CN114023991A - 一种燃料电池电堆的组装结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池电堆的组装结构，所述电堆依次由双极板和膜电极交替堆叠形成，所述双极板包括阴极面和阳极面，所述阴极面和阳极面均独立地设置流场和公共流道，所述公共流道位于所述流场的两侧，安装时，所述膜电极与相邻双极板之间设置第一密封件，相邻两块双极板的公共流道区域通过第二密封件进行密封。本发明工艺简单、操作容易、受力均匀、且能降低膜电极成本。

Description

一种燃料电池电堆的组装结构

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池电堆的组装结构。

背景技术

随着近些年燃料电池在应用端的火热，相关的研发内容也持续增多，但是在膜电极这方面由于核心材料长期依赖国外产品且工艺受制于国内水平有限，以至于与膜电极结构相关的技术研发偏少且多数并未进行实际验证。大多数公司仍在沿用传统的膜电极七合一组件，包括质子交换膜、双侧催化层、双侧边框层、双侧扩散层，其中双侧边框多选用PET、PI、PEN等材质，整体尺寸与极板相同或相似，公共流道部分占据较大面积，使用宽幅固定的边框卷料裁剪得到的成型边框数量也会大大较少，且边框在中间活性区域的部分需要被裁掉，若无相关小型膜电极产品，则此部分会产生浪费。

目前市场上主流的电堆组装密封结构为以下三种：1、阴阳极为单极板，在单极板两侧分别设置弹性体密封件，可以使用点胶的方式粘贴在极板密封槽内或者膜电极相应密封区域内，也可以使用贴胶线的方式粘贴已注塑成型的密封件；2、阴阳极极板水流场一侧已通过合理的方式贴合在一起并达到密封效果，石墨极板可使用非弹性体胶水粘接，金属极板可使用焊接，阴阳极两侧则通过弹性体密封件与膜电极密封；3、阴阳极极板膜电极一侧通过非弹性体胶水与膜电极边框粘接在一起形成单池，水流场一侧通过弹性体密封件密封。

以上三种方式各有优缺点，第一种优点是各组分可独立分离，拆解后各组分可保持完整，缺点是弹性体密封件过多会导致密封效果不好或膜电极受力不均影响性能，严重则导致极板受力不均弯折甚至断裂；第二种是在第一种密封结构的基础上进行优化，减少了水流场弹性体密封件的影响，但是膜电极一侧由于活性区域与边框区域存在高度差并且变形量不一致的原因，还是会导致膜电极受力不均影响性能。第三种密封结构使用非弹性体胶水将阴阳极极板膜电极一侧与膜电极边框牢牢粘接在一起，利用极板自身刚性使单池中活性区域部分受力始终稳定从而保证性能稳定，但是这种方式的缺点是单池由强力胶水粘接，只能使用破坏的方式方能使膜电极与极板分离，无法使膜电极完整回收再利用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池电堆的组装结构。

为了实现本发明之目的，本申请提供以下技术方案。

在第一方面中，本申请提供一种燃料电池电堆的组装结构，所述电堆依次由双极板和膜电极交替堆叠形成，所述双极板包括阴极面和阳极面，所述阴极面和阳极面均独立地设置流场和公共流道，所述公共流道位于所述流场的两侧，安装时，所述膜电极与相邻双极板之间设置第一密封件，相邻两块双极板的公共流道区域通过第二密封件进行密封。在本申请中，阴阳极极板公共流道部分由非弹性体胶水粘接(即第二密封件)，中间膜电极边框与流场部分由弹性体密封件(即第一密封件)密封形成单池，利用极板自身刚性，计算好高度差可以使活性区域受力均一稳定，弹性体密封件受力均一稳定。而且使用单池进行电堆组装可以大大减少相关组件数量，提高组装精度，单池水流场部分可使用硬度较高的弹性体密封件，变形量较小可使电堆整体尺寸偏差减小，并且由于单池自身尺寸结构稳定，即使压装力发生小范围改变也不会影响膜电极的受力导致性能改变。

在第一方面的一种实施方式中，所述膜电极包括同轴心布置的阴极扩散层、CCM膜、阳极扩散层、第一边框和第二边框，所述阴极扩散层、CCM膜和阳极扩散层依次堆叠布置，所述阴极扩散层的外缘尺寸小于等于所述第一边框的内缘尺寸，所述阳极扩散层的外缘尺寸小于等于所述第二边框的内缘尺寸，所述CCM膜的外缘尺寸大于所述阴极扩散层及阳极扩散层的外缘尺寸，所述CCM膜外缘的两侧分别与第一边框和第二边框通过胶层粘结，所述第一边框和第二边框通过胶层相互粘结。

