CN114050287A - 一种单侧密封燃料电池电堆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单侧密封燃料电池电堆,所述电堆内包括至少一个依次堆叠的单电池结构,所述单电池结构包括一个单侧边框膜电极以及一块双极板,所述单侧边框膜电极包括中部的催化组件以及固定在催化组件外围的边框,所述边框有且仅有一侧涂覆胶层;所述双极板包括一侧的阴极面和另一侧的阳极面,所述阴极面和阳极面中有且只有一个面的外周固定有密封件,另一个面的外周为空白面,安装后,所述边框的胶层与空白面粘合,所述边框的另一侧与相邻单电池结构的密封件抵接并挤压。本发明将单侧边框膜电极中的边框直接与双极板进行粘合组成燃料电池单池,减少了双极板与膜电极中密封件的使用,节约了材料成本。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域,具体涉及一种单侧密封燃料电池电堆。
背景技术
目前质子交换膜燃料电池主要有石墨板双极板、金属双极板及复合双极板组成电堆。因每种材料有其优缺点,应用于不同的场景。虽然石墨板与金属板电堆制造工艺不同,但是石墨板和金属板在电堆堆叠组装工艺上还是有很多相同之处,都是将双极板、膜电极等物料按照一定顺序叠放整齐;经过加载、捆扎(螺栓联结或钢带焊接等工艺),气密性检测等工序,完成电堆的组装。
电堆组装过程中,双极板与膜电极按顺序依次叠放。密封件在膜电极和双极板之间形成阳极或阴极密封腔,每个腔室相互隔离,使用相应的密封件防止密封腔串气或泄露。一旦电堆某个密封腔发现串气或泄露现象,会降低电堆性能,严重时甚至会导致整个电堆失效。
随着对电堆功率越来越高的需求,诸多电堆厂商纷纷推出了超110kW大功率电堆,单池数量也大多都在300节以上。电堆单池数量的增加对电堆组装的一致性提出了更苛刻的要求,包括MEA制备的均匀性、MEA与双极板接触压力和组装时密封件的压缩率等。以上这些都可能会导致电堆内单池阻力分配不均,一旦出现阻力过大或过小的单池,电堆在大功率运行时阻力过大的单池会首先发生反极。电堆组装过程中组装压力越大,密封件变形越大,密封效果越好,但是过大的压缩率会降低密封件的使用寿命。
因此,本领域急需一种一致性强且组装效率高的燃料电池电堆。
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单侧密封燃料电池电堆。
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,本申请提供一种单侧密封燃料电池电堆,所述电堆内包括至少一个依次堆叠的单电池结构,所述单电池结构包括一个单侧边框膜电极以及一块双极板,所述单侧边框膜电极包括中部的催化组件以及固定在催化组件外围的边框,所述边框有且仅有一侧涂覆胶层;所述双极板包括一侧的阴极面和另一侧的阳极面,所述阴极面和阳极面中有且只有一个面的外周固定有密封件,另一个面的外周为空白面。电堆组装前,根据边框胶层的属性,通过上压板、下压板将单侧边框膜电极和双极板冷压或热压粘合在一起,所述边框的胶层与空白面粘合,所述边框的另一侧与相邻单电池结构的密封件抵接并挤压。在组装时,通过胶层与空白面的粘合,使得单侧边框膜电极与双极板固定形成一个单电池结构,同时胶层能保证单侧边框膜电极与双极板之间形成密封结构。电堆组装过程依次堆叠上述单侧密封的单电池结构,相邻两个单电池结构之间,可以通过双极板上密封件进行密封,即不进行固定,当整个燃料电池电堆到达组装压力时,密封件受力变形,保证相邻两个单电池结构之间的密封。通过将单侧边框膜电极和一侧不带有密封件的双极板粘合,构成膜电极+双极板燃料电池单池,减少了密封件和边框的使用并且提高了电堆组装效率,同时避免了电堆组装过程中膜电极和极板移位现象。
