CN116014170A - 单极板组件、单体电池、电堆组件及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种单极板组件、单体电池、电堆组件及燃料电池，其中，单极板组件，包括：板体，所述板体具有第一侧面，所述第一侧面上形成有沿其长度方向延伸的冷却液流道区和设置有位于所述冷却液流道区外侧的第一凸起；以及密封件，所述密封件设置于所述第一侧面上；所述密封件包括第一密封环和第二密封环，所述第一密封环设置于所述冷却液流道区的流道边缘，用于密封所述冷却液流道区；所述第二密封环环绕所述第一密封环设置，并位于所述板体的长度边缘；所述第一密封环和所述第二密封环在所述板体的宽度方向上间隔设置，以形成间隙；所述第一凸起位于所述间隙内。本申请旨在能同时提高冷却液流道的密封性和单体电池之间的导电性。

Description

单极板组件、单体电池、电堆组件及燃料电池

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种单极板组件、单体电池、电堆组件及燃料电池。

背景技术

电堆组件是燃料电池的核心组件。电堆组件包括多个堆叠而成的单体电池。相邻的两个单体电池中的其中一个的阴极板与另一个的阳极板相互接触，以使得两者电连接，为了具有良好的导电能力，两者之间具有一定的导电接触面积。同时，由于电堆组件在发电过程中产生热量，因而相邻的两个单体电池中的其中一个的阴极板与另一个的阳极板构建出冷却液流道，并且设置有密封件用于密封冷却液流道，以确保电堆组件处于合理的工作温度内。

然而，现有技术中，密封件的设置会导致导电接触面积的减少。因此，如何保证相邻的两个单体电池具有较大的导电面积，并保证较好的密封效果，是亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请提供一种单极板组件、单体电池、电堆组件及燃料电池，旨在能够同时提高密封效果和导电效果。

本申请实施例提出一种单极板组件，包括：

板体，所述板体具有第一侧面，所述第一侧面上形成有沿其长度方向形成的冷却液流道区和设置有位于所述冷却液流道区外侧的第一凸起；以及

密封件，所述密封件设置于所述第一侧面上；所述密封件包括第一密封环和第二密封环，所述第一密封环设置于所述冷却液流道区的流道边缘，用于密封所述冷却液流道区；所述第二密封环环绕所述第一密封环设置，并位于于所述板体的长度边缘；所述第一密封环和所述第二密封环在所述板体的宽度方向上间隔设置，以形成间隙；所述第一凸起位于所述间隙内。

可选地，所述密封件还包括连接部；所述连接部设置于间隙内，并连接所述第一密封环和所述第二密封环。

可选地，所述第一凸起设置有凹槽，所述连接部嵌设于所述凹槽内。

可选地，所述第一密封环背离所述第二密封环的一侧具有朝向所述冷却液流道区凸出的多个峰部和背离所述冷却液流道区凹陷的多个谷部，多个所述峰部和多个所述谷部均在所述长度方向间隔设置，且相邻的两个所述峰部通过所述谷部连接。

可选地，所述第二密封环包括环体和多个密封凸起；所述多个密封凸起设置于所述环体背向所述第一密封环的一侧，并在所述长度方向间隔设置，且相邻的两个密封凸起之间裸露出所述板体。

可选地，本申请还提出一种单体电池，包括：

导电极板；

膜电极；以及

如前所述的单极板组件；所述膜电极设置于所述导电极板和所述单极板组件之间；所述板体具有与所述第一侧面相对设置的第二侧面，所述膜电极面向所述第二侧面设置。

可选地，本申请还提出一种电堆组件，包括多个堆叠的如前所述的单体电池；所述导电极板具有背离所述膜电极设置的第二凸起；其中，相邻的两个单体电池的其中一个的的导电极板的第二凸起与另一个的单极板组件的第一凸起相互接触。其中，所述第一凸起和所述第二凸起的高度之和小于所述间隙在所述密封件处于原始状态时的深度。

