CN112993307A - 用于燃料电池的弹性体电池框架 - Google Patents

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Abstract

根据本公开的实施例的用于燃料电池的弹性体电池框架作为构成燃料电池的单元电池的电池框架，包括：插入件，包括在聚合物电解质膜的一个表面上形成阳极并且在聚合物电解质膜的另一表面上形成阴极的膜电极组件和设置在膜电极组件的两个表面上的一对气体扩散层；以及弹性体框架，被设置成在插入件的外部区域包围插入件的边缘，并且以通过热熔接在与插入件的边缘的界面处接合的板的形式设置，在弹性体框架的宽度方向的边缘沿长度方向形成有用于排出插入件中生成的生成水的排出流路。

Description

用于燃料电池的弹性体电池框架
技术领域
本公开涉及一种用于燃料电池的弹性体电池框架，并且更特别地，涉及一种使生成水顺畅地排出的用于燃料电池的弹性体电池框架。
背景技术
燃料电池是一种通过在堆中进行电化学反应将燃料所具有的化学能转换成电能的发电装置，不仅可以供应工业用、家庭用和车辆用驱动电力，而且还可以用于向诸如便携式装置的小型电子设备供应电力，近年来，燃料电池的使用范围正逐渐向高效清洁能源扩展。
一般的燃料电池的单元电池具有位于最内侧的膜电极组件(MEA)，并且膜电极组件包括能够使氢离子(质子(proton))移动的聚合物电解质膜和涂覆在电解质膜的两个表面上以使氢和氧可以发生反应的催化剂层，即阳极(anode)和阴极(cathode)。
此外，气体扩散层(GDL)层叠在膜电极组件的外部部分，即阳极和阴极所位于的外部部分上，分离板位于气体扩散层的外部部分上，在分离板上形成流路(flow field)以供应燃料并排出反应产生的水。
为了从燃料电池产生期望水平的输出，通过将具有上述配置的多个单元电池串联层叠来构成燃料电池堆。燃料电池堆具有联接到单元电池的最外侧的端板，以支撑并固定多个单元电池。
同时，常规上，为了便于单元电池的气密性保持和层叠工艺，制造并使用了集成膜电极组件和垫圈的膜-电极-垫圈组件(Membrane-Electrode-Gasket Assembly，MEGA)。
此外，近年来，还提出了集成将气体扩散层接合到膜电极组件的插入件和垫圈的集成框架。
然而，常规的集成框架通过使用粘合剂来接合塑料材料的框架和插入件。此外，当通过使用常规的集成框架来制造单元电池时，为了粘合分离板和集成框架，需要单独的粘合构件和密封构件。这样的工艺导致材料成本和制造成本上升。
同时，在燃料电池的情况下，存在以下问题：由于化学反应而生成的生成水积聚在反应区域的外部部分上，从而腐蚀膜电极组件(MEA)。
膜电极组件(MEA)的腐蚀极大地影响了燃料电池的耐久性，是必须防止的重要因素。
通常，为了有效地从燃料电池排出生成水，在许多情况下形成了用于排出水的槽结构。然而，存在以下问题：在通过在膜电极组件(MEA)或气体扩散层(GDL)中形成排出生成水的槽或将生成水收集在金属分离板上来排出生成水的方法的情况下，生成水仍然残留在反应区域。
此外，存在以下缺点：在诸如膜电极组件(MEA)和气体扩散层(GDL)的薄层中制造槽结构实际上很难实现，并且当通过成形在金属分离板上制造该结构时，反应区域可能改变。
作为背景技术解释的前述内容仅旨在帮助理解本公开的背景，而并非旨在表示本公开落入本领域技术人员已知的现有技术的范围内。
发明内容
本公开的目的在于提供一种用于燃料电池的弹性体电池框架，在弹性体框架中形成用于排出生成水的排出流路以使生成水顺畅地排出。
