CN114899441B

CN114899441B - 氢燃料电池单体和氢燃料电池电堆的制造方法

Info

Publication number: CN114899441B
Application number: CN202210820570.XA
Authority: CN
Inventors: 李骁; 龙红涛
Original assignee: Wuhan Troowin Power System Technology Co ltd
Current assignee: Wuhan Troowin Power System Technology Co ltd
Priority date: 2022-07-13
Filing date: 2022-07-13
Publication date: 2022-11-01
Anticipated expiration: 2042-07-13
Also published as: CN114899441A

Abstract

本发明提供一种氢燃料电池单体的制造方法，其包括步骤S101：设置第一热固化型粘合剂在阴极边框的外缘和阴极板之间，和设置阴极气体扩散层的周缘在所述阴极边框的内缘和所述阴极板之间，以制得阴极预制组件、步骤S102、将所述阴极预制组件置于热固化装置中加热，以制得所述氢燃料电池单体的阴极组件和步骤S103、将所述阴极组件、相应的质子交换膜、阳极边框、阳极气体扩散层、阳极板和阳极密封件制成所述氢燃料电池单体，本发明氢燃料电池单体的制造方法能够避免损坏质子交换膜。

Description

氢燃料电池单体和氢燃料电池电堆的制造方法

技术领域

本发明涉及氢燃料电池技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池单体的制造方法。本发明进一步涉及一种氢燃料电池电堆的制造方法。

背景技术

燃料电池，例如氢燃料电池，是一种将燃料（氢气）和氧化剂（氧气）电化学反应释出的能量转换为电能的发电装置，其能量转换不受“卡诺循环”的限制，能量转换效率要显著高出普通热机。除此之外，氢燃料电池还具有无污染、噪声低、可靠性高等优点。

一般地，氢燃料电池的氢燃料电池电堆由若干氢燃料电池单体堆叠组成，以提高所述氢燃料电池的功率。每个氢燃料电池单体包括阴极板、阳极板和夹设在所述阴极板和所述阳极板之间的膜电极组件（MEA, Membrane Electrode Assembly），其中所述膜电极组件包括阴极气体扩散层、阳极气体扩散层、质子交换膜和膜边框，其中所述质子交换膜包括膜本体和附着于所述膜本体的催化剂层。氢气或含氢气的气体通过所述阳极板被提供，并通过所述阳极气体扩散层扩散至所述质子交换膜的阳极侧，氧气或含氧气的气体通过所述阴极板被提供，并通过所述阴极气体扩散层扩散至所述质子交换膜的阴极侧。为了防止氢气或含氢气的气体泄漏至外界环境中，所述阳极板与所述膜电极组件之间应当相对于外界环境密封，相应地，为了防止氧气或含氧气的气体向外界环境泄露，所述阴极板与所述膜电极组件之间也应当相对于外界环境密封。

目前，常用于实现极板与膜电极组件之间的密封的密封件能够在受到压力后明显被压缩，从而实现极板与膜电极组件之间相对于外界的可靠密封。然而，所述能够被明显压缩的密封件具有较大的厚度，其导致氢燃料电池单体的整体厚度也较大。

申请号200980150763.1的中国发明专利教导了一种解决氢燃料电池单体的整体厚度较大问题的方案，其将阴极板与膜电极组件之间的较厚且能够被明显压缩的密封件（其密封性相对更强）替换为较薄且相对不可被压缩的密封件（其密封性相对稍弱），以牺牲密封性为代价换取较小的厚度尺寸。由于阴极板与膜电极组件之间流通的是氧气或含有氧气的气体（如空气），其相对于外界环境具有一定的泄漏率是能够被接受的，不会导致安全问题，也不影响氢燃料电池的正常工作。通常，所述较薄且相对不可被压缩的密封件由粘合剂固化后形成。然而，所述氢燃料电池单体的传统制造方法存在明显缺陷：其在制备氢燃料电池单体时，需要将粘合剂（通常为热固化型粘合剂）涂设在膜电极组件和阴极板之间，然后再将所述阴极板和所述膜电极组件整体置于热固化装置中被加热，使所述粘合剂受热固化成型，从而将所述膜电极组件粘接于所述阴极板，和在二者之间形成所述较薄且相对不可被压缩的密封件。然而，现有常用粘合剂的固化温度显著高于所述膜电极组件的质子交换膜的耐热温度。在将所述阴极板和所述膜电极组件整体置于热固化装置中被加热，以热固化粘合剂时，所述膜电极组件的所述质子交换膜容易在所述热固化装置中被加热至过高的温度而产生不可逆的损伤，导致所述质子交换膜的性能下降甚至完全丧失功能。