可选地，所述第一凸起和所述第二凸起的接触界面与所述密封件的表面错开。

可选地，所述第一凸起和所述第二凸起的周向面均与所述第一密封环和第二密封环紧贴。

本申请还提出一种燃料电池，包括如前所述的电堆组件。

在本申请的技术方案中，所述第一密封环设置于所述冷却液流道区的流道边缘，用于密封所述冷却液流道区；所述第二密封环设置于所述板体的长度边缘；因而，在相邻的两个单体电池中其中一个的单极板组件与另一个的导电极板压合后，密封件在两个极板之间形成双重环形密封区域(第一密封环和第二密封环)，形成了双重密封效果。而且，第一密封环和第二密封环之间设置有间隙，由于第一凸起嵌设在第一密封环和第二密封环的间隙内；因而在相邻的两个单体电池中其中一个的单极板组件与另一个的导电极板压合后，单极板组件上的第一凸起能够在间隙内与另一个的导电极板的第二凸起接触导电，可以有效地增大导电面积。因此，本申请能够在保证密封效果的同时也能够提高导电面积。

此外，当第一凸起与另一极板的第二凸起接触时能够避免密封件过度形变或者过小形变，进而避免密封件在堆叠过程中被压溃而导致密封失效或者因为密封力小而无法形成有效的密封。

此外，当密封件采用一体成型的工艺设置于板体上时，第一凸起能够起到定位密封件的作用，避免密封件错位而导致密封失效。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的单极板组件的结构示意图；

图2是本申请实施例中提供的密封件的结构示意图；

图3是图2中A处的局部放大图的其中一种结构；

图4是图2中A处的局部放大图的其中一种结构；

图5是阴极板、阳极板和密封件的装配结构的一局部结构示意图；

图6是本申请实施例中提供的阳极板的结构示意图；

图7是本申请实施例中提供的阴极板的结构示意图；

图8是本申请实施例的一单体电池堆叠的结构示意图。

附图标记列表

1	单体电池	201	第一密封环
				10	单极板组件	201a	峰部
100	板体	201b	谷部
				200	密封件	202	第二密封环
300	阴极板	202a	环体
				400	膜电极组件	202b	密封凸起
101	流道区	202c	空隙
				102	流道边缘	203	连接部
103	长度边缘	S3	间隙
				104	第一凸起	301	第二凸起
S1	第一侧面	302	第三凸起
				S2	第二侧面

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本发明，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本发明。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本发明的描述变得晦涩。因此，本发明并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本申请所公开的原理和特征的最广范围相一致。

燃料电池的核心为电堆组件。在一些制备工艺中，电堆组件是由多个单体电池堆叠而成。每一个单体电池均包括阳极板、阴极板和设置于两者之间的膜电极。其中，相邻的两个单体电池之间，其中一个的阳极板和另一个的阴极板之间具有一定的导电接触面积，以确保具有良好的导电性。然而由于适宜的工作温度对于发电效率的影响较大，相邻的单体电池之间又需要通入冷却液(如水等液体)，这又要求相邻的单体电池之间需要设置密封件，以避免冷却液泄露。然而，密封件的设置会导致相邻两个单体电池的极板的导电面积减小。因此，如何尽保证较大的导电面积，并保证较好的密封效果，是本领域亟待解决的技术问题。

为此，为了同时提高密封效果和导电效果，本申请实施例首先提出一种单极板组件。

结合图1至图8所示，本申请实施例提出一种单极板组件10，包括：

板体100，所述板体100具有第一侧面S1，所述第一侧面S1上形成有沿其长度方向形成的冷却液流道区101和设置有位于所述冷却液流道区101外侧的第一凸起104；以及

密封件200。如图1所示，所述密封件200设置于所述第一侧面S1上。如图2所示，所述密封件200包括第一密封环201和第二密封环202，所述第一密封环201设置于所述冷却液流道区101的流道边缘102，用于密封所述冷却液流道区101；所述第二密封环202环绕所述第一密封环201设置，并位于所述板体100的长度边缘103；如图3和图4所示，所述第一密封环201和所述第二密封环202在所述板体100的宽度方向上间隔设置，以形成间隙S3；所述第一凸起104位于所述间隙S3内。

