CN113809351B - 一种质子交换膜氢燃料电池结构及密封方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种质子交换膜氢燃料电池结构及密封方法,属于氢燃料电池技术领域。其包括的燃料电池单元由膜电极、氧气流场板、氢气流场板组成,膜电极由氧电极、质子交换膜、氢电极组成,氧电极由氧气电极以及四周热熔合的聚合物胶层组成,集流体部分为未涂布活性材料层;质子交换膜由质子交换薄膜以及四周热合的聚熔合的聚合物胶层组成;氢电极由氢气电极以及四周热熔合的聚合物胶层组成,集流体部分为未涂布活性材料层。密封结构采用与流场板复合在一起的聚合物胶熔合,分别在氧电极、质子交换膜、氢电极边缘四周热熔聚合物胶,在聚合物胶部位热熔成整体。解决了氢气、氧气在内部漏的问题,也阻止带有氢离子的水扩散到集流体与流场板接触的部分。
Description
技术领域
本发明涉及一种质子交换膜氢燃料电池结构及密封方法,属于氢燃料电池技术领域。
背景技术
锂离子动力电池作为一种储能装置在纯电动汽车中得到了推广应用,但由于其充电时间长、续驶里程短,使得纯电动汽车仅适用于个人短途交通出行,未来新能源汽车的终极解决方案可能聚焦于氢质子交换膜燃料电池系统。
随着新能源技术、材料技术的发展,制取、储存、运输氢气的瓶颈技术得以解决;催化剂的制备技术的进步,贵金属催化剂的应用担载量极大的降低,使得燃料电池的成本极大的降低;加上国家将燃料电池汽车作为我国重点发展的战略方向,燃料电池发展的局面很快出现。
燃料电池系统主要由燃料电池堆、冷却系统、燃料供给系统、氧气供给系统等组成,其核心为燃料电池堆。燃料电池堆基本由正极端板、双极板、膜电极、及其密封圈、负极端板靠螺栓的紧固力组合而成,其中,双极板多采用石墨、金属材料表面处理,导电方式主要是机械接触方式进行,其密封结构采用密封圈通过预紧力进行密封,密封效果不可靠,同时,由于机械接触传到电流,会增大电池电阻。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提出一种新型的质子交换膜燃料电池双极板结构以及膜电极结构,一方面,取代了密封圈、机械力接触的密封方式、取而代之借用软包装电池的热封思路,提出了全新的密封结构与实现方法,提高了密封效果,解决了燃料电池堆的机械密封不可靠问题;另一方面,还提出一种新型的膜电极结构,可以与流场板热合成燃料电池单元,然后再组合成燃料电池堆,燃料电池单元间通过热熔合工艺,解决密封问题。另外,为了提高流场板与集流体导电炭纸或炭布之间的接触效果,如膜电极集流体采用金属则可以通过焊接方式,把集流体与流场板焊在一起,如集流体采用炭纸,则在双极板上设计有金属凸点,增强接触效果;单元间的串联通过激光焊接在一起。
本发明提供的一种质子交换膜氢燃料电池结构,其包括的燃料电池单元由膜电极、氧气流场板、氢气流场板组成,所述膜电极由氧电极、质子交换膜、氢电极组成,所述氧电极由氧气电极以及四周热熔合的聚合物胶层组成,集流体部分为未涂布活性材料层;所述质子交换膜由质子交换薄膜以及四周热合的聚熔合的聚合物胶层组成;所述氢电极由氢气电极以及四周热熔合的聚合物胶层组成,集流体部分为未涂布活性材料层。
另外,上述质子交换膜氢燃料电池结构中,所述氧气流场板为金属,单侧成型,其上具有金属凸点,以便加强与所述膜电极的氧电极的集流体接触,所述氧气流场板四周为热熔合上的聚合物胶层。所述氢气流场板为金属,单侧成型,其上具有金属凸点,以便加强与所述膜电极的氢电极的集流体接触,所述氢气流场板四周为热复合上的聚合物胶层。所述氧气流场板或所述氢气流场板的金属包括铝及其合金、钛及其合金、不锈钢。所述集流体采用金属材料,通过焊接方法焊接在一起,所述聚合物胶为熔点低于PTFE至少50℃的高分子材料的改性聚丙烯、聚乙烯。
