CN113937327A - 膜电极组件、燃料电池单体、燃料电池和车辆 - Google Patents

膜电极组件、燃料电池单体、燃料电池和车辆 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池领域，提供一种膜电极组件、燃料电池单体、燃料电池和车辆，所述膜电极组件包括主体部和位于所述主体部外侧的流道层，所述流道层上形成有流道场并且所述流道层设置有支撑体；所述燃料电池单体包括所述膜电极组件、所述燃料电池包括所述燃料电池单体、所述车辆包括所述燃料电池。本发明的膜电极组件自身设置有流道层，流道层上形成有流道场，在膜电极组件中形成的水可以直接通过流道层上的流道场排出，解决了膜电极组件的排水问题；所述膜电极组件应用于燃料电池可以使燃料电池具有尺寸小、排水性好和成本低的优点。

Description

膜电极组件、燃料电池单体、燃料电池和车辆
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种膜电极组件、燃料电池单体、燃料电池和车辆。
背景技术
燃料电池是一种以氢气为最佳燃料不经过燃烧过程而直接以电化学反应的方式将燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的高效能量转换发电装置。它不经过热机过程，不受卡诺循环的限制，实际能量转换效率高达50％至80％。质子交换膜燃料电池，是继碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池之后发展起来的第五代燃料电池，其具有工作温度较低、启动时间短、功率密度高，负载响应快、无电解液流失等特点。
在汽车等车辆中存在应用燃料电池作为动力源，燃料电池堆作为燃料电池车辆的主要动力源，理论热力学单电池电压维持在1.23伏左右，实际运行过程中，由于膜电极组件(MEA)扩散层对扩散气体的阻挠加之在大功率运行条件下电堆对燃料消耗的增大，从而导致以扩散为主的扩散损失；同时由于在大功率下质子交换膜燃料电池在阴极会产生大量的水，大量的水会填充在MEA扩散层中，影响反应气体的进入，使得在大功率下的扩散极化损失更为明显，同时由于燃料电池工作温度跨度较大，一般在-30℃～80℃，当电堆内的温度低于冰点0℃时会结冰，停机后没有排出的水会结成冰附着在催化层和气体扩散层表面及其内部，阻挠气体流动，降低气体透过性，同时也降低了催化层的有效活化面积，影响电池的性能和启动性。
为解决这一问题，主要依靠设置气体导流结构，目前的气体导流结构主要是应用金属双极板上的气体流道传输气体以及应用冷却流道传输冷却液，在双极板的两个相对的表面上分别形成有流道，由于流道具有一定的深度，同时还需要保证双极板的刚度，因此双极板需要具有足够厚度，这就导致最终堆叠形成电堆的体积较大，对于将其作为动力源的整车搭载产生困难。另外，针对上述问题，还存在解决问题采用超薄双极板，在双极板两侧设置浅深度的流道，再采用大进气计量比以及吹扫的方法，但是超薄双极板对刚度和强度要求高，冲压成型要求高，导致电池最终制造成本增高；并且，浅深度的流道在碳纸发生侵蚀后会堵塞流道影响气体流动；大进气计量比对BOP系统提出更高的要求，使得附件损耗功率增加，同样带来成本的增高；另外，吹扫过度容易造成质子交换膜的干涸，吹扫不彻底又不能将水排出影响下次的启动，在0℃以下还会产生结冰的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种膜电极组件、燃料电池单体、燃料电池和车辆，所述膜电极组件应用于燃料电池可以使燃料电池具有尺寸小、排水性好和成本低的优点。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种膜电极组件，所述膜电极组件包括主体部和位于所述主体部外侧的流道层，所述流道层上形成有流道场并且所述流道层设置有支撑体。
进一步的，所述流道场包括彼此间隔并平行设置的多个流道，所述流道层包括彼此间隔并平行设置的多个流道层主体，以在相邻两个所述流道层主体之间限制出一个所述流道；所述支撑体设置于所述流道层主体中。
进一步的，所述支撑体包括第一支撑板、第二支撑板和中间支撑部，所述中间支撑部位于所述第一支撑板和所述第二支撑板之间，并且形成为可压缩的；所述第一支撑板位于所述流道层背离所述主体部的一侧，所述第二支撑板位于所述流道层朝向所述主体部的一侧。
进一步的，所述流道垂直于延伸方向所截取的横截面为梯形，并且所述梯形的长底边朝向所述主体部。
进一步的，所述支撑体沿所述流道层主体的延伸方向延伸。
进一步的，所述主体部包括彼此相对的第一侧和第二侧，在所述第一侧和所述第二侧外均设置有所述流道层。
进一步的，所述支撑体为由不含铁元素的材质构成的刚性件。
本发明的第二方面提供一种燃料电池单体，包括膜电极组件和分别设置在所述膜电极组件的相对两侧的双极板，所述双极板包括冷却流道结构，所述膜电极组件为根据本发明的膜电极组件。
本发明的第三方面提供一种燃料电池，包括根据本发明的燃料电池单体。
本发明的第四方面提供一种车辆，包括根据本发明的燃料电池。