在第一方面的一种实施方式中，所述阴极扩散层的外缘尺寸比所述第一边框的内缘尺寸小0～0.3mm，所述阳极扩散层的外缘尺寸比所述第二边框的内缘尺寸小0～0.3mm，留出扩散层与边框的组装公差，所述CCM膜的外缘尺寸比所述阴极扩散层及阳极扩散层的外缘尺寸大2～6mm。

在第一方面的一种实施方式中，所述CCM膜包括质子交换膜以及通过喷涂法、热转印法或直涂法负载在质子交换膜两侧的阴极催化层和阳极催化层，所述质子交换膜的厚度为8～18μm，所述阴极催化层和阳极催化层的厚度为5～15μm和3～8μm。

在第一方面的一种实施方式中，所述第一边框和第二边框相对的一侧设置胶层，另一侧不设置胶层，所述胶层为热熔胶或压敏胶。在本申请中，整体膜电极边框相对于现有技术的边框尺寸减小，固定宽幅边框材料可裁出更多数量边框，节省了材料成本，并且边框被裁掉的活性区域部分还可用于公共流道绝缘片，进一步增加经济效益，由于边框是单侧胶层，则需要在无胶一侧使用热熔胶膜。

在第一方面的一种实施方式中，所述边框的材质包括PET、PEN或PI中的一种，所述边框的厚度为25-100μm。

在第一方面的一种实施方式中，所述阴极面的中部设有向内凹陷的阴极流场，所述阴极扩散层的外缘尺寸与阴极流场的尺寸相匹配，且所述第一边框和阴极面之间设有第一密封件。

在第一方面的一种实施方式中，所述阳极面的中部设有向内凹陷的阳极流场，所述阳极扩散层的外缘尺寸与阳极流场的尺寸相匹配，且所述第二边框和阳极面之间设有第一密封件。

在第一方面的一种实施方式中，所述第一密封件的材质包括有机硅、聚烯烃或EPDM中的一种。

在第一方面的一种实施方式中，相邻两块双极板的公共流道区域通过第二密封件进行密封，第二密封件的结构主要包括绝缘片以及双侧胶层，绝缘片的材质包括PI、PEN或PET中的一种，胶层的材质包括丙烯酸酯类胶、环氧树脂胶或聚酰亚胺胶中的一种非弹性体胶水，胶层结构包括直接涂覆在绝缘片两侧或使用热熔胶膜或两者的结合。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)整体膜电极边框尺寸减小，固定宽幅边框材料可裁出更多数量边框，节省了材料成本，并且边框被裁掉的活性区域部分还可用于公共流道绝缘片，进一步增加经济效益，由于边框是单侧胶层，则需要在无胶一侧使用热熔胶膜。

(2)阴阳极极板公共流道部分由非弹性体胶水粘接，中间膜电极边框与极板部分由弹性体密封件密封形成单池，利用极板自身刚性，计算好高度差可以使活性区域受力均一稳定，弹性体密封件受力均一稳定。

(3)使用单池进行电堆组装可以大大减少相关组件数量，提高组装精度，单池水流场部分可使用硬度较高的弹性体密封件，变形量较小可使电堆整体尺寸偏差减小，并且由于单池自身尺寸结构稳定，即使压装力发生小范围改变也不会影响膜电极的受力导致性能改变。

(4)当由于其他原因需要使极板与膜电极分离，本发明可有效使膜电极完整回收，方便回收使用。

附图说明

图1为本申请双极板的俯视结构示意图；

图2为本申请膜电极的剖面结构示意图；

图3为图2中A部的局部放大示意图；

图4为双极板和膜电极安装后的剖面结构示意图。

在附图中，1为双极板，11为流场，12为公共流道，13为第一密封件，14为粘合胶，15为阴极流场，16为阳极流场，2为膜电极，21为阴极扩散层，22为CCM膜，23为阳极扩散层，24为第一边框，25为第二边框，26为胶层。

具体实施方式

除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中列举的所有的从最低值到最高值之间的数值，是指当最低值和最高值之间相差两个单位以上时，最低值与最高值之间以一个单位为增量得到的所有数值。

以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明的实施方式进行修改和替换，所得实施方式也在本发明的保护范围之内。

