CN113972390A - 燃料电池单电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池单电池，燃料电池单电池包括：阴极板和阳极板，在阴极板和阳极板之间形成沿第二方向并排布置的反应区和分配区，第一方向与第二方向垂直；气体扩散层，气体扩散层设在反应区，气体扩散层包括阴极气体扩散层和阳极气体扩散层，阴极气体扩散层与阴极板贴合，阳极气体扩散层与阳极板贴合；膜电极边框，至少部分膜电极边框设在分配区，膜电极边框的沿第二方向的一端与气体扩散层相连，阴极板和阳极板均与膜电极边框沿第一方向具有间隙；垫片，垫片设置在间隙内。根据本发明的燃料电池单电池，通过设置垫片使分配区厚度与压缩后的反应区厚度可以保持一致，分配区与极板间不会存在间隙，不会出现气流体乱流、压降分布受影响的情况。

Description

燃料电池单电池

技术领域

本发明涉及一种电化学转化装置的技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池单电池。

背景技术

燃料电池单电池由阳极板、五合一膜电极、边框、阴极板组成，燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电化学反应产生的电子在外电路定向移动产生电能。对于双极板来说，当其分配区脊高和反应区脊高一致时，加入膜电极，双极板压紧后，分配区会存在间隙，造成气体乱流，无法满足分配区的功能，因此膜电极和双极板的匹配至关重要。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种燃料电池单电池。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种燃料电池单电池包括：阴极板和阳极板，所述阴极板和所述阳极板沿第一方向间隔开，以在所述阴极板和所述阳极板之间形成沿第二方向并排布置的反应区和分配区，所述第一方向与所述第二方向垂直；气体扩散层，所述气体扩散层设在所述反应区，所述气体扩散层包括阴极气体扩散层和阳极气体扩散层，所述阴极气体扩散层与所述阴极板贴合，所述阳极气体扩散层与所述阳极板贴合；膜电极边框，至少部分所述膜电极边框设在所述分配区，所述膜电极边框的沿所述第二方向的一端与所述气体扩散层相连，所述阴极板和所述阳极板均与所述膜电极边框沿第一方向具有间隙；垫片，所述垫片设置在所述间隙内。相对于现有技术，本发明所述的燃料电池单电池具有以下优势：

根据本发明的燃料电池单电池，通过设置垫片使分配区厚度与压缩后的反应区厚度可以保持一致，分配区与极板间不会存在间隙，不会出现气流体乱流、压降分布受影响的情况。

进一步地，所述阴极板和所述阳极板在所述反应区和所述分配区设置有多个流道，相邻的流道之间设置有沿第一方向突起的脊，所述反应区的脊与所述分配区的脊高一致。

进一步地，所述气体扩散层的沿所述第一方向的厚度为D1，所述膜电极边框的沿所述第一方向的厚度为D2，所述膜电极边框夹设在两个厚度相同的所述垫片之间，所述垫片的沿所述第一方向的厚度为D3，满足：D1＞D2+2D3。

进一步地，还包括密封圈，所述密封圈套设在所述膜电极边框的远离所述反应区的一端，所述垫片在所述第二方向设在所述密封圈和所述反应区之间。

进一步地，所述垫片与所述膜电极边框采用相同材料制成。

进一步地，所述垫片与所述膜电极边框采用聚酰亚胺材料、聚萘二甲酸乙二醇酯材料、聚对苯二甲酸乙二醇酯材料中的至少一种制成。

进一步地，燃料电池单电池还包括催化剂涂层膜，所述气体扩散层包括阳极气体扩散层和阴极气体扩散层，所述阳极气体扩散层和阴极气体扩散层沿第一方向扣合，所述催化剂涂层膜夹设在所述阳极气体扩散层和所述阴极气体扩散层之间；且所述催化剂涂层膜沿第二方向的长度大于所述气体扩散层的沿所述第二方向的长度，沿所述第二方向超出所述气体扩散层的所述催化剂涂层膜与所述膜电极边框相连。

进一步地，所述膜电极边框包括第一子边框和第二子边框，所述第一子边框和所述第二子边框沿第一方向贴合，延伸至所述分配区的所述催化剂涂层膜夹设在所述第一子边框和所述第二子边框之间。进一步地，所述夹持槽的沿所述第二方向的长度小于所述膜电极边框沿第二方向的长度。

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例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为本发明实施例所述的燃料电池单电池的俯视图；

图2为本发明实施例所述的燃料电池单电池的部分剖视图。

附图标记说明：

燃料电池单电池100；

反应区1；气体扩散层11；阳极气体扩散层11a；阴极气体扩散层11b；催化剂涂层膜12；

分配区2；膜电极边框21；垫片22；

极板3；阳极板3a；阴极板3b；

流道4；脊41；

密封圈5。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明

其中，本发明中描述的第一方向为图2中的Z方向，第二方向为图1和图2中的X方向。

如图1和图2所示，根据本发明的燃料电池单电池100包括两个极板3，两个极板3为燃料电池单电池100的阴极板3b和阳极板3a，两个极板3沿第一方向扣合以在其间形成沿第二方向并排布置且相连的反应区1和分配区2，其中，第一方向与第二方向垂直，例如第一方向为竖向即上下方向，第二方向为水平方向。