本发明的膜电极组件自身设置有流道层，流道层上形成有流道场，在膜电极组件中形成的水可以直接通过流道层上的流道场排出，解决了膜电极组件的排水问题。当发明的膜电极组件应用于燃料电池中时，由于膜电极组件产生的水可以直接通过所述流道层中的流道场进行排水，而不需要再穿过膜电极组件后到达双极板进行排水，与膜电极组件配合的双极板上不需要再设置流道结构，这样有利于降低双极板的制造成本、保证双极板的刚度要求，双极板对材料刚度的要求降低、不需要再冲压形成流道，双极板可以具有更薄的厚度，从而有利于最终获得体积更小、成本更低的燃料电池。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施方式所述的燃料电池中电池堆的结构示意图；
图2为图1的燃料电池中膜电极组件的支撑体的结构示意图；
图3为图1的燃料电池中CCM层的结构示意图。
附图标记说明：
1膜电极组件；11流道层；12支撑体；121第一支撑板；122第二支撑板；123中间支撑部；13流道；14流道层主体；15CCM层；151第一催化剂层；152质子交换膜层；153质子交换膜层；16扩散层；2双极板；5冷却流道结构
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
在本发明中，需要理解的是，术语“背离”、“朝向”等指示的方位或位置关系与实际使用的方位或位置关系相对应；“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。这些都仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指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发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，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，也可以是电连接或彼此可通讯；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发明中的具体含义。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
本发明的第一方面提供了一种膜电极组件，所述膜电极组件1包括主体部和位于所述主体部外侧的流道层11，所述流道层11上形成有流道场并且所述流道层11设置有支撑体12。
本发明的膜电极组件自身设置有流道层11，流道层11设置在膜电极组件的外层，膜电极组件1还包括位于所述流道层11内侧的主体部，流道层11上形成有流道场，在膜电极组件1中形成的水可以直接通过流道层11上的流道场排出，解决了膜电极组件1的排水问题。并且，当发明的膜电极组件1应用于燃料电池中时，由于膜电极组件1产生的水可以直接通过所述流道层11中的流道场进行排水，而不需要再穿过膜电极组件1后到达双极板进行排水，与膜电极组件1配合的双极板上不需要再设置流道结构，这样有利于降低双极板的制造成本、保证双极板的刚度要求，双极板对材料刚度的要求降低、不需要再冲压形成流道，双极板可以具有更薄的厚度，从而有利于最终获得体积更小、成本更低的燃料电池。
由于通常而言，膜电极组件1材质刚度较低，因此，配合流道场的形成，在流道层11设置支撑体12，以保证膜电极组件1具有足够刚度，避免流道场结构的坍塌失效。
可以理解的是，所述流道场可以具有任何适合的布置方式，例如，参见图1，在本实施方式中，所述流道场包括彼此间隔并平行设置的多个流道13，所述流道层11包括彼此间隔并平行设置的多个流道层主体14，以在相邻两个所述流道层主体14之间限制出一个所述流道13；所述支撑体12设置于所述流道层主体14中。
进一步地，参见图1和图2，作为一种选择，所述支撑体12包括第一支撑板121、第二支撑板122和中间支撑部123，所述中间支撑部123位于所述第一支撑板121和所述第二支撑板122之间，并且形成为可压缩的；所述第一支撑板121位于所述流道层11背离所述主体部的一侧，所述第二支撑板122位于所述流道层11朝向所述主体部的一侧。
参见图1，支撑体12的沿延伸方向所截取的横截面具有大致工字型结构，当膜电极组件1在外部作用下受到挤压时，可压缩的支撑体12可以保证流道层11不坍塌失效，而当燃料电池堆处于工作状态，生成的水较多时，随着流道13内部水量的增多，压力逐渐变大，可压缩的中间支撑部123可随着压力的增大而伸张，从而使流道层11的厚度增大，流道13的横截面积增大，有利于生成的水分及时排出，避免水分堵塞流道，水分排出、水量减少后，压力随之减小，可压缩的支撑体12又压缩为原来状态，因此，将支撑体12设置为可压缩形式的更有利于水分的及时排出，流道排水性能优化。
并且，所述支撑体12沿所述流道层主体14的延伸方向延伸，进一步具体地，第一支撑板121和第二支撑板122可以是沿流道层主体14的延伸方向延伸的板件或类似部件，而中间支撑部123可以形成为弹簧的形式，并且，沿支撑体12的整个延伸长度可以间隔地设置有多个所述中间支撑部123。