本发明膜电极包括质子交换膜、双侧催化层、双侧回字形边框层、双侧扩散层。

取适当尺寸的背有热熔胶的PEN材料两张，使用冲压刀模或者激光雕刻机等方法裁剪出所需的回字框形状，使用激光定位或者工装定位将一张回子形边框与扩散层同轴心平放，扩散层外尺寸与边框内尺寸等同或者留0.1-0.3mm安装公差，将CCM同轴心平放在扩散层上，CCM四周比扩散层单边大出来2-6mm，方便将CCM固定在边框的胶层上，通过定位将另一侧的扩散层和边框同轴心平放在CCM之上，整体通过热压机进行热处理后即为七合一膜电极组件，此结构扩散层可以提供刚度支撑。

单池组装时，回字形密封区域阴阳极两侧放置高度合适的第一密封件，公共流道区域另放置匹配活性区域高度的第二密封件，也可以将两个区域密封件做成一个整体，使活性区域密封与公共流道区域密封互不干扰，此结构即为完整的回字形边框单池结构，第二密封件可选用简单的粘合胶，将相邻两块双极板的公共流道区域粘结。

回字形边框膜电极结构的优点在于电堆安装过程中无需过多考虑公共流道部分对于活性区域的干扰，且回字形边框膜电极整体结构更为稳定，制造公差小，对位精度高，多片电堆组装过程中上下受力点一致，可以大大提高电堆各单池的一致性。

第一密封件可由开模具注塑成型，装配过程另行放置，也可通过点胶设备提前固定在极板上。

公共流道绝缘问题，可以通过放置镂空绝缘片并且公共流道部分双侧密封，也可以通过在公共流道部分镀绝缘层，此方法只需要在公共流道部分设置一侧密封件即可，节省了相应的胶水成本，公共流道部分的阴阳极极板高度随膜电极活性区域高度的变化进行变化。

极板进出口方式最好选择极板背部进出的方式，也可以通过设置过桥片解决。

阴阳极两侧回字形边框内尺寸可以等同也可以不同，相应扩散层的大小也可以根据实际需要进行调整。

回字形边框层材质选择PET、PEN或PI中的一种，边框的厚度为25-100μm。

回字形边框层的粘结层选用的材质为热熔胶或压敏胶，胶水可具有初粘性，也可无初粘性，若使用压敏胶材质，膜电极整体贴合阶段需使用翻板贴膜机等设备。

质子交换膜主要组成为全氟磺酸树脂，选择市面常见的8-18μm复合膜。

双侧催化层可通过CCM方法与质子交换膜相结合，也可通过GDE方法与扩散层相结合，亦或任一侧使用其中一种方法结合。

催化层结合方式包括喷涂法、热转印法、直涂法等。

催化层尺寸等同于所需活性面积尺寸。

膜电极可采用双侧贴合回字形边框层，即为七合一膜电极结构，也可采用阴极或阳极其中一侧贴合回字形边框层，另一侧无需边框，即为六合一膜电极结构；

回字形边框层单侧宽度为2-15mm，四边同宽或者四边不同宽。

回字形边框层与质子交换膜、双侧催化层同轴心结合在一起，其外尺寸与质子交换膜等同也可略大，内尺寸与活性面积等同或根据实际情况调整。

实施例

下面将对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种燃料电池电堆的组装结构，电堆依次由双极板1和膜电极2交替堆叠形成，其中，双极板1的结构如图1所示，膜电极2的结构如图2、3所示，两者安装时的结构如图4所示。双极板1包括阴极面和阳极面(图1中仅显示其中一面)，阴极面和阳极面均独立地设置流场11和公共流道12，公共流道12位于流场11的两侧，即阴极面的中部设有向内凹陷的阴极流场15，且阴极流场15外围设有第一密封件13，阴极流场15的尺寸与阴极扩散层21的外缘尺寸相匹配。阳极面的中部设有向内凹陷的阳极流场16，且阳极流场16外围也设有第一密封件13，阳极流场16的尺寸与阳极扩散层23的外缘尺寸相匹配。

膜电极2包括同轴心布置的阴极扩散层21、CCM膜22、阳极扩散层23、第一边框24和第二边框25，阴极扩散层21、CCM膜22和阳极扩散层23依次堆叠布置，阴极扩散层21的外缘尺寸小于等于第一边框24的内缘尺寸，阳极扩散层23的外缘尺寸小于等于第二边框25的内缘尺寸，CCM膜22的外缘尺寸大于阴极扩散层21及阳极扩散层23的外缘尺寸，第一边框24和第二边框25相对的一侧设置胶层26，另一侧不设置胶层26，在本实施例中，胶层26为热熔胶。CCM膜22外缘的两侧分别与第一边框24和第二边框25通过胶层26粘结，第一边框24和第二边框25通过胶层26相互粘结。