在实施例中，如图8所示，该单极板组件10用于与导电极板和膜电极400构成单体电池1。其中，在单体电池1构造为电堆组件时，相邻的两个单体电池1中，其中一个的单极板组件10与另一个单体电池1的导电极板构建出冷却液流道。并且该单极板组件10的密封件200用于密封该冷却液流道，防止冷却液泄露。板体100的第一侧面S1构建有冷却液流道区101和设置在冷却液流道区101外侧的第一凸起104。冷却液流道区101用于与另一个单体电池1的导电极板构建出冷却液流道。第一凸起104用于与另一个导电极板上的第二凸起301相互接触，而建立导电连接关系。

在本申请的技术方案中，所述第一密封环201设置于所述冷却液流道区101的流道边缘102，用于密封所述冷却液流道区101；所述第二密封环202设置于所述板体100的长度边缘103；在相邻的两个单体电池1中其中一个的单极板组件10与另一个的导电极板压合后，密封件200在两个极板之间形成双重环形密封区域(第一密封环201和第二密封环202)，形成了双重密封效果。而且，第一密封环201和第二密封环202之间设置有间隙S3，由于第一凸起104嵌设在第一密封环201和第二密封环202的间隙S3内；因而在相邻的两个单体电池1中其中一个的单极板组件10与另一个的导电极板压合后，单极板组件10上的第一凸起104能够在间隙S3内与另一个的导电极板的第二凸起301接触导电，可以有效地增大导电面积。因此，本申请能够在保证密封效果的同时也能够提高导电面积。

在现有技术中，密封件200为了提高密封效果，通常占据两个极板过多的面积，进而会限制两个极板的导电结构的设置，进而导致导电面积减小。然而在本申请中，第一密封环201和第二密封环202在压缩后具有双重密封效果，提高了对冷却液流道的密封能力，与此同时，第一密封环201和第二密封环202之间具有间隙S3，板体100上的第一凸起104设置在该间隙S3内，能够为第一凸起104预留足够的空间进行布置以此来提高导电面积。

在实施例中，如图3和图4所示，第一密封环201和第二密封环202均沿板体100的长度方向延伸形成，两者板体100的宽度方向间隔，因而形成沿长度方向延伸的间隙S3。相比较于现有技术中，板体100上的导电凸起仅能零星设置；而在该间隙S3内，板体100可以设置足够多的第一凸起104，而可以与另一单体电池1上的导电极板的第二凸起301一一接触，进而两者具有足够大的导电面积。进一步地，第一凸起104的个数可以具体设置，在此不进行过多的赘述。另外，在一些实施例中第一凸起104可以设置为沿着长度方向延伸形成的条状结构，如此设置的第一凸起104能够获取更大的导电面积。

作为上述实施例的可选实施方式，为了进一步地提高密封效果，所述密封件200还包括连接部203，所述连接部203设置于间隙S3内，并连接所述第一密封环201和所述第二密封环202。在实施例中，连接部203的一端连接第一密封环201，另一端连接第二密封环202，以将第一密封环201和第二密封环202连接为一体，使得在密封件200被挤压时，第一密封环201和第二密封环202能够连接部203协调变形，可以降低第一密封环201和第二密封环202被压溃，进而提高密封能力。另一方面，连接部203可以用于在堆叠时进行辅助定位，可以降低相邻的两个单体电池1的偏移量。

在实施例的技术方案中，连接部203的数量可以为多个，多个连接部203沿着长度方向间隔设置。需要说明的是，为了同时保证密封效果和导电效果，相邻的两个连接部203之间可以设置多个第一凸起104。

在实施例中，密封件200可以一体成型在板体100上，也可以粘接在板体100上。一般而言，密封件200一体注塑于板体100上，形成单极板组件10。作为上述实施例的可选实施方式，所述第一凸起104设置有凹槽，所述连接部203嵌设于所述凹槽内。一般而言，第一凸起104为多个。本申请实施例中，一部分第一凸起104上设置凹槽，以使在注塑时，连接部203形成于凹槽内，使得连接部203具有足够的支撑第一密封环201和第二密封环202的能力。