本发明还提供一种质子交换膜氢燃料电池结构的密封方法,所述质子交换膜氢燃料电池结构包括的燃料电池单元由膜电极、氧气流场板、氢气流场板组成,所述膜电极由氧电极、质子交换膜、氢电极组成,所述氧电极边缘的四周热熔聚合物胶,所述质子交换膜边缘四周热熔聚合物胶,所述氢电极边缘四周热熔聚合物胶,然后将氢电极、质子交换膜、氧电极在聚合物胶处通过热熔的方式,热复合在一起形成膜电极,所述膜电极、所述氧气流场板、所述氢气流场板在对应位置组装好,通过加热将温度升到聚合物胶的熔点以上,保持一定的压力,熔合在一起制成燃料电池单元。
另外,在上述质子交换膜氢燃料电池结构的密封方法中,所述氧气流场板为金属,单侧成型,其上具有金属凸点,以便加强与所述膜电极的氧电极的集流体接触,所述氧气流场板四周通过热熔的方式热熔合上聚合物胶层;所述氢气流场板为金属,单侧成型,其上具有金属凸点,以便加强与所述膜电极的氢电极的集流体接触,所述氢气流场板四周通过热熔的方式热复合上聚合物胶层,所述膜电极、所述氧气流场板、所述氢气流场板在对应位置组装好,通过加热将温度升到聚合物胶的熔点以上30℃,保持一定的压力,熔合在一起制成燃料电池单元。
其中,所述氧气流场板或所述氢气流场板的金属包括铝及其合金、钛及其合金、不锈钢。
另外,上述的质子交换膜氢燃料电池结构的密封方法中,所述氧电极由氧气电极以及四周热熔合的聚合物胶层组成,集流体部分为未涂布活性材料层;所述质子交换膜由质子交换薄膜以及四周热熔合的聚合物胶层组成;所述氢电极由氢气电极以及四周热熔合的聚合物胶层组成,集流体部分为未涂布活性材料层;所述集流体采用金属材料,通过焊接方法与氢或氧气流场板焊接在一起,所述聚合物胶为熔点低于PTFE至少50℃的高分子材料的改性聚丙烯、聚乙烯。
最后,若干个燃料电池单元,以氧气流场板与氢气流场板背靠背方式排列成堆状,其中氧气流场板、氢气流场板的聚合物胶层接触,用外力夹持,放置在温度高于聚合物胶熔点30℃以上的加热装置中,将燃料电池单元热熔合在一起,同时将背靠背的氧气流场板、氢气流场板的金属边缘焊接起来,制成燃料电池堆,其中,氧气口、氢气口、冷却水孔,自然形成通道,加上端板用钢带扎紧,即完成了燃料电池堆的制作。
本发明具有如下的技术效果和优点:
1、与传统的燃料电池相比,密封结构采用与流场板复合在一起的聚合物胶熔合,取代了采用密封圈与螺栓机械连接的方法。
2、与传统膜电极结构相比,分别在氧电极边缘的四周热熔了一圈聚合物胶,质子交换膜边缘四周热熔了一圈聚合物胶、氢电极边缘四周热熔了一圈聚合物胶,然后将氢电极、质子交换膜、氧电极在聚合物胶部位热熔合成整体。最后便于与流场板相对应位置的聚合物胶熔合。这样解决了氢气、氧气在内部漏的问题,同时,也阻止了带有氢离子的水扩散到集流体与流场板接触的部分(该部分为了导电不进行PTFE的表面处理),腐蚀金属流场板(流场部分可以采用PFTE涂层处理,不导电)。
附图说明
图1(1)和1(2)分别为本发明的质子交换膜氢燃料电池堆的正面图和侧面图。
图2(1)和2(2)和2(3)分别为本发明的质子交换膜氢燃料电池堆的燃料电池单元的左侧面图、正面图和右侧面图。
图3(1)和3(2)分别为本发明的质子交换膜氢燃料电池堆的燃料电池单元的膜电极的侧面图、正面图,图3(3)为图3(2)的放大示意图。
图4(1)和4(2)分别为本发明的质子交换膜氢燃料电池堆的燃料电池单元的膜电极的氧电极的正面图和侧面图。
