种膜电极，其特征在于，所述下极板的顶表面上存在安装定位密封圈的沟槽，所述沟槽形状为圆弧形、直角形或异形。
5.根据权利要求1所述的一种膜电极，其特征在于，所述上极板和下极板中的一个的空气流道凹陷于极板的表面，另一个的空气流道突出于极板的表面，使得上极板和下极板上位置对应的空气流道能够组装嵌合。
6.根据权利要求1所述的一种膜电极，其特征在于，所述定位密封圈由绝缘材料制成。
7.根据权利要求1所述的一种膜电极，其特征在于：所述极板顶表面的各空气流道相互连通；所述极板底表面的各空气流道相互连通。
8.根据权利要求1所述的一种膜电极，其特征在于：各空气流道的横截面呈腰型或矩形。
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