根据本公开的实施例的用于燃料电池的弹性体电池框架作为构成燃料电池的单元电池的电池框架，包括：插入件，包括在聚合物电解质膜的一个表面上形成阳极并且在聚合物电解质膜的另一表面上形成阴极的膜电极组件和设置在膜电极组件的两个表面上的一对气体扩散层；以及弹性体框架，被设置成在插入件的外部区域包围插入件的边缘，并且以通过热熔接在与插入件的边缘的界面处接合的板的形式设置，在弹性体框架的宽度方向的边缘沿长度方向形成有用于排出插入件中生成的生成水的排出流路。
弹性体框架的中央区域形成有通孔，插入件的边缘安置并设置在通孔中，以通孔为基准在长度方向上的一侧形成有反应气体和冷却剂流入和流出的多个第一歧管通孔，并且在长度方向上的另一侧形成有反应气体和冷却剂流入和流出的多个第二歧管通孔，在弹性体框架的两个表面，在第一歧管通孔和通孔之间形成有反应气体流入和流出同时扩散的第一扩散部，并且在通孔和第二歧管通孔之间形成有反应气体流入和流出同时扩散的第二扩散部，并且排出流路形成为与通孔区分开，以使第一扩散部和第二扩散部直接连通。
排出流路分别形成在弹性体框架的两个表面上彼此对应的位置。
排出流路分为形成在弹性体框架的两个表面中设置有阳极的一个表面上的阳极侧排出流路和形成在弹性体框架的两个表面中设置有阴极的另一表面上的阴极侧排出流路，并且阳极侧排出流路和阴极侧排出流路具有彼此不同的结构。
阳极侧排出流路分为主排出流路和分支排出流路，主排出流路用于直接连通形成在弹性体框架的两个表面中设置有阳极的一个表面上的阳极侧第一扩散部和阳极侧第二扩散部，分支排出流路沿长度方向以预定间隔隔开而从主排出流路分支到通孔。
主排出流路和分支排出流路不直接接触一对气体扩散层中与阳极接触的阳极侧气体扩散层。
主排出流路形成为以反应气体的流动方向为基准排出反应气体的出口侧端部的宽度逐渐变宽的扩散器的形状。
主排出流路形成为以反应气体的流动方向为基准主排出流路的深度朝向排出反应气体的出口侧逐渐变深的形状。
阴极侧排出流路形成为直接连通形成在弹性体框架的两个表面中设置有阴极的另一表面上的阴极侧第一扩散部和阴极侧第二扩散部。
阴极侧排出流路直接接触一对气体扩散层中与阴极接触的阴极侧气体扩散层。
阴极侧排出流路形成为以反应气体的流动方向为基准排出反应气体的出口侧端部的宽度逐渐变宽的扩散器的形状。
阴极侧排出流路形成为以反应气体的流动方向为基准阴极侧排出流路的深度朝向排出反应气体的出口侧逐渐变深的形状。
本公开的实施例具有以下效果。
第一，可以通过使在反应区域中生成的生成水流向反应区域以外的区域来防止MEA的腐蚀。
第二，通过在弹性体框架上形成用于排出生成水的结构，不需要在金属分离板中单独形成用于排出生成水的附加结构。
第三，由于不需要金属分离板的附加的结构改变，因此可以最大程度地保持反应区域。
第四，由于在弹性体框架中形成了用于排出生成水的排出流路，因此即使利用注塑模具的简单的结构改变，也可以容易地实现排出流路。
附图说明
从以下结合附图的详细描述中，将更清楚地理解本公开的上述和其它目的、特征和其它优点，其中：
图1是示出弹性体电池框架的配置的示图。
图2A是示出根据本公开的实施例的弹性体框架的阳极侧表面的示图。
图2B是示出根据本公开的实施例的弹性体框架的阴极侧表面的示图。
图3A是示出根据本公开的实施例的沿图2A的线A-A′截取的截面图的示图。
图3B是示出根据本公开的实施例的沿图2A的线B-B′截取的截面图的示图。
图4A是示出根据本公开的实施例的生成水在弹性体框架中流动的形式的示图。
图4B是示出根据本公开的实施例的生成水在弹性体框架中流动的形式的另一示图。
具体实施方式
