CN113659168A - 一种质子交换膜单电池及燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池技术领域，公开了一种质子交换膜单电池和燃料电池；质子交换膜单电池包括：压合一体的阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层，阴极和阳极气体扩散层以及阴极内边框、阳极内边框、阴极外边框、阳极外边框、阴极密封圈、阳极密封圈、第一和第二双极板；阴极内边框压合在质子交换膜的第一侧面边部和阴极催化层的边部上，阳极内边框压合在质子交换膜的第二侧面边部和阳极催化层的边部上，阴极外边框和阳极外边框分别对应固定在阴极内边框和阳极内边框上；阴极密封圈和阳极密封圈分别固定在阴极外边框和阳极外边框上，且对应抵靠在第一双极板的沟槽和第二双极板的沟槽内。本发明提供的质子交换膜单电池和燃料电池密封性能优越。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种质子交换膜单电池及燃料电池。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种以氢气为燃料，空气为氧化剂，直接将化学能转换为电能的发电装置。膜电极是质子交换膜燃料电池的重要组件，膜电极的密封结构与电堆密封性能和寿命，以及电堆的可靠性和耐久性息息相关。由于目前电堆密封材料和密封结构设计的缺陷，导致电堆密封的可靠性和耐久性无法满足车规级要求；因此，如何优化电堆密封设计，防止电堆气体外漏，对于保障电堆氢安全具有重要意义。
发明内容
本发明提供一种质子交换膜单电池及燃料电池，解决现有技术中然流电池电堆密封可靠性和耐久性差，电堆气体泄漏风险高的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种质子交换膜单电池，包括：阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层，阴极气体扩散层、阳极气体扩散层、阴极内边框、阳极内边框、阴极外边框、阳极外边框、阴极密封圈、阳极密封圈、第一双极板和第二双极板；
所述阴极气体扩散层、所述阴极催化层、所述质子交换膜、所述阳极催化层以及所述阳极气体扩散层依次叠置压合；
所述阴极内边框压合在所述质子交换膜的第一侧面边部和阴极催化层的边部上，所述阳极内边框压合在所述质子交换膜的第二侧面边部和阳极催化层的边部上，所述阴极外边框和所述阳极外边框分别对应固定在所述阴极内边框和所述阳极内边框上；
所述阴极密封圈的第一密封面固定在所述阴极外边框上，所述阴极密封圈的第二密封面抵靠在所述第一双极板的沟槽内，所述阳极密封圈的第一密封面固定在所述阳极外边框上，所述阳极密封圈的第二密封面抵靠在所述第二双极板的沟槽内。
进一步地，所述质子交换膜的边沿设置在所述阴极密封圈和所述阳极密封圈的中心线的正下方。
进一步地，所述质子交换膜的边沿设置在所述阴极密封圈和所述阳极密封圈的外侧边的正下方。
进一步地，所述质子交换膜的边沿设置在所述阴极密封圈和所述阳极密封圈的内侧边的正下方。
进一步地，所述阴极密封圈的第二密封面和/或所述阳极密封圈的第二密封面上设置有环形的密封凸起。
进一步地，所述密封凸起的截面为半圆形。
进一步地，所述密封凸起的数量为两个。
进一步地，所述阴极密封圈和所述阳极密封圈分别对应注塑成型在所述阴极外边框和所述阳极外边框上。
进一步地，所述阴极密封圈和/或所述阳极密封圈的材料为三元乙丙橡胶或聚烯烃类橡胶或硅橡胶或氟改性硅橡胶中的一种或二种。
一种燃料电池，包括：所述的质子交换膜单电池。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例中提供的质子交换膜单电池及燃料电池，由阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层，阴极气体扩散层、阳极气体扩散层、阴极内边框、阳极内边框、阴极外边框、阳极外边框压合构成膜电极主体结构；并分别在阴极侧和阳极侧设置阴极密封圈和阳极密封圈密封与第一双极板和第二双极板的沟槽之间的缝隙，从而形成可靠的密封结构。通过在封装力的作用下，膜电极-密封件-双极板的受力匹配，达到防止氢空互串，避免电堆气体泄漏，确保燃料电池堆安全可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的质子交换膜单电池的结构示意图；
图2为本发明实施例二提供的质子交换膜单电池的结构示意图；
图3为本发明实施例三提供的质子交换膜单电池的结构示意图；