发明内容

本发明的主要优势在于提供一种氢燃料电池单体的制造方法，其中本发明氢燃料电池单体的制造方法的热固化粘合剂被加热固化，以形成阴极密封件的步骤，对膜电极组件的质子交换膜无任何影响。换句话说，本发明氢燃料电池单体的制造方法能够在不损伤所述氢燃料电池单体的膜电极组件的质子交换膜的前提下，使热固化型粘合剂受热固化成型和形成阴极密封件。

本发明的另一优势在于提供一种氢燃料电池单体的制造方法，其克服了现有氢燃料电池单体制造方法的技术偏见，彻底解决了现有氢燃料电池单体制造方法的所述质子交换膜易于在所述热固化型粘合剂的加热固化过程中因温度过高而受损的技术问题。

本发明的其它目的和特点通过下述的详细说明得以充分体现并可通过具体实施方式中的手段和装置的组合得以实现。

相应地，依本发明实施例，具有至少一个前述优势的本发明氢燃料电池单体的制造方法包括以下步骤：

S101、设置第一热固化型粘合剂在阴极边框的外缘和阴极板之间，和设置阴极气体扩散层的周缘在所述阴极边框的内缘和所述阴极板之间，以制得阴极预制组件，其中所述阴极板的阴极流场侧面向所述阴极气体扩散层和所述阴极边框；

S102、将所述阴极预制组件置于热固化装置中加热，以使所述第一热固化型粘合剂受热固化成型和形成所述氢燃料电池单体的阴极密封件，从而制得所述氢燃料电池单体的阴极组件；和

S103、将所述阴极组件、所述氢燃料电池单体的质子交换膜、所述氢燃料电池单体的阳极边框、所述氢燃料电池单体的阳极气体扩散层、所述氢燃料电池单体的阳极板和所述氢燃料电池单体的阳极密封件制成所述氢燃料电池单体。

根据本发明的另一方面，本发明进一步提供一种氢燃料电池电堆的制造方法，其包括以下步骤：

S1、制备氢燃料电池单体；和

S2、将所述氢燃料电池单体按照预设方向依次相堆叠在一起，其中所述步骤S1进一步包括下述步骤：

S201、设置第一热固化型粘合剂在阴极边框的外缘和前一个氢燃料电池单体的阴极板之间，设置阴极气体扩散层的周缘在所述阴极边框的内缘和所述阴极板之间，和设置第二热固化型粘合剂在所述阴极板和后一个氢燃料电池单体的阳极板之间，以制得双极预制组件，其中所述阴极板的阴极流场侧面向所述阴极气体扩散层和所述阴极边框；

S202、将所述双极预制组件置于热固化装置中加热，以使所述第一热固化型粘合剂固化成型，形成阴极密封件，和使所述第二热固化型粘合剂受热固化成型，形成所述阴极板和所述阳极板之间的粘接密封件，从而制得双极组件；