下文中，将参照附图更详细地描述本公开的实施例。然而，本公开不限于以下公开的实施例，而是将以各种不同的形式来实现，并且实施例仅旨在使本公开的公开完全，提供实施例以向本领域技术人员充分告知本公开的范围。在附图中，相同的附图标记指代相同的元件。
首先，为了解释本公开，将描述应用弹性体电池框架的单元电池。
图1是示出弹性体电池框架的配置的示图。
如图1所示，弹性体电池框架包括：插入件，膜电极组件10和设置在膜电极组件10的两个表面上的一对气体扩散层20彼此接合；以及弹性体框架40，通过热熔接而一体地形成在插入件的外部区域。此外，一对分离板30a、30b位于与膜电极组件10和一对气体扩散层20一体地形成的弹性体框架40的两个表面上，分离板30a、30b中形成有流路以供应反应气体并排出反应产生的生成水。
插入件是膜电极组件10和一对气体扩散层20层叠的组件，并且优选地，气体扩散层20分别设置并层叠在膜电极组件10的一个表面和另一表面上。此时，膜电极组件10包括能够使氢离子(质子(proton))移动的聚合物电解质膜11和涂覆在电解质膜的两个表面上以使氢和氧发生反应的催化剂层，即阳极12和阴极13。
弹性体框架40是为了便于插入件的气密性保持和层叠工艺而一体地形成在插入件的外部区域的装置，并且弹性体框架40由热塑性弹性体(Thermo Plastic Elastomer，TPE)形成，以在没有单独的粘合构件的情况下，通过热熔接而接合，同时保持预定形状。
此时，热塑性弹性体(TPE)可以由树脂基硬链段(resin-based hard segment)和橡胶基软链段(rubber-based soft segment)形成。因此，树脂基硬链段有助于弹性体框架40的热熔接，橡胶基软链段有助于弹性和形状保持。
因此，可以应用苯乙烯基(styrene-based)、烯烃基(olefin-based)、氨基甲酸酯基(urethane-based)、酰胺基(amide-based)、聚酯基(polyester-based)等作为热塑性弹性体(TPE)，并且优选地，可以应用聚烯烃基(polyolefin-based)热塑性弹性体(TPE)。然后，树脂基硬链段可以由诸如聚乙烯(polyethylene，PE)或聚丙烯(polypropylene，PP)的聚烯烃树脂形成，橡胶基软链段可以由诸如乙烯丙烯二烯单体(Ethylene PropyleneDiene Monomer，EPDM)橡胶的烯烃基橡胶形成。
同时，弹性体框架40被设置成在插入件的外部区域包围插入件的边缘的两个表面中的任何一个表面和侧表面，并且在与暴露于插入件的边缘的两个表面中的任何一个表面和侧表面的膜电极组件10和气体扩散层20的界面处热熔接而一体地形成。在此，插入件的“外部区域”表示包括插入件的边缘区域和插入件周围的空间的区域，插入件的“边缘”表示插入件的边缘区域。
弹性体框架40被设置成面向插入件的边缘的一个表面和侧表面同时包围插入件的外部区域。特别地，弹性体框架40可以延伸与插入件的界面，以与插入件气密粘合。
例如，弹性体框架40形成有插入件通孔41，插入件设置在插入件通孔41中，插入件通孔41的内周面形成有包围插入件的一个表面和侧表面的台阶部44。
因此，在插入件和弹性体框架40之间的界面分别形成有通过热熔接的熔接部，从而彼此牢固地接合并一体化。
此外，弹性体框架40形成有入口歧管通孔42和出口歧管通孔43，入口歧管通孔42和出口歧管通孔43用于形成歧管，以使反应气体和冷却剂流入由插入件，即，膜电极组件10和气体扩散层20形成的反应区域以及使反应气体和冷却剂从由插入件，即，膜电极组件10和气体扩散层20形成的反应区域排出。
同时，分离板30a、30b通常以重复形成用作金属支撑件的平台(land)和用作流体流动路径的通道(流路)的结构来制造。