图4为本发明实施例一提供的质子交换膜单电池的结构的第一阴极密封圈的示意图；
图5为本发明实施例一提供的质子交换膜单电池的结构的第二阴极密封圈的示意图；
图6为本发明实施例一提供的质子交换膜单电池的结构的第三阴极密封圈的示意图；
图7为本发明实施例一提供的质子交换膜单电池的结构的第一阳极密封圈的示意图；
图8为本发明实施例一提供的质子交换膜单电池的结构的第二阳极密封圈的示意图；
图9为本发明实施例一提供的质子交换膜单电池的结构的第三阳极密封圈的示意图；
图10为本发明实施例四提供的质子交换膜单电池的结构示意图；
图11为本发明实施例五提供的质子交换膜单电池的结构示意图；
图12为本发明实施例六提供的质子交换膜单电池的结构示意图；
图13为本发明实施例七提供的质子交换膜单电池的结构示意图；
图14为本发明实施例八提供的质子交换膜单电池的结构示意图；
图15为本发明实施例九提供的质子交换膜单电池的结构示意图；
图16为本发明实施例十提供的质子交换膜单电池的结构示意图；
图17为本发明实施例十一提供的质子交换膜单电池的结构示意图；
图18为本发明实施例一提供的质子交换膜单电池的双极板的结构示意图；
图19为本发明实施例一提供的质子交换膜单电池的双极板-膜电极密封匹配截面的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请实施例中所有方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
下面结合附图并参考具体实施例描述本申请。
本申请实施例通过提供一种质子交换膜单电池及燃料电池，解决现有技术中然流电池电堆密封可靠性和耐久性差，电堆气体泄漏风险高的技术问题。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
实施例一
参见图1，一种质子交换膜单电池，包括：阴极催化层15、质子交换膜30、阳极催化层25，阴极气体扩散层14、阳极气体扩散层24、阴极内边框13、阳极内边框23、阴极外边框11、阳极外边框21、阴极密封圈12、阳极密封圈22、第一双极板和第二双极板。
本实施例中，所述阴极气体扩散层14、所述阴极催化层15、所述质子交换膜30、所述阳极催化层25以及所述阳极气体扩散层24依次叠置压合，构成膜电极的功能结构。
所述阴极内边框13压合在所述质子交换膜30的第一侧面边部和所述阴极催化层15的边部上，所述阳极内边框23压合在所述质子交换膜30的第二侧面边部和阳极催化层25的边部上，所述阴极外边框22和所述阳极外边框21分别对应固定在所述阴极内边框13和所述阳极内边框23上；从而形成膜电极主体结构。
所述阴极密封圈的第一密封面固定在所述阴极外边框上，所述阴极密封圈的第二密封面抵靠在所述第一双极板的沟槽内，所述阳极密封圈的第一密封面固定在所述阳极外边框上，所述阳极密封圈的第二密封面抵靠在所述第二双极板的沟槽内，从而形成膜电极-密封件-双极板的密封结构，在封装力的作用下，实现膜电极-密封件-双极板的受力匹配，达到防止氢空互串，降低电堆气体泄漏风险，提升燃料电池堆安全可靠性。
本实施例中，所述质子交换膜30的边沿设置在所述阴极密封圈12和所述阳极密封圈22的中心线的正下方，从而能够保证所述质子交换膜30的可靠密封，同时能够兼容良好的装配操作和材料成本。
参见图18和图19，在膜电极主体两侧设置分别第一双极板40和第二双极板；并设置阴极密封圈12和阳极密封圈22实现密封。
其中，所述第一双极板40开设有沟槽43和脊背41，且二者相邻设置；阴极密封圈12和阳极密封圈22分别对应接触密封在第一双极板40的沟槽43内和第二双极板的沟槽内。
具体来说，所述沟槽43的宽度范围为4-6mm，所述沟槽43的深度范围为0.3-0.5mm，所述脊背41的宽度为1mm，拔模斜角42的范围为5-15度。
另一方面，本实施例提供的密封件，即所述阴极密封圈12和所述阳极密封圈22的密封材料选型为三元乙丙橡胶或聚烯烃类橡胶或硅橡胶或氟改性硅橡胶中的一种或者两种，邵氏硬度为45-55。
同时，耐温范围为-40～90℃，氢气透过率为小于1×10-14(@25℃)mmol/m2·s，1mm厚透湿度小于4.0×10-2g/m2·h，低温回复力TR75的温度小于等于-40℃，25％永久压缩变形为小于10％，体电阻大于等于1×1012Ω·m。
本实施例中，密封件的密封工艺为注塑工艺，即直接注塑成型在膜电极的所述阴极外边框11和所述样机外边框21上；从而可以减少工艺偏差以及克服工艺对于双极板涂层的破坏，减少电堆开发成本，同时提升模块的可靠和安全性。当然也可以采用点胶工艺。