作为上述实施例的可选实施方式，为了有效提高第一密封环201的密封能力，所述第一密封环201背离所述第二密封环202的一侧具有朝向所述冷却液流道区101凸出的多个峰部201a和背离所述冷却液流道区101凹陷的多个谷部201b。多个所述峰部201a和多个所述谷部201b均在所述长度方向间隔设置，且相邻的两个所述峰部201a通过所述谷部201b连接。也即：在本申请的技术方案中，第一密封环201朝向冷却液流道区101的一侧大致呈波浪形态、正弦曲线或者余弦曲线形态。第一密封环201具有良好的变形能力，第一密封环201在变形后具有更高的密封强度。

作为上述实施例的可选实施方式，所述第二密封环202包括环体202a和多个密封凸起202b。环体202a沿着长度方向延伸形成，其与第一密封环201间隔形成间隙S3。所述多个密封凸起202b设置于所述环体202a背向所述第一密封环201的一侧，并在所述长度方向间隔设置，且相邻的两个密封凸起202b之间裸露出所述板体100。在实施例中，另一个单体电池1的导电极板的长度边缘103上设置有第三凸起302；第三凸起302可以卡入相邻的两个密封凸起202b内，以提高导电极板与单极板组件10的密封强度并且可以避免导电极板与单极板组件10相互偏移；另一方面，第三凸起302可与由相邻的两个密封凸起202b之间裸露出的板体100接触，进而进一步地提高导电面积。

在实施例中，一般情况下，连接部203与密封凸起202b在长度方向错位布置。也即：连接部203设置在环体202a的相邻的两个密封凸起202b的部段上。当堆叠时，连接部203在变形时可以促使环体202a的相邻的两个密封凸起202b的部段朝其空隙202c内形变，进而可以使得密封凸起202b和环体202a抱紧第三凸起302，第三凸起302对密封凸起202b和环体202a起到支撑作用，进而能进一步地提高密封强度。

本申请实施还提出一种单体电池1，包括导电极板、膜电极400以及单极板组件10。该单极板组件10采用了前述实施例的一部分技术方案或者全部技术方案，因而该导电电池具有前述实施例的一部分技术优势或者全部技术优势。其中，所述膜电极400设置于所述导电极板和所述单极板组件10之间。图6和图7所示，其中，单极板组件10中的板体100具有与所述第一侧面S1相对设置的第二侧面S2，所述膜电极400面向所述的第二侧面S2设置。

在该实施例中，导电极板和单极板组件10中的单极板的其中一个为阳极板，另一个为阴极板。一般而言，单机板组件中的单极板为阳极板，导电极板为阴极板。

膜电极400主要包括质子交换膜、阳极催化剂、阴极催化层、阳极气体扩散层以及阴极气体扩散层。在工作过程中，当阳极板通入的氢气经阳极气体扩散层达到阳极催化层后，氢气经催化后发生反应并产生氢离子，氢离子穿过质子交换膜进入阴极板300的一侧，并与阴极侧的氧气结构生成水，在上述氧化还原反应过程中产生电能。示例性地，质子交换膜可以为全氟磺酸膜、部分氟化聚合物质子交换膜、复合质子交换膜或者非氟化聚合物质子交换膜。

本申请实施例还提出一种电堆组件，包括多个堆叠的单体电池1。相邻的两个单体电池1中，其中一个的导电极板和另一个的单极板组件10在堆叠压力的作用下相互接触，以构建出冷却液流道。其中，在压合时，单极板组件10上的密封件200产生形变而使得冷却液流道被密封。所述导电极板具有背离所述膜电极400设置的第二凸起301；其中，相邻的两个单体电池1中的导电极板的第二凸起301与另一个的单极板组件10的第一凸起104相互接触。