S203、将至少一个所述双极组件、相应质子交换膜、相应阳极边框、相应阳极气体扩散层和相应的阳极密封件制成所述氢燃料电池电堆。

结合下述描述和说明书附图，本发明上述的和其它的优势将得以充分体现。

本发明上述的和其它的优势和特点，通过下述对本发明的详细说明和说明书附图得以充分体现。

附图说明

图1是根据本发明实施例的氢燃料电池单体的制造方法制得的氢燃料电池单体的示意图。

图2是根据本发明实施例的氢燃料电池单体的制造方法制得的氢燃料电池单体的爆炸示意图。

图3所示的是根据本发明实施例的氢燃料电池单体的制造方法的具体步骤。

图4是根据本发明实施例的氢燃料电池单体的制造方法的流程图。

图5所示的是根据本发明氢燃料电池电堆的制造方法的流程图。

图6所示的是根据本发明实施例的氢燃料电池电堆的制造方法的可选实施的具体步骤。

图7是根据本发明实施例的氢燃料电池电堆的制造方法的流程图。

具体实施方式

以下描述被提供以使本领域普通技术人员能够实现本发明。本领域普通技术人员可以想到其它显而易见的替换、修改和变形。因此，本发明所保护范围不应受到本文所描述的示例性的实施方式的限制。

本领域普通技术人员应该理解，除非本文中特地指出，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个。

本领域普通技术人员应该理解，除非本文中特地指出，术语“纵向”、 “横向”、“上”、 “下”、 “前”、 “后”、 “左”、 “右”、 “竖直”、 “水平”、 “顶”、 “底”、 “内”、 “外”等所指代的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所涉及的装置或元件必须具有特定的方位或位置。因此，上述术语不应理解为对本发明的限制。

参考本发明说明书附图之图1和图2，依本发明实施例的氢燃料电池单体的制造方法制得的氢燃料电池单体包括相堆叠在一起的阴极组件1、质子交换膜31、阳极气体扩散层32、阳极边框33、阳极板2和阳极密封件4，其中所述质子交换膜31被设置在所述阴极组件1和所述阳极边框33之间，所述阳极气体扩散层32被设置在所述阳极边框33和所述阳极板2之间，所述阳极密封件4被设置在所述阳极边框33的外缘331和所述阳极板2之间，所述阳极气体扩散层32的周缘321被设置在所述阳极边框33的内缘332和所述阳极板2之间。可以理解，所述质子交换膜31包括膜本体和附着于所述膜本体的催化剂层。

如附图之图1和图2所示，进一步地，依本发明实施例的氢燃料电池单体的制造方法制得的氢燃料电池单体的阴极组件1包括阴极板11、阴极气体扩散层12、阴极边框13和阴极密封件14，其中所述阴极密封件14形成在所述阴极边框13的外缘131和所述阴极板11之间，所述阴极气体扩散层12的周缘121被设置在所述阴极边框13的内缘132和所述阴极板11之间，且所述阴极板11的阴极流场侧100被设置面向所述阴极气体扩散层12，所述阴极气体扩散层12被设置面向所述质子交换膜31的一侧，所述阳极板2的阳极流场侧200被设置面向所述阳极气体扩散层32，所述阳极气体扩散层32被设置面向所述质子交换膜31的另一侧。本领域技术人员可以理解，所述阴极板11的氧化剂流道形成在所述阴极板11的所述阴极流场侧100，用于引导氧化剂（氧气或者含有氧气的气体，如空气）流动，所述阳极板2的燃料流道形成在所述阳极板2的所述阳极流场侧200，用于引导燃料（氢气或者含有氢气的气体）流动，从而使氧化剂和燃料能够分别被供应至所述质子交换膜31的两侧参与电化学反应。

值得注意的是，尽管本发明氢燃料电池单体的制造方法得到的氢燃料电池单体与现有的氢燃料电池单体的制造方法得到的氢燃料电池单体在结构方面并无明显差异，其阴极组件1的所述阴极气体扩散层12、所述阴极组件1的所述阴极边框13、所述质子交换膜31、所述阳极气体扩散层32、所述阳极边框33可视为膜电极组件。然而，本发明氢燃料电池单体的制造方法与现有的氢燃料电池单体的制造方法在具体步骤上存在明显差异，从而使得本发明氢燃料电池单体的制造方法克服了现有氢燃料电池单体的制造方法的缺陷和避免在制备氢燃料电池单体的过程中，损伤所述质子交换膜31。具体地，与现有的氢燃料电池单体的制造方法不同，本发明氢燃料电池单体的制造方法先将第一热固化型粘合剂（例如，热固性树脂或含有热固性树脂的热固化型粘合剂）设置在所述阴极边框13的外缘131和所述阴极板11之间，和将所述阴极气体扩散层12的周缘121设置在所述阴极边框13的内缘132和所述阴极板11之间，以制备阴极预制组件101。可以理解，所述阴极预制组件101的所述阴极板11的所述阴极流场侧100面向所述阴极气体扩散层12和所述阴极边框13。然后，所述阴极预制组件101被置于热固化装置中加热，以使所述第一热固化型粘合剂受热固化成型和形成所述氢燃料电池单体的所述阴极密封件14和制得所述氢燃料电池单体的所述阴极组件1。