适配密封件的结构形式，保证密封效果，所述阴极外边框11和所述阳极外边框21的宽度范围为120-150um，次内层宽度为20-50um。
本实施例中，密封件的形态为圆环形垫圈，通过面面密封的方式实现接触密封。具体来说，密封件的截面为类矩形，其宽度范围为2-3mm，高度为0.38-0.6mm，倒圆角为0.2mm。
参见图4和图7，具体来说，所述阴极密封圈12的具体形态为规则的环形垫圈形态的第一阴极密封圈12a；所述阳极密封圈22的具体形态为规则的环形垫圈形态的第一阳极密封圈22a。
且，所述阴极密封圈12的棱边处开设第一倒角121，所述阳极密封圈22的棱边处开设第二倒角221。
或者，可在环形垫圈形态的形态基础上增加环形的一条密封凸起，形成密封线结构，增强密封效果。
参见图5和图8，所述阴极密封圈12的的形态可以是截面为类矩形的和第一阴极密封凸起122的第二阴极密封圈12b；所述阳极密封圈22的形态可以是截面为类矩形和第一阳极密封凸起222的第二阳极密封圈22b。
其中，密封凸起的截面可以是圆形，当然也可以是其他形态的弧形，本实施例不做限制。
或者，参见图6和图9，所述密封凸起的数量为两条，即第二阴极密封凸起123和第二阳极密封凸起223，形成内外两个环形密封线。继而得到，第三阴极密封圈12c和第三阳极密封圈22c。
当然，密封凸起的数量可以是更多个；具体可根据实际需要，灵活设置。因此，可以通过密封凸起形成线密封，配合面密封的不对称设计以纠正膜电极阴极和阳极厚度偏差导致的电堆封装力分布不均匀的问题，可以强化电堆气密性，具备较好的氢电安全。
本实施例中，阳极运行压力范围为0-150kPa，阴极运行压力范围为0-150kPa，冷却液运行压力范围为0-150kPa。阳极、阴极以及冷却液的密封最大压力为300kPa，电堆运行温度为-30℃-90℃，最大耐受温度为110℃，密封寿命设计为12000小时。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例中提供的质子交换膜单电池及燃料电池，由阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层，阴极气体扩散层、阳极气体扩散层、阴极内边框、阳极内边框、阴极外边框、阳极外边框压合构成膜电极主体结构；并分别在阴极侧和阳极侧设置阴极密封圈和阳极密封圈密封与第一双极板和第二双极板的沟槽之间的缝隙，从而形成可靠的密封结构。通过在封装力的作用下，膜电极-密封件-双极板的受力匹配，达到防止氢空互串，避免电堆气体泄漏，确保燃料电池堆安全可靠性。
实施例二
参见图2，在实施例一的基础上，调整所述质子交换膜的边沿位置，设置在所述阴极密封圈12和所述阳极密封圈22的外侧边的正下方，或者进一步延伸至边框边沿。从而进一步简化加工工艺，降低加工复杂性，提升加工效率。
实施例三
参见图3，在实施例一的基础上，调整所述质子交换膜的边沿位置，所述质子交换膜的边沿设置在所述阴极密封圈12和所述阳极密封圈22的内侧边的正下方；从而强化密封效果，同时能够降低材料消耗。
实施例四
参见图10，在实施例一的基础上，采用第二阴极密封圈12b和第一阳极密封圈22a，在阴极侧实现线密封结构，在阳极侧实现面密封。从而整体上实现线密封结合面密封的整体密封结构，强化密封效果。
所述第一阴极密封凸起122的截面成圆形，直径0.3-0.5mm。
实施例五
参见图11，在实施例一的基础上，采用所述第二阴极密封圈12b和所述第二阳极密封圈22b，形成阴极和阳极两侧的线密封结构。
所述第一阴极密封凸起122以及所述第一阳极密封凸起222的截面成圆形，直径0.3-0.5mm。
实施例六
参见图12，在实施例一的基础上，采用所述第一阴极密封圈12a和所述第一阳极密封圈22b，在阳极侧实现线密封结构，在阴极侧实现面密封。从而整体上实现线密封结合面密封的整体密封结构，强化密封效果。
所述第一阳极密封凸起222的截面成圆形，直径0.3-0.5mm。
实施例七
参见图13，在实施例一的基础上，采用所述第三阴极密封圈12c和所述第三阳极密封圈22c，形成阴极和阳极两侧的双线密封结构。从而整体上实现两侧双线密封的整体密封结构，强化密封效果。
所述第二阳极密封凸起223的截面成圆形，直径0.3-0.5mm，且两密封凸起间距0.3-0.5mm。所述第二阴极密封凸起123的截面成圆形，直径0.3-0.5mm，且两密封凸起间距0.3-0.5mm。
实施例八
参见图14，在实施例一的基础上，采用第一阴极密封圈12a和第三阳极密封圈22c，在阳极侧实现双线密封结构，在阴极侧实现面密封。从而整体上实现双线密封结合面密封的整体密封结构，强化密封效果。