在实施例中，在两个单体电池1相对布置且尚未堆叠时，密封件200背离单极板的一面与另一单体电池1的导电极板相互接触，此时，第一凸起104和第二凸起301并未接触。也即：在第一凸起104和第二凸起301的高度之和小于间隙S3在密封件200处于原始状态时的深度。当对相邻的两个单体电池1施加堆叠力时，第一凸起104和第二凸起301相互靠近直至相互接触，此时密封件200产生变形而产生密封力。在该实施例中，通过对第一凸起104和第二凸起301的高度之和与间隙S3在密封件200处于原始状态时的深度的差值设计；该差值能够对密封件200的形变量进行控制，以避免密封件200过度形变或者过小形变，进而避免密封件200在堆叠过程中被压溃而导致密封失效或者因为密封力小而无法形成有效的密封。因此，在电堆组件中，第一凸起104和第二凸起301在施加压合力时才相互接触并且能够起到控制控制密封件200变形量的作用，以能够在保证相邻电堆导电性的同时也能够保证冷却液流道的密封效果。

在本申请实施例中的技术方案，第一凸起104和第二凸起301的高度之和与间隙S3在密封件200处于原始状态时的深度的差值设计主要根据密封要求、密封件200的弹性系数等做具体的设置：在第一凸起104和第二凸起301接触时，密封件200处于合理的变形状态即可。在本领域的技术人员进行设计时，可以根据有限元法、实验等确定第一凸起104和第二凸起301的高度之和间隙S3在密封件200处于原始状态时的深度。

作为上述实施例的可选实施方式，所述第一凸起104和所述第二凸起301的接触界面与所述密封件200的表面错开。所述密封件200的表面为密封件200背离单极板的一侧所在的面。在相邻的两个单体电池1中，密封件200位于其中的一个单极板和另一个导电极板之间；其中，单极板上第一凸起104位于密封件200的间隙S3内，导电极板上的第二凸起301嵌入到密封件200的间隙S3内，并与第一凸起104和第二凸起301接触进而确定出接触界面；该接触界面位于该间隙S3内，而与密封件200的表面错开，使得密封件200的表面与导电极板能够紧密接触，形成良好的密封效果。

作为上述实施例的可选实施方式，图5所示，所述第一凸起104和所述第二凸起301的周向面均与所述第一密封环201和第二密封环202紧贴。在实施例中，第一密封环201和第二密封环202在受到堆叠力时产生挤压而变形，变形后的第一密封环201和第二密封环202之间的间隙S3变窄。述第一凸起104和所述第二凸起301的周向面均与所述第一密封环201和第二密封环202紧贴，进而第一凸起104和第二凸起301起到了在宽度方向对第一密封环201和第二密封环202的支撑作用，使第一密封环201和第二密封环202的双重密封效果更佳凸显，能够有效地降低冷却液泄露的风险。

本申请实施例还提出一种燃料电池，包括电堆组件。该电堆组件采用了前述实施例中的一部分技术方案或者全部的技术方案，因而具备前述实施例的一部分技术优势或者全部技术优势，在此不进行一一赘述。

以上对本申请实施例所提供的一种单极板组件、单体电池、电堆组件及燃料电池进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种单极板组件，其特征在于，包括：

板体，所述板体具有第一侧面，所述第一侧面上形成有沿其长度方向延伸的冷却液流道区和设置有位于所述冷却液流道区外侧的第一凸起；以及

密封件，所述密封件设置于所述第一侧面上；所述密封件包括第一密封环和第二密封环，所述第一密封环设置于所述冷却液流道区的流道边缘，用于密封所述冷却液流道区；所述第二密封环环绕所述第一密封环设置，并位于所述板体的长度边缘；所述第一密封环和所述第二密封环在所述板体的宽度方向上间隔设置，以形成间隙；所述第一凸起位于所述间隙内。

2.如权利要求1所述的单极板组件，其特征在于，所述密封件还包括连接部；所述连接部设置于所述间隙内，并连接所述第一密封环和所述第二密封环。

3.如权利要求2所述的单极板组件，其特征在于，所述第一凸起设置有凹槽，