现有的氢燃料电池单体的制造方法在制备氢燃料电池单体时，总是将膜电极组件作为一个整体，而从未考虑将其作为氢燃料电池单体的多个部件来考虑。这种情况由两个可能原因导致。一个原因是所述质子交换膜31较为脆弱，导致氢燃料电池单体（或氢燃料电池电堆）制造商在制备氢燃料电池单体时，总是倾向于先将所述质子交换膜31、所述阴极边框13、所述阴极气体扩散层12、所述阳极气体扩散层32和所述阳极边框33制备成膜电极组件，以使其不易被外力损伤。另一个原因是目前绝大多数氢燃料电池制造商（几乎所有氢燃料电池制造商）的膜电极组件均来自于外购，从而导致氢燃料电池制造商从未将膜电极组件的每个制备步骤放入氢燃料电池单体和电堆的制造中整体考虑。也就是说，在解决质子交换膜易于在所述热固化型粘合剂加热固化以成所述阴极密封件14的过程中因温度过高而受损的技术问题时，本领域技术人员因受到现有制造方法的束缚，更容易想到的是更换粘合剂的种类，如更换为光固化型粘合剂，而不容易想到本发明提出的制造方法。

因此，本发明氢燃料电池单体的制造方法克服了现有技术的偏见和盲区，将耐高温的所述阴极板11、所述阴极边框13和所述阴极气体扩散层12预先制成所述阴极组件1，在将较大厚度的传统密封件替换成热固化型粘合剂形成的较薄的所述阴极密封件14的同时，还避免了热固化型粘合剂加热固化过程中对所述质子交换膜31的损伤。

相应地，所述阴极密封件14由热固化型粘合剂受热固化成型，相对于厚度较厚且能够被明显压缩的传统密封件，所述阴极密封件14的厚度较薄且相对不可被压缩，从而显著降低氢燃料电池单体的厚度。虽然这势必会导致其密封性稍弱，但是其能够减小所述氢燃料电池单体的整体厚度，而且，由于所述阴极板11与所述膜电极组件之间流通的是氧气或含有氧气的气体（如空气），其相对于外界环境具有一定的泄漏率是能够被接受的，不会导致安全问题，也不影响氢燃料电池的正常工作。

如附图之图3和图4所示，依本发明实施例，本发明氢燃料电池单体的制造方法包括以下步骤：

S102、将所述阴极预制组件置于热固化装置中加热，以使所述第一热固化型粘合剂受热固化成型和形成所述氢燃料电池单体的阴极密封件，从而制得所述氢燃料电池单体的阴极组件；

值得一提的是，所述步骤S103中所述阴极组件指的是所述阴极预制组件在其第一热固化型粘合剂固化成所述阴极密封件14后所制得的结构。

具体地，在所述步骤S101中，可以将所述第一热固化型粘合剂先附着于所述阴极边框13的所述外缘131，也可以将所述第一热固化型粘合剂先附着于所述阴极板11的密封部111。相应地，所述阴极密封件14形成在所述阴极边框13的所述外缘131和所述阴极板11的所述密封部111之间。优选地，所述第一热固化型粘合剂先附着于所述阴极板11的所述密封部111，以便于根据形成于所述密封部111的密封构造精准地将所述第一热固化型粘合剂设置于所述阴极板11的所述密封部111的相应区域。