在本实施例中，使用双侧回字形边框，内夹CCM，CCM外尺寸比第一边框24及第二边框25内尺寸单边大3mm，通过贴合机进行预紧固贴合，放置阴极扩散层21和阳极扩散层23，阴极扩散层21和阳极扩散层23外尺寸比第一边框24及第二边框25的内框尺寸小0.3mm作为边框变形量公差，再次平板热压的方式将阴极扩散层21和阳极扩散层23固定即为七合一膜电极2结构。组装电堆时，第一边框24的上侧(仅参考附图进行说明)与阴极流场15外围通过第一密封件13进行密封，相邻两块双极板1的公共流道12部分通过粘合胶14进行粘合，考虑到边框部分与公共流道12部分的高度差，可以在设计双极板1的时候在公共流道12部分做相应高度的台阶，或者在计算好变形量的前提下选择使用不同高度的密封件。

上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都在本申请的范围之内。

Claims (9)

1.一种燃料电池电堆的组装结构，所述电堆依次由双极板和膜电极交替堆叠形成，其特征在于，所述双极板包括阴极面和阳极面，所述阴极面和阳极面均独立地设置流场和公共流道，所述公共流道位于所述流场的两侧，安装时，所述膜电极与相邻双极板之间设置第一密封件，相邻两块双极板的公共流道区域通过第二密封件进行密封。

2.如权利要求1所述的燃料电池电堆的组装结构，其特征在于，所述膜电极包括同轴心布置的阴极扩散层、CCM膜、阳极扩散层、第一边框和第二边框，所述阴极扩散层、CCM膜和阳极扩散层依次堆叠布置，所述阴极扩散层的外缘尺寸小于等于所述第一边框的内缘尺寸，所述阳极扩散层的外缘尺寸小于等于所述第二边框的内缘尺寸，所述CCM膜的外缘尺寸大于所述阴极扩散层及阳极扩散层的外缘尺寸，所述CCM膜外缘的两侧分别与第一边框和第二边框通过胶层粘结，所述第一边框和第二边框通过胶层相互粘结。

3.如权利要求2所述的燃料电池电堆的组装结构，其特征在于，所述阴极扩散层的外缘尺寸比所述第一边框的内缘尺寸小0～0.3mm，所述阳极扩散层的外缘尺寸比所述第二边框的内缘尺寸小0～0.3mm，所述CCM膜的外缘尺寸比所述阴极扩散层及阳极扩散层的外缘尺寸大2～6mm。

4.如权利要求2所述的燃料电池电堆的组装结构，其特征在于，所述CCM膜包括质子交换膜以及通过喷涂法、热转印法或直涂法负载在质子交换膜两侧的阴极催化层和阳极催化层，所述质子交换膜的厚度为8～18μm，所述阴极催化层的厚度为5～15μm，所述阳极催化层的厚度为3～8μm。

5.如权利要求2所述的燃料电池电堆的组装结构，其特征在于，所述第一边框和第二边框相对的一侧设置胶层，另一侧不设置胶层，所述胶层为热熔胶或压敏胶。

6.如权利要求5所述的燃料电池电堆的组装结构，其特征在于，所述边框的材质包括PET、PEN或PI中的一种，所述边框的厚度为25-200μm。

7.如权利要求2所述的燃料电池电堆的组装结构，其特征在于，所述阴极面的中部设有向内凹陷的阴极流场，所述阴极扩散层的外缘尺寸与阴极流场的尺寸相匹配，且所述第一边框和阴极面之间设有第一密封件；

所述阳极面的中部设有向内凹陷的阳极流场，所述阳极扩散层的外缘尺寸与阳极流场的尺寸相匹配，且所述第二边框和阳极面之间设有第一密封件。

8.如权利要求1～7任一所述的燃料电池电堆的组装结构，其特征在于，所述第一密封件的材质包括有机硅、聚烯烃或EPDM中的一种。

9.如权利要求1所述的燃料电池电堆的组装结构，其特征在于，相邻两块双极板的公共流道区域通过第二密封件进行密封，第二密封件的结构主要包括绝缘片以及双侧胶层，绝缘片的材质包括PI、PEN或PET中的一种，胶层的材质包括丙烯酸酯类胶、环氧树脂胶或聚酰亚胺胶中的一种非弹性体胶水，胶层结构包括直接涂覆在绝缘片两侧或使用热熔胶膜或两者的结合。

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