下文中，将参照附图更详细地描述根据本公开的实施例的弹性体电池框架。
图2A是示出根据本公开的实施例的弹性体框架的阳极侧表面的示图，图2B是示出根据本公开的实施例的弹性体框架的阴极侧表面的示图，图3A和图3B是示出根据本公开的实施例的弹性体框架的主要部分的截面图的示图。此时，图3A示出了沿图2A的线A-A′截取的截面，图3B示出了沿图2A的线B-B′截取的截面。
如图所示，如参照图1描述的弹性体电池框架，根据本公开的实施例的弹性体电池框架包括：插入件，在聚合物电解质膜11的一个表面上形成阳极12并且在聚合物电解质膜11的另一表面上形成阴极13的膜电极组件10和设置在膜电极组件10的两个表面上的一对气体扩散层20a、20b彼此接合；以及弹性体框架100，被设置成在插入件的外部区域包围插入件的边缘，并且以通过热熔接在与插入件的边缘的界面处接合的板的形式设置。
由于插入件的配置与构成参照图1描述的弹性体电池框架的插入件的配置相同，因此将省略重复的描述。
同样地，由于弹性体框架100的配置也类似于构成参照图1描述的弹性体电池框架的弹性体框架40的配置，因此将省略重复的描述。
弹性体框架100的中央区域形成有插入件通孔101，插入件的边缘安置并设置在插入件通孔101中。此外，以插入件通孔101为基准在长度方向上的一侧形成有反应气体和冷却剂流入和流出的多个第一歧管通孔110，并且在长度方向上的另一侧形成有反应气体和冷却剂流入和流出的多个第二歧管通孔120。
在此，弹性体框架100的长度方向表示反应气体和冷却剂在弹性体框架中流动的方向，稍后将描述的弹性体框架100的宽度方向表示与弹性体框架100的长度方向垂直的方向。在图2A和图2B中，长度方向表示“y”方向，宽度方向表示“x”方向。
此外，在弹性体框架100的两个表面，在第一歧管通孔110和插入件通孔101之间形成有反应气体流入和流出同时扩散的第一扩散部102a、102b，并且在插入件通孔101和第二歧管通孔120之间形成有反应气体流入和流出同时扩散的第二扩散部103a、103b。
同时，在根据本公开的弹性体框架100的宽度方向的边缘沿长度方向形成有用于排出插入件中生成的生成水的排出流路130、140。
此时，排出流路130、140形成为与插入件通孔101区分开，以使第一扩散部102a、102b和第二扩散部103a、103b直接连通。因此，排出流路130、140直接接收流过第一扩散部102a、102b和第二扩散部103a、103b的反应气体的压力，以使生成水在排出流路顺畅地流动。
同时，弹性体框架100在设置有阳极12的一个表面和设置有阴极13的另一表面的结构上有所不同。此外，阳极12和阴极13中生成的生成水的量和流量也有所不同。
因此，形成在弹性体框架100的两个表面上的排出流路130、140分为形成在弹性体框架100的两个表面中设置有阳极12的一个表面上的阳极侧排出流路130和形成在弹性体框架100的两个表面中设置有阴极13的另一表面上的阴极侧排出流路140。此外，优选地，阳极侧排出流路130和阴极侧排出流路140可以以彼此不同的结构形成。
然而，由于生成水受重力的影响较大，因此形成在弹性体框架100的两个表面上的排出流路130、140，即，阳极侧排出流路130和阴极侧排出流路140分别形成在弹性体框架100的两个表面上彼此对应的位置。优选地，当弹性体框架100被安装以构成燃料电池的单元电池时，有利的是以重力方向为基准在下部方向上的宽度方向上的边缘形成排出流路130、140。
下文中，将单独描述弹性体框架100的两个表面。