在本发明的一个实施例中，所述氢燃料电池单体的制造方法的所述步骤S101包括以下步骤：

在将所述阴极气体扩散层12和所述阴极边框13设置于所述阴极板11的所述阴极流场侧100之前，预先将所述阴极边框13的所述内缘132粘接于所述阴极气体扩散层12的所述周缘121。

本发明氢燃料电池单体的制造方法通过将所述阴极边框13与所述阴极气体扩散层12相互粘接形成一个整体，从而使所述阴极边框13在所述阴极气体扩散层12的结构支撑作用下，更容易保持平整，从而便于将所述阴极边框13放置于所述阴极板11的所述阴极流场侧100，降低组装难度。

如说明书附图5所示，在本发明的另一个实施例中，本发明氢燃料电池单体的制造方法的所述步骤S101进一步包括以下步骤：

将所述阴极气体扩散层12压合于所述阴极板11的所述阴极流场侧100；

将所述第一热固化型粘合剂附着于所述阴极板11的所述密封部111；

将所述阴极边框13放置于所述阴极板11的所述阴极流场侧100，其中所述阴极边框13的所述内缘132正对所述阴极气体扩散层12的所述周缘121，所述阴极边框13的所述外缘131正对所述阴极板11的所述密封部111。

相应地，所述阴极边框13与所述阴极气体扩散层12不再预先粘接成一个整体，虽然这样做会提高所述阴极边框13的装配难度，但是省去了一个粘接步骤，大大降低了制造所述氢燃料电池单体的时间成本，且当所述热固化型粘合剂固化成型后，所述阴极边框13的所述外缘131牢靠地粘合于所述阴极板1的所述密封部111，所述阴极气体扩散层12能够被约束在所述阴极板1和所述阴极边框13的所述内缘132之间，不影响所述氢燃料电池单体制造的后续步骤，且不会增加所述步骤S103的难度。

如附图之图3和图4所示，相应地，根据本发明实施例，本发明进一步提供一种氢燃料电池电堆的制造方法，其包括以下步骤：

S1、制备氢燃料电池单体；和

因此，依据本发明氢燃料电池单体的制造方法，所述氢燃料电池单体的质子交换膜31不再被放置于热固化装置中加热，解决了所述质子交换膜31在所述热固化型粘合剂的固化过程中因温度过高而受损的技术问题。尤其难能可贵的是，本发明的氢燃料电池单体的制造方法不再将膜电极组件的整体制造自氢燃料电池单体的制造方法中独立分割出来，而是将膜电极组件的组装步骤拆解，并适应性地整合进氢燃料电池单体的制造步骤中，依据本发明先制造所述阴极预制组件101，再完整制造所述氢燃料电池单体的核心发明精神，本发明能够在不损伤所述氢燃料电池单体的所述膜电极组件的所述质子交换膜31的前提下，使所述膜电极组件的所述阴极边框13与所述氢燃料电池单体的所述阴极板1之间的所述第一热固化型粘合剂受热固化成型，以形成所述阴极密封件14。因此，本发明氢燃料电池单体的制造方法克服了本行业的惯性认知带来的技术盲区和偏见，彻底解决了质子交换膜在所述热固化型粘合剂的固化过程中因温度过高而受损的技术问题。

根据本发明实施例，本发明进一步提供另一种氢燃料电池电堆的制造方法，其中所述氢燃料电池电堆包括多个所述氢燃料电池单体，多个所述氢燃料电池单体堆叠形成所述氢燃料电池电堆。为了阐述所述氢燃料电池电堆的制造方法，本发明从传统的氢燃料电池电堆制造方法开始逐步展开描述。传统的氢燃料电池电堆制造方法主要分为两种，一种是以单独的阴极板、单独的阳极板和膜电极组件作为组装氢燃料电池电堆的零部件，依次进行堆叠，以形成氢燃料电池单体的堆叠结构，另一种则是预先将一个氢燃料电池单体的阴极板和另一个氢燃料电池单体的阳极板固定在一起形成双极板，然后以双极板和膜电极组件作为组装氢燃料电池电堆的零部件，依次进行堆叠，同样能够形成氢燃料电池单体的堆叠结构，而且，以双极板作为零部件的制造方法的效率更高。通常，阴极板和阳极板以粘接的形式固定在一起并实现二者之间的粘接密封，从而形成双极板。