反应区1包括气体扩散层11，气体扩散层11与极板3贴合，分配区2包括膜电极边框21和垫片22，膜电极边框21与气体扩散层11沿第二方向并排布置且相连，膜电极边框21与极板3沿第一方向具有间隙，垫片22设置在间隙内。

阴极板3b和阳极板3a的至少部分沿第一方向间隔开，以在阴极板3b和阳极板3a之间形成沿第二方向并排布置的反应区1和分配区2，第一方向与第二方向垂直，气体扩散层11设在反应区1，气体扩散层11包括阴极气体扩散层11b和阳极气体扩散层11a，阴极气体扩散层11b与阴极板3b贴合,阳极气体扩散层11a与阳极板3a贴合，至少部分膜电极边框21设在分配区2，膜电极边框21的沿第二方向的一端与气体扩散层11相连，阴极板3b和阳极板3a均与膜电极边框21沿第一方向具有间隙，垫片22设置在间隙内。

如图2所示，以第一方向为竖向，第二方向为水平方向为例，燃料电池单电池100的阴极板3b和阳极板3a沿上下方向扣合，以在阴极板3b和阳极板3a之间形成反应区1和分配区2，在反应区1气体扩散层11与极板3间贴合没有间隙，分配区2的膜电极边框21的厚度较小，膜电极边框21与极板3在上下方向上具有间隙，垫片22设置在该间隙内，以消除该位置的间隙，防止膜电极边框21与极板3间出现气流乱流等现象。

在一些实施例中，极板3在反应区1和分配区2设置有多个流道4，相邻的流道4之间设置有沿第一方向突起的脊41，反应区1的脊41与分配区2的脊41高一致，考虑到制造工艺以及制造成本等，极板3制造为反应区1和分配区2的脊41高一致的平板状结构，膜电极边框21与气体扩散层11的厚度会有差异，当极板3与反应区1的气体扩散层11贴合后，在分配区2会产生间隙，垫片22即可设置在间隙内。

根据本发明的燃料电池单电池100，通过设置垫片22使分配区2厚度与反应区1在电堆中压缩后的厚度可以保持一致，分配区2与极板3间不会存在间隙，不会出现气流体乱流、压降分布受影响的情况。

下面根据图1和图2描述根据本发明的燃料电池单电池100的一些实施例。

在一些实施例中，燃料电池单电池100装配完成后，垫片22沿第一方向的厚度与间隙沿第一方向的高度相等，由此，在极板3与垫片22间不会有间隙，从而保证燃料电池单电池100的工作效率，增强燃料电池单电池100的可靠性。

在一些实施例中，如图2所示，气体扩散层11适于沿第一方向压缩，在气体扩散层11未被压缩时，气体扩散层11的沿第一方向的厚度为D1，膜电极边框21的沿第一方向的厚度为D2，膜电极边框21的沿第一方向的两侧均设有垫片22，每片垫片22的厚度均为D3，满足：D1＞D2+2D3。

在燃料电池单电池100生产过程中，将气体扩散层11与其两侧的极板3沿第一方向依次排列好后，需要在第一方向加压，由于气体扩散层11适于沿第一方向压缩，因此，在未压缩时，垫片22与膜电极边框21的整体厚度略小于气体扩散层11的厚度，在压缩后，分配区2与反应区1的厚度达到一致，进而防止间隙的产生。

当然，垫片22与膜电极边框21的整体厚度与气体扩散层11的厚度的差值根据气体扩散层11的压缩量确定，以保证压缩后分配区2与极板3间不具有间隙。

在另一些示例中，也可以设有一个垫片22，即膜电极边框21与其中一侧的极板3间没有间隙，仅有一侧的膜电极边框21与极板3间具有间隙，垫片22仅需设置在膜电极边框21的一侧，以补偿该侧的间隙。

在一些实施例中，如图2所示，燃料电池单电池100还包括密封圈5，密封圈5套设在膜电极边框21的远离反应区1的一端，密封圈5用于燃料电池单电池100的密封，以保证燃料电池单电池100的密封效果，垫片22在第二方向上设置在密封圈5和气体扩散层11之间。