图5(1)和5(2)分别为本发明的质子交换膜氢燃料电池堆的燃料电池单元的膜电极的质子交换膜的正面图和侧面图。
图6(1)和6(2)分别为本发明的质子交换膜氢燃料电池堆的燃料电池单元的膜电极的氢电极的正面图和侧面图。
图7(1)和7(2)分别为本发明的质子交换膜氢燃料电池堆的燃料电池单元的氧气流场板的正面图和侧面图。
图8(1)和8(2)分别为本发明的质子交换膜氢燃料电池堆的燃料电池单元的氢气流场板的正面图和侧面图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
如图1(1)和1(2)所示,图1(1)和1(2)分别为本发明的质子交换膜氢燃料电池堆的正面图和侧面图。质子交换膜氢燃料电池堆由燃料电池单元7、左端板8、右端板9以及加强的钢带(钢扎带)扎紧组成。图1(2)中示出了氧气进口、冷却水接口、氢气出口、钢扎带、氢气进口、氧气出口。
如图2(1)和2(2)和2(3)所示,燃料电池单元7由膜电极4、氧气流场板5、氢气流场板6组成。其中,如图7(1)和7(2)所示的氧气流场板5为金属(铝及其合金、钛及其合金、不锈钢等),单侧成型,其上金属凸点是为了加强与膜电极4的氧电极的集流体(炭纸、碳布、钛合金泡沫材料等)接触而设计的;四周的网格线部分为热熔合上的聚合物胶层,其熔点低于PTFE材料50℃以上的高分子材料包括改性聚丙烯胶、聚乙烯胶等,其他图上也示出了类似的四周的网格线部分。如图8(1)和8(2)所示的氢气流场板6为金属(铝及其合金、钛及其合金、不锈钢等),单侧成型,其上金属凸点是为了加强与膜电极4的氢电极的集流体(炭纸、碳布、钛合金泡沫材料等)接触而设计的;四周的网格线部分为热复合上的聚合物胶层,其熔点低于PTFE材料50℃以上的高分子材料包括改性聚丙烯胶、聚乙烯胶等。
如图3(1)和3(2)和3(3)所示,膜电极4由氧电极3、质子交换膜2、氢电极1组成。其中,如图4(1)和4(2)所示的氧电极3由氧气电极3-2以及四周热熔合的聚合物胶层3-1组成,集流体3-3部分为未涂布活性材料层,为了更好与流场板5接触,减低接触电阻,如果集流体采用金属材料,还可以通过焊接方法与氧气流场板焊接在一起;如图5(1)和5(2)所示的质子交换膜2由质子交换薄膜2-2以及四周热合的熔合的聚合物胶层2-1组成;如图6(1)和6(2)所示的氢电极1由氢气电极1-2以及四周热熔合的聚合物胶层1-1组成。集流体1-3部分为未涂布活性材料层,为了更好与流场板6接触,减低接触电阻,如果集流体采用金属材料,还可以通过焊接方法与氢气流场板焊接在一起。所述聚合物胶为熔点低于PTFE至少50℃的高分子材料,如改性聚丙烯、聚乙烯等。以上氧电极1、质子交换膜2、氢电极3在聚合物胶部位通过热熔的方式,热复合在一起形成膜电极4组件。
以上膜电极4组件、氧气流场板5、氢气流场板6,对应聚合物胶位置组装好,通过加热将温度升到聚合物胶的熔点以上30℃,保持一定的压力,熔合在一起制成燃料电池单元7。
如图1(1)和1(2)所示,如若干个燃料电池单元7,排列起来即氧气流场板5与氢气流场板6背靠背排列成堆状,其中氧气流场板5、氢气流场板6的聚合物胶层接触,用外力夹持,放置在温度高于聚合物胶熔点30℃以上的加热装置中,将燃料电池单元7热熔合在一起,同时将背靠背的氧气流场板5、氢气流场板6的金属边缘焊接起来,制成燃料电池堆,其中,氧气口(氧气进口、氧气出口)、氢气口(氢气进口、氢气出口)、冷却水孔(冷却水接口),自然形成通道。加上端板8、9用钢带扎紧,即完成了燃料电池堆的制作。