依据本发明的核心发明精神，在避免质子交换膜受损的前提下，结合以双极板作为制造氢燃料电池电堆的零部件的技术路线，本发明的氢燃料电池电堆的制造方法创造性地将阴极边框、阴极气体扩散层、前一个氢燃料电池单体的阴极板和后一个氢燃料电池单体的阳极板，通过热固化型粘合剂受热固化成型的方式，预制成一个双极组件，通过一次固化步骤，使所述阴极边框与所述阴极板之间的热固化型粘合剂，以及所述阴极板与所述阳极板之间的热固化型粘合剂，共同固化成型，以使所述阴极边框与所述阴极板之间的热固化型粘合剂形成阴极密封件，并且使所述阴极板和所述阳极板粘接形成双极板，从而提高效率。

如附图之图6和图7所示，依本发明实施例，本发明进一步提供另一种氢燃料电池电堆的制造方法，其包括以下步骤：

值得一提的是，所述步骤S203中所述的双极组件指的是所述双极预制组件在其第一热固化型粘合剂和第二热固化型粘合剂均固化成型后所制得的结构。

本领域普通技术人员应该理解，上述描述和附图所示的实施方式仅仅是为了示例性地解释本发明，而不是对本发明的限制。所有在本发明精神之内的等同实施、修改和改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种氢燃料电池单体的制造方法，其特征在于，包括下述步骤：

S103、将所述阴极组件、所述氢燃料电池单体的质子交换膜、所述氢燃料电池单体的阳极边框、所述氢燃料电池单体的阳极气体扩散层、所述氢燃料电池单体的阳极板和所述氢燃料电池单体的阳极密封件制成所述氢燃料电池单体，其中所述质子交换膜包括膜本体和附着于所述膜本体的催化剂层。

2.根据权利要求1所述的氢燃料电池单体的制造方法，其特征在于，所述步骤S101进一步包括以下步骤：

将所述阴极气体扩散层压合于所述阴极板的所述阴极流场侧；

将所述第一热固化型粘合剂附着于所述阴极板的密封部；

将所述阴极边框放置于所述阴极板的所述阴极流场侧，其中所述阴极边框的所述内缘正对所述阴极气体扩散层的所述周缘，所述阴极边框的所述外缘正对所述阴极板的所述密封部。

3.根据权利要求1所述的氢燃料电池单体的制造方法，其特征在于，所述步骤S101包括以下步骤：

在将所述阴极气体扩散层和所述阴极边框设置于所述阴极板的所述阴极流场侧之前，预先将所述阴极边框的所述内缘粘接于所述阴极气体扩散层的所述周缘。

4.根据权利要求1所述的氢燃料电池单体的制造方法，其特征在于，在所述步骤S101中，将所述第一热固化型粘合剂先附着于所述阴极边框的所述外缘。

5.根据权利要求1所述的氢燃料电池单体的制造方法，其特征在于，在所述步骤S101中，将所述第一热固化型粘合剂先附着于所述阴极板的密封部。

6.一种氢燃料电池电堆的制造方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1、制备氢燃料电池单体；

7.根据权利要求6所述的氢燃料电池电堆的制造方法，其特征在于，所述步骤S101进一步包括以下步骤：

将所述第一热固化型粘合剂附着于所述阴极板的密封部；

8.根据权利要求6所述的氢燃料电池电堆的制造方法，其特征在于，所述步骤S101包括以下步骤：

9.根据权利要求6所述的氢燃料电池电堆的制造方法，在所述步骤S101中，将所述第一热固化型粘合剂先附着于所述阴极板的密封部。

10.一种氢燃料电池电堆的制造方法，其特征在于，包括下述步骤：

S203、将至少一个所述双极组件、相应质子交换膜、相应阳极边框、相应阳极气体扩散层和相应的阳极密封件制成所述氢燃料电池电堆，其中所述质子交换膜包括膜本体和附着于所述膜本体的催化剂层。