在一些实施例中，垫片22与膜电极边框21采用相同材料制成，由此，便于分配区2的膜电极边框21与垫片22的装配与制造，降低生产成本。

在一些实施例中，垫片22与膜电极边框21采用聚酰亚胺材料(PI)或聚萘二甲酸乙二醇酯材料(PEN)或聚对苯二甲酸乙二醇酯材料(PET)中的至少一种制成。

在一些实施例中，如图2所示，燃料电池单电池100还包括催化剂涂层膜12，气体扩散层11包括阳极气体扩散层11a和阴极气体扩散层11b，阳极气体扩散层11a和阴极气体扩散层11b沿第一方向扣合，催化剂涂层膜12夹设在阳极气体扩散层11a和阴极气体扩散层11b之间，即将催化剂涂层膜12夹设在阳极气体扩散层11a和阴极气体扩散层11b之间，并将两侧极板3扣合在阳极气体扩散层11a和阴极气体扩散层11b的远离催化剂涂层膜12的一侧，即完成反应区1的装配，催化剂涂层膜12沿第二方向的长度大于气体扩散层11的沿第二方向的长度，沿第二方向超出气体扩散层11的催化剂涂层膜12与膜电极边框21相连，由此，便于反应的进行，且增强催化剂涂层膜12的连接效果。

在一些示例中，如图2所示，膜电极边框21包括第一子边框和第二子边框，第一子边框和第二子边框沿第一方向贴合，延伸至分配区2的催化剂涂层膜12夹设在第一子边框和第二子边框之间。在一些实施例中，如图2所示，夹持槽211的沿第二方向的长度小于膜电极边框21沿第二方向的长度，即延伸至膜电极边框21的催化剂涂层膜12沿第二方向的长度略小于膜电极边框21沿第二方向的长度，在一些示例中，如图2所示，催化剂涂层膜12的沿第二方向延伸至垫圈的内端，由此，可以有效降低制造成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种燃料电池单电池，其特征在于，包括：

阴极板和阳极板，所述阴极板和所述阳极板沿第一方向间隔开，以在所述阴极板和所述阳极板之间形成沿第二方向并排布置的反应区和分配区，所述第一方向与所述第二方向垂直；

气体扩散层，所述气体扩散层设在所述反应区，所述气体扩散层包括阴极气体扩散层和阳极气体扩散层，所述阴极气体扩散层与所述阴极板贴合，所述阳极气体扩散层与所述阳极板贴合；

膜电极边框，至少部分所述膜电极边框设在所述分配区，所述膜电极边框的沿所述第二方向的一端与所述气体扩散层相连，所述阴极板和所述阳极板均与所述膜电极边框沿第一方向具有间隙；

垫片，所述垫片设置在所述间隙内。

2.根据权利要求1所述的燃料电池单电池，其特征在于，所述阴极板和所述阳极板在所述反应区和所述分配区设置有多个流道，相邻的流道之间设置有沿第一方向突起的脊，所述反应区的脊与所述分配区的脊高一致。

3.根据权利要求1所述的燃料电池单电池，其特征在于，所述气体扩散层适于沿第一方向压缩，在所述气体扩散层未被压缩时，所述气体扩散层的沿所述第一方向的厚度为D1，所述膜电极边框的沿所述第一方向的厚度为D2，所述膜电极边框夹设在两个厚度相同的所述垫片之间，所述垫片的沿所述第一方向的厚度为D3，满足：D1＞D2+2D3。

4.根据权利要求1所述的燃料电池单电池，其特征在于，还包括密封圈，所述密封圈套设在所述膜电极边框的远离所述反应区的一端，所述垫片在所述第二方向设在所述密封圈和所述反应区之间。

5.根据权利要求1所述的燃料电池单电池，其特征在于，所述垫片与所述膜电极边框采用相同材料制成。

6.根据权利要求1所述的燃料电池单电池，其特征在于，所述垫片与所述膜电极边框采用聚醚酰亚胺材料、聚萘二甲酸乙二醇酯材料、聚对苯二甲酸乙二醇酯材料中的至少一种制成。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的燃料电池单电池，其特征在于，还包括催化剂涂层膜，所述气体扩散层包括阳极气体扩散层和阴极气体扩散层，所述阳极气体扩散层和阴极气体扩散层沿第一方向扣合，所述催化剂涂层膜夹设在所述阳极气体扩散层和所述阴极气体扩散层之间，且所述催化剂涂层膜沿第二方向的长度大于所述气体扩散层的沿所述第二方向的长度，沿所述第二方向超出所述气体扩散层的所述催化剂涂层膜与所述膜电极边框相连。

8.根据权利要求7所述的燃料电池单电池，其特征在于，所述膜电极边框包括第一子边框和第二子边框，所述第一子边框和所述第二子边框沿第一方向贴合，延伸至所述分配区的所述催化剂涂层膜夹设在所述第一子边框和所述第二子边框之间。

9.根据权利要求7所述的燃料电池单电池，其特征在于，所述催化剂涂层膜的沿所述第二方向伸入到所述分配区的长度小于所述膜电极边框沿第二方向的长度。

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