在第一方面的一种实施方式中,所述催化组件依次包括阴极扩散层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层和阳极扩散层,所述质子交换膜的一侧边缘设有直角凹槽,所述边框的内缘与直角凹槽抵接,所述边框涂覆胶层的一侧与直角凹槽的底边粘合,所述边框的另一侧与质子交换膜的顶面齐平;所述质子交换膜的边缘的尺寸均小于所述边框外缘的尺寸,所述阴极扩散层和阳极扩散层的边缘的尺寸大于边框内缘的尺寸且小于边框外缘的尺寸;所述阴极催化层和阳极催化层的边缘的尺寸小于质子交换膜的边缘的尺寸。
在第一方面的一种实施方式中,所述阴极催化层和阳极催化层为通过喷涂、刷涂或转印制备的CCM型催化层。
在第一方面的一种实施方式中,所述阴极扩散层和阳极扩散层与所述边框粘结,为避免气体扩散层四周的碳纤维直接接触质子膜刺破质子膜,出现针孔、裂纹,本发明扩散层四周与边框贴合,所述阴极扩散层和阳极扩散层的边缘的尺寸比所述边框内缘的尺寸大1~3mm;比所述边框外缘的尺寸小2~5mm。
在第一方面的一种实施方式中,边框既需要和质子膜形成膜电极,又需要与极板粘合形成单侧密封单电池,故质子膜的尺寸应略大于边框尺寸,小于边框外尺寸。所述质子交换膜的边缘的尺寸比所述边框内缘的尺寸大1~3mm;比所述边框外缘的尺寸小2~5mm。
在第一方面的一种实施方式中,所述双极板的阴极面中部设有阴极槽,所述阴极槽的尺寸与所述阴极扩散层的尺寸相匹配;所述双极板的阳极面中部设有阳极槽,所述阳极槽的尺寸与所述阳极扩散层的尺寸相匹配。
在第一方面的一种实施方式中,所述密封件为密封垫圈,其材质可为有机硅、聚烯烃以及EPDM等。
在第一方面的一种实施方式中,所述边框的材质为PEN、PET或PI中的一种,所述边框的厚度为20~150μm。
在第一方面的一种实施方式中,所述胶层为热熔胶或压敏胶,所述胶层的厚度为10~50μm。
在第一方面的一种实施方式中,所述上压板、下压板、单侧边框膜电极以及双极板上均设有相匹配的定位孔。该结构能够避免组装过程中膜电极和双极板错位问题,提高了电堆一致性,同时也大大提高了电堆组装效率。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
(1)将单侧边框膜电极中的边框直接与双极板进行粘合组成燃料电池单池,减少了双极板与膜电极中密封件的使用,节约了材料成本;
(2)避免了在组装过程中膜电极和双极板错位问题,提高了电堆一致性,同时也大大提高了电堆组装效率。
附图说明
图1为本申请单侧边框膜电极的剖面结构示意图;
图2为图1中A部的局部放大示意图;
图3为本申请双极板的结构示意图;
图4为双极板中阴极面的结构示意图;
图5为双极板中阳极面的结构示意图;
图6为相邻两块单电池结构堆叠后的结构示意图;
图7为单电池结构在组装示意图。
在附图中,1为阴极扩散层,2为阴极催化层,3为质子交换膜,4为阳极催化层,5为阳极扩散层,6为边框,7为胶层,8为单侧边框膜电极,9为双极板,10为阳极面,11为阳极槽,12为阴极面,13为阴极槽,14为密封垫圈,15为定位孔,16为上压板,17为下压板。
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。
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
一种单侧密封燃料电池电堆,电堆内包含多个依次堆叠的单电池结构,每个单电池结构包括一个单侧边框膜电极8和一个双极板9,其中,单侧边框膜电极8的结构如图1、图2所示,双极板9的结构如图3、图4、图5所示,两个单电池结构堆叠的状态如图6所示。具体如下:
单侧边框膜电极8包括边框6以及从上往下依次分布的阴极扩散层1、阴极催化层2、质子交换膜3、阳极催化层4、阳极催化层4,其中阴极催化层2和阳极催化层4分别涂覆在质子交换膜3两侧。在本实施例中,边框6与阴极催化层2同侧;质子交换膜3的上侧外缘(即涂覆阴极催化层2的一侧)设有一个直角凹槽,边框6的内缘紧贴在该直角凹槽表面。边框6的下侧表面附有热熔胶,形成胶层7,并通过该胶层7与质子交换膜3粘合。边框6厚度为20-150um,胶层7厚度10-50um,阴极扩散层1和阳极扩散层5尺寸比边框6内框大1-3mm,比边框6外壁小2-5mm,且阴极扩散层1和阳极扩散层5的边缘通过聚酰亚胺胶带或胶水固定在边框6上。质子交换膜3的尺寸比边框6内框大1-3mm,比边框6外壁小2-5mm。阴极扩散层1和阳极扩散层5的尺寸比质子交换膜3的尺寸小1mm左右。