所述第二阳极密封凸起222的截面成圆形，直径0.3-0.5mm，且两密封凸起间距0.3-0.5mm。
实施例九
参见图15，在实施例一的基础上，采用第三阴极密封圈12c和第一阳极密封圈22a，在阴极侧实现双线密封结构，在阳极侧实现面密封。从而整体上实现双线密封结合面密封的整体密封结构，强化密封效果。
所述第二阴极密封凸起122的截面成圆形，直径0.3-0.5mm，且两密封凸起间距0.3-0.5mm。
实施例十
参见图16，在实施例一的基础上，采用第二阴极密封圈12b和第三阳极密封圈22c，在阴极侧实现线密封结构，在阳极侧实现双线密封。从而整体上实现双侧多线密封的整体密封结构，强化密封效果。
所述第一阴极密封凸起122的截面成圆形，直径0.3-0.5mm。所述第二阳极密封凸起223的截面成圆形，且两密封凸起间距0.3-0.5mm。
实施例十一
参见图17，在实施例一的基础上，采用第三阴极密封圈12c和第二阳极密封圈22b，在阴极侧实现双线密封结构，在阳极侧实现线密封。从而整体上实现双侧多线密封的整体密封结构，强化密封效果。
所述第二阴极密封凸起123的截面成圆形，直径0.3-0.5mm，且两密封凸起间距0.3-0.5mm。所述第一阳极密封凸起222的截面成圆形，直径0.3-0.5mm。
本申请还提供一种燃料电池，包括：上述的质子交换膜单电池。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例中提供的质子交换膜单电池及燃料电池，由阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层，阴极气体扩散层、阳极气体扩散层、阴极内边框、阳极内边框、阴极外边框、阳极外边框压合构成膜电极主体结构；并分别在阴极侧和阳极侧设置阴极密封圈和阳极密封圈密封与第一双极板和第二双极板的沟槽之间的缝隙，从而形成可靠的密封结构。通过在封装力的作用下，膜电极-密封件-双极板的受力匹配，达到防止氢空互串，避免电堆气体泄漏，确保燃料电池堆安全可靠性。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
另外，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种质子交换膜单电池，其特征在于，包括：阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层，阴极气体扩散层、阳极气体扩散层、阴极内边框、阳极内边框、阴极外边框、阳极外边框、阴极密封圈、阳极密封圈、第一双极板和第二双极板；
所述阴极气体扩散层、所述阴极催化层、所述质子交换膜、所述阳极催化层以及所述阳极气体扩散层依次叠置压合固定；
所述阴极内边框压合在所述质子交换膜的第一侧面边部和阴极催化层的边部上，所述阳极内边框压合在所述质子交换膜的第二侧面边部和阳极催化层的边部上，所述阴极外边框和所述阳极外边框分别对应固定在所述阴极内边框和所述阳极内边框上；
所述阴极密封圈的第一密封面固定在所述阴极外边框上，所述阴极密封圈的第二密封面抵靠在所述第一双极板的沟槽内，所述阳极密封圈的第一密封面固定在所述阳极外边框上，所述阳极密封圈的第二密封面抵靠在所述第二双极板的沟槽内。
2.如权利要求1所述的质子交换膜单电池，其特征在于，所述质子交换膜的边沿设置在所述阴极密封圈和所述阳极密封圈的中心线的正下方。
3.如权利要求1所述的质子交换膜单电池，其特征在于，所述质子交换膜的边沿设置在所述阴极密封圈和所述阳极密封圈的外侧边的正下方。
4.如权利要求1所述的质子交换膜单电池，其特征在于，所述质子交换膜的边沿设置在所述阴极密封圈和所述阳极密封圈的内侧边的正下方。
5.如权利要求1所述的质子交换膜单电池，其特征在于，所述阴极密封圈的第二密封面和/或所述阳极密封圈的第二密封面上设置有环形的密封凸起。
6.如权利要求5所述的质子交换膜单电池，其特征在于，所述密封凸起的截面为半圆形。
7.如权利要求6所述的质子交换膜单电池，其特征在于，所述密封凸起的数量为两个。
8.如权利要求1所述的质子交换膜单电池，其特征在于，所述阴极密封圈和所述阳极密封圈分别对应注塑成型在所述阴极外边框和所述阳极外边框上。
9.如权利要求1所述的质子交换膜单电池，其特征在于，所述阴极密封圈和/或所述阳极密封圈的材料为三元乙丙橡胶或聚烯烃类橡胶或硅橡胶或氟改性硅橡胶中的一种或二种。
10.一种燃料电池，其特征在于，包括：权利要求1～9任一项所述的质子交换膜单电池。
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