参见图1，在一些实施方式中，所述流道13垂直于延伸方向所截取的横截面为梯形，并且所述梯形的长底边朝向所述主体部，这样可以使流道13与主体部具有更大的邻接面积，更有利于主体部内形成的水分及时排出到流道13中。
并且，优选情况下，所述支撑体12为由不含铁元素的材质构成的刚性件。例如，支撑体12可以选用与双极板材质相同的合金制成，因为膜电极组件中含有铁元素时，会大大减降低膜电极组件的性能，所以采用与双极板相同的合金材料制成，不含有铁元素，可以避免对膜电极组件造成污染，保证燃料电池堆的性能。当然，可以理解是，支撑体12也可以选用其它不含铁元素的金属或者非金属材料制成，并且支撑体12可以包括一种材质或者多种材质的组合。
参见图1，一般地，所述主体部包括彼此相对的第一侧和第二侧，在所述第一侧和所述第二侧外均设置有所述流道层11。
其中，所述主体部具有多层结构，从第一侧到第二侧可以包括多层，一般情况下，从第一侧到第二侧，所述主体部依次包括第一扩散层、CCM层15和第二扩散层，CCM层依次包括第一催化剂层151(阳极催化剂层或阴极催化剂层中的一者)、质子交换膜层152和第二催化剂层153(阳极催化剂层或阴极催化剂层中的另一者)；并且其中所述第一扩散层和所述第二扩散层各自均可以包括沿所述从所述第一侧方向到所述第二方向堆叠在一起的多个子层，并且所述第一扩散层和所述第二扩散层通常由碳纤维材料构成，而所述流道层11(流道层主体14)与所述主体部(对应侧的所述第一扩散层或所述第二扩散层)材质相同且一体形成。
本发明的第二方面提供了一种燃料电池单体，包括膜电极组件和分别设置在所述膜电极组件的相对两侧的双极板2，所述双极板2具有冷却流道结构，所述双极板2上的冷却流道结构可以包括多个平行的冷却流道，但也可以不限于图1中所示形状，所述膜电极组件为根据本发明的膜电极组件，由于具有本发明的膜电极组件1，双极板2的两个相对表面可以为平面而不设置有流道结构，所形成的燃料电池单体的整体厚度和制造成本都降低。
本发明的第三方面提供了一种燃料电池，包括根据本发明的燃料电池单元，例如，所述燃料电池可以具有依次堆叠在一起的多个所述燃料电池单元，所述燃料电池具有尺寸小、排水性好和成本低的优点，所述燃料电池为质子交换膜氢氧燃料电池。
本发明的第四方面提供了一种车辆，包括根据本发明的燃料电池。
在本说明书的描述中，参考术语“一种实施方式”、“一些实施方式”、“例如”或“示例”等的描述意指结合该实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。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方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型。包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种膜电极组件，其特征在于，所述膜电极组件(1)包括主体部和位于所述主体部外侧的流道层(11)，所述流道层(11)上形成有流道场并且所述流道层(11)设置有支撑体(12)。
2.根据权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于，所述流道场包括彼此间隔并平行设置的多个流道(13)，所述流道层(11)包括彼此间隔并平行设置的多个流道层主体(14)，以在相邻两个所述流道层主体(14)之间限制出一个所述流道(13)；所述支撑体(12)设置于所述流道层主体(14)中。
3.根据权利要求2所述的膜电极组件，其特征在于，所述支撑体(12)包括第一支撑板(121)、第二支撑板(122)和中间支撑部(123)，所述中间支撑部(123)位于所述第一支撑板(121)和所述第二支撑板(122)之间，并且形成为可压缩的；所述第一支撑板(121)位于所述流道层(11)背离所述主体部的一侧，所述第二支撑板(122)位于所述流道层(11)朝向所述主体部的一侧。
4.根据权利要求2所述的膜电极组件，其特征在于，所述流道(13)垂直于延伸方向所截取的横截面为梯形，并且所述梯形的长底边朝向所述主体部。
5.根据权利要求2所述的膜电极组件，其特征在于，所述支撑体(12)沿所述流道层主体(14)的延伸方向延伸。
6.根据权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于，所述主体部包括彼此相对的第一侧和第二侧，在所述第一侧和所述第二侧外均设置有所述流道层(11)。
7.根据权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于，所述支撑体(12)为由不含铁元素的材质构成的刚性件。
8.一种燃料电池单体，包括膜电极组件和分别设置在所述膜电极组件的相对两侧的双极板(2)，所述双极板(2)具有冷却流道结构(5),其特征在于，所述膜电极组件为根据权利要求1-7中任意一项所述的膜电极组件。
9.一种燃料电池，其特征在于，包括根据权利要求8所述的燃料电池单体。
10.一种车辆，其特征在于，包括根据权利要求9所述的燃料电池。
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