双极板9包括阳极面10和阴极面12,在阳极面10的中央设有阳极槽11,该阳极槽11刚好能够容纳阳极扩散层5,在阴极面12的中央设有阴极槽13,该阴极槽13刚好能够容纳阴极扩散层1。在本实施例中,阴极面12的外缘留有密封垫圈14,而在阳极面10的外缘没有密封垫圈14。
在组装上述单电池结构时,先将单侧边框膜电极8的阳极扩散层5置于双极板9阳极面10的阳极槽11内,并通过定位孔15进行位置校准,然后在其上方和下方分别压上上压板16和下压板17,其中,上压板16和下压板17上也有匹配的定位孔15,。然后热压使得热熔胶融化,粘合边框6和阳极面10,形成单电池结构,其中,热压温度100-160℃,热压时间30s-120s,热压压力0.5-2.0Mpa,如图7所示。最后,将多个单电池结构依次堆叠,在相邻的两个单电池结构中增设密封垫圈14,最后加载、捆扎,使得密封垫圈14挤压变形,起到密封作用,得到燃料电池电堆。
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 (10)
1.一种单侧密封燃料电池电堆,,其特征在于,所述电堆内包括至少一个依次堆叠的单电池结构,所述单电池结构包括一个单侧边框膜电极以及一块双极板,所述单侧边框膜电极包括中部的催化组件以及固定在催化组件外围的边框,所述边框有且仅有一侧涂覆胶层;所述双极板包括一侧的阴极面和另一侧的阳极面,所述阴极面和阳极面中有且只有一个面的外周固定有密封件,另一个面的外周为空白面,安装后,所述边框的胶层与空白面粘合,所述边框的另一侧与相邻单电池结构的密封件抵接并挤压。
2.如权利要求1所述的单侧密封燃料电池电堆,其特征在于,所述催化组件依次包括阴极扩散层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层和阳极扩散层,所述质子交换膜的一侧边缘设有直角凹槽,所述边框的内缘与直角凹槽抵接,所述边框涂覆胶层的一侧与直角凹槽的底边粘合,所述边框的另一侧与质子交换膜的顶面齐平;所述质子交换膜的边缘的尺寸均小于所述边框外缘的尺寸,所述阴极扩散层和阳极扩散层的边缘的尺寸大于边框内缘的尺寸且小于边框外缘的尺寸;所述阴极催化层和阳极催化层的边缘的尺寸小于质子交换膜的边缘的尺寸。
3.如权利要求2所述的单侧密封燃料电池电堆,其特征在于,所述阴极催化层和阳极催化层为通过喷涂、刷涂或转印制备的CCM型催化层。
4.如权利要求2所述的单侧密封燃料电池电堆,其特征在于,所述阴极扩散层和阳极扩散层与所述边框粘结,且所述阴极扩散层和阳极扩散层的边缘的尺寸比所述边框内缘的尺寸大1~3mm;比所述边框外缘的尺寸小2~5mm。
5.如权利要求2所述的单侧密封燃料电池电堆,其特征在于,所述质子交换膜的边缘的尺寸比所述边框内缘的尺寸大1~3mm;比所述边框外缘的尺寸小2~5mm。
6.如权利要求2所述的单侧密封燃料电池电堆,其特征在于,所述双极板的阴极面中部设有阴极槽,所述阴极槽的尺寸与所述阴极扩散层的尺寸相匹配;所述双极板的阳极面中部设有阳极槽,所述阳极槽的尺寸与所述阳极扩散层的尺寸相匹配。
7.如权利要求6所述的单侧密封燃料电池电堆,其特征在于,所述密封件为密封垫圈。
8.如权利要求1~7任一所述的单侧密封燃料电池电堆,其特征在于,所述边框的材质为PEN、PET或PI中的一种,所述边框的厚度为20~150μm。
9.如权利要求1~7任一所述的单侧密封燃料电池电堆,其特征在于,所述胶层为热熔胶或压敏胶,所述胶层的厚度为10~50μm。
10.如权利要求1所述的单侧密封燃料电池电堆,其特征在于,所述单侧边框膜电极以及双极板上均设有相匹配的定位孔。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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