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种质子交换膜氢燃料电池结构,其包括的燃料电池单元由膜电极、氧气流场板、氢气流场板组成,所述膜电极由氧电极(3)、质子交换膜(2)、氢电极(1)组成,其特征在于,所述氧电极(3)由氧气电极(3-2)以及四周热熔合的聚合物胶层(3-1)组成,氧电极的集流体(3-3)与氧电极(3)相连,氧电极的集流体(3-3)部分未涂布活性材料层;所述质子交换膜(2)由质子交换薄膜(2-2)以及四周热合的热熔合的聚合物胶层(2-1)组成;所述氢电极(1)由氢气电极(1-2)以及四周热熔合的聚合物胶层(1-1)组成,氢电极的集流体(1-3)与氢电极(1)相连,氢电极的集流体(1-3)部分未涂布活性材料层;所述氧气流场板为金属,单侧成型,其上与氧电极的集流体(3-3)接触相应位置具有金属凸点,以便加强与氧电极的集流体(3-3)接触,所述氧气流场板四周为热熔合上的聚合物胶层;所述氢气流场板为金属,单侧成型,其上与氢电极的集流体(1-3)接触相应位置具有金属凸点,以便加强与氢电极的集流体(1-3)接触,所述氢气流场板四周为热复合上的聚合物胶层;所述氧气流场板或所述氢气流场板的金属包括铝及其合金、钛及其合金、不锈钢;所述集流体采用金属三维材料,通过焊接方法与金属流场板焊接在一起,所述聚合物胶为熔点低于PTFE至少50℃的高分子材料的聚乙烯、改性聚丙烯,分别在氧电极边缘的四周热熔了一圈聚合物胶,质子交换膜边缘四周热熔了一圈聚合物胶、氢电极边缘四周热熔了一圈聚合物胶,然后将氢电极、质子交换膜、氧电极在聚合物胶部位热熔合成整体,最后与流场板相对应位置的聚合物胶熔合,解决了氢气、氧气在内部漏的问题,同时,也阻止了带有氢离子的水扩散到集流体与流场板接触的部分,该部分为了导电不进行PTFE的表面处理。
2.一种质子交换膜氢燃料电池结构的密封方法,所述质子交换膜氢燃料电池结构包括的燃料电池单元由膜电极、氧气流场板、氢气流场板组成,所述膜电极由氧电极、质子交换膜、氢电极组成,其特征在于,所述氧电极(3)由氧气电极(3-2)以及四周热熔合的聚合物胶层(3-1)组成,氧电极的集流体(3-3)与氧电极(3)相连,氧电极的集流体(3-3)部分未涂布活性材料层;所述质子交换膜(2)由质子交换薄膜(2-2)以及四周热合的热熔合的聚合物胶层(2-1)组成;所述氢电极(1)由氢气电极(1-2)以及四周热熔合的聚合物胶层(1-1)组成,氢电极的集流体(1-3)与氢电极(1)相连,氢电极的集流体(1-3)部分未涂布活性材料层;所述氧气流场板为金属,单侧成型,其上与氧电极的集流体(3-3)接触相应位置具有金属凸点,以便加强与氧电极的集流体(3-3)接触,所述氧气流场板四周为热熔合上的聚合物胶层;所述氢气流场板为金属,单侧成型,其上与氢电极的集流体(1-3)接触相应位置具有金属凸点,以便加强与氢电极的集流体(1-3)接触,所述氢气流场板四周为热复合上的聚合物胶层;所述氧气流场板或所述氢气流场板的金属包括铝及其合金、钛及其合金、不锈钢;所述集流体采用金属三维材料,通过焊接方法与金属流场板焊接在一起,所述聚合物胶为熔点低于PTFE至少50℃的高分子材料的聚乙烯、改性聚丙烯,分别在氧电极边缘的四周热熔了一圈聚合物胶,质子交换膜边缘四周热熔了一圈聚合物胶、氢电极边缘四周热熔了一圈聚合物胶,然后将氢电极、质子交换膜、氧电极在聚合物胶部位热熔合成整体,最后与流场板相对应位置的聚合物胶熔合,解决了氢气、氧气在内部漏的问题,同时,也阻止了带有氢离子的水扩散到集流体与流场板接触的部分,该部分为了导电不进行PTFE的表面处理。
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