首先，将描述弹性体框架100的两个表面中设置有阳极12的一个表面。
如图2A所示，在弹性体框架100的一个表面，在第一歧管通孔110和插入件通孔101之间形成有反应气体流入和流出同时扩散的阳极侧第一扩散部102a，并且在插入件通孔101和第二歧管通孔120之间形成有反应气体流入和流出同时扩散的阳极侧第二扩散部103a。
因此，阳极侧排出流路130形成为将阳极侧第一扩散部102a和阳极侧第二扩散部103a连接。
此时，阳极侧排出流路130分为主排出流路131和分支排出流路132，主排出流路131用于直接连通阳极侧第一扩散部102a和阳极侧第二扩散部103a，分支排出流路132沿长度方向以预定间隔隔开而从主排出流路131分支到插入件通孔101。
同时，分支排出流路132是用于使在阳极侧反应区域101a中生成的生成水容易地排出到主排出流路131的流路。为此，分支排出流路132优选形成为与设置有插入件的插入件通孔101连通。
此外，如图2A所示，主排出流路131优选形成为以反应气体的流动方向为基准排出反应气体的出口侧端部的宽度逐渐变宽的扩散器的形状。因此，可以提高生成水的排出效率。
此外，尽管在附图中未示出，但是主排出流路131可以形成为以反应气体的流动方向为基准主排出流路131的深度朝向排出反应气体的出口侧逐渐变深的形状。因此，可以进一步提高生成水的排出效率。
接下来，将描述弹性体框架100的两个表面中设置有阴极13的另一表面。
如图2B所示，在弹性体框架100的另一表面，在第一歧管通孔110和插入件通孔101之间形成有反应气体流入和流出同时扩散的阴极侧第一扩散部102b，并且在插入件通孔101和第二歧管通孔120之间形成有反应气体流入和流出同时扩散的阴极侧第二扩散部103b。
因此，阴极侧排出流路140是用于使在阴极侧反应区域101b中生成的生成水容易地排出到外部的流路，并且形成为将阴极侧第一扩散部102b和阴极侧第二扩散部103b连接。
然而，阴极侧排出流路140形成为直接接触阴极侧气体扩散层20b。因此，阴极13中生成的生成水流入阴极侧气体扩散层20b后直接流入阴极侧排出流路140以顺畅地排出。
此外，如图2B所示，阴极侧排出流路140优选形成为以反应气体的流动方向为基准排出反应气体的出口侧端部的宽度逐渐变宽的扩散器的形状。因此，可以提高生成水的排出效率。
此外，尽管在附图中未示出，但是阴极侧排出流路140可以形成为以反应气体的流动方向为基准阴极侧排出流路140的深度朝向排出反应气体的出口侧逐渐变深的形状。因此，可以进一步提高生成水的排出效率。
接下来，将参照附图描述生成水在弹性体框架中流动的形式。
图4A和图4B是示出根据本公开的实施例的生成水在弹性体框架中流动的形式的示图。
首先，如图4A所示，阴极13中生成的生成水直接接触阴极侧气体扩散层20b。因此，阴极13中生成的生成水流入阴极侧气体扩散层20b后直接流入阴极侧排出流路140以顺畅地排出。
此时，由于阴极侧分离板30b的端部以安装到弹性体框架100的边缘的形式设置，因此阴极侧分离板30b的端部区域应力可以被弹性体框架100吸收，从而防止聚合物电解质膜11损坏。
接下来，如图4B所示，阳极12中生成的生成水通过分支排出流路132流入主排出流路131后通过主排出流路131的两端之间的压差使生成水朝向出口移动。
尽管已经参照附图和上述优选实施例描述了本公开，但是本公开不限于此，而是由描述的权利要求书限定。因此，在不脱离描述的权利要求书的技术思想的情况下，本领域技术人员可以对本公开进行各种改变和修改。

Claims (12)

1.一种用于燃料电池的弹性体电池框架，其作为构成所述燃料电池的单元电池的电池框架，包括：
插入件，包括在聚合物电解质膜的一个表面上形成阳极并且在聚合物电解质膜的另一表面上形成阴极的膜电极组件和设置在所述膜电极组件的两个表面上的一对气体扩散层；以及
弹性体框架，被设置成在所述插入件的外部区域包围所述插入件的边缘，并且以通过热熔接在与所述插入件的边缘的界面处接合的板的形式设置，在所述弹性体框架的宽度方向的边缘沿长度方向形成有用于排出所述插入件中生成的生成水的排出流路。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的弹性体电池框架，其中，
所述弹性体框架的中央区域形成有通孔，所述插入件的边缘安置并设置在所述通孔中，以所述通孔为基准在所述长度方向上的一侧形成有反应气体和冷却剂流入和流出的多个第一歧管通孔，并且在所述长度方向上的另一侧形成有所述反应气体和所述冷却剂流入和流出的多个第二歧管通孔，
在所述弹性体框架的两个表面，在所述第一歧管通孔和所述通孔之间形成有所述反应气体流入和流出同时扩散的第一扩散部，并且在所述通孔和所述第二歧管通孔之间形成有所述反应气体流入和流出同时扩散的第二扩散部，并且
所述排出流路形成为与所述通孔区分开，以使所述第一扩散部和所述第二扩散部直接连通。
3.根据权利要求2所述的用于燃料电池的弹性体电池框架，其中，
所述排出流路分别形成在所述弹性体框架的两个表面上彼此对应的位置。
4.根据权利要求3所述的用于燃料电池的弹性体电池框架，其中，
所述排出流路分为形成在所述弹性体框架的两个表面中设置有阳极的一个表面上的阳极侧排出流路和形成在所述弹性体框架的两个表面中设置有阴极的另一表面上的阴极侧排出流路，并且
所述阳极侧排出流路和所述阴极侧排出流路具有彼此不同的结构。
5.根据权利要求4所述的用于燃料电池的弹性体电池框架，其中，
所述阳极侧排出流路分为主排出流路和分支排出流路，所述主排出流路用于直接连通形成在所述弹性体框架的两个表面中设置有所述阳极的一个表面上的阳极侧第一扩散部和阳极侧第二扩散部，所述分支排出流路沿所述长度方向以预定间隔隔开而从所述主排出流路分支到所述通孔。
6.根据权利要求5所述的用于燃料电池的弹性体电池框架，其中，
所述主排出流路和所述分支排出流路不直接接触所述一对气体扩散层中与所述阳极接触的阳极侧气体扩散层。
7.根据权利要求5所述的用于燃料电池的弹性体电池框架，其中，
所述主排出流路形成为以所述反应气体的流动方向为基准排出所述反应气体的出口侧端部的宽度逐渐变宽的扩散器的形状。
8.根据权利要求5所述的用于燃料电池的弹性体电池框架，其中，
所述主排出流路形成为以所述反应气体的流动方向为基准所述主排出流路的深度朝向排出所述反应气体的出口侧逐渐变深的形状。
9.根据权利要求4所述的用于燃料电池的弹性体电池框架，其中，
所述阴极侧排出流路形成为直接连通形成在所述弹性体框架的两个表面中设置有所述阴极的另一表面上的阴极侧第一扩散部和阴极侧第二扩散部。
10.根据权利要求9所述的用于燃料电池的弹性体电池框架，其中，
所述阴极侧排出流路直接接触所述一对气体扩散层中与所述阴极接触的阴极侧气体扩散层。
11.根据权利要求9所述的用于燃料电池的弹性体电池框架，其中，
所述阴极侧排出流路形成为以所述反应气体的流动方向为基准排出所述反应气体的出口侧端部的宽度逐渐变宽的扩散器的形状。
12.根据权利要求9所述的用于燃料电池的弹性体电池框架，其中，
所述阴极侧排出流路形成为以所述反应气体的流动方向为基准所述阴极侧排出流路的深度朝向排出所述反应气体的出口侧逐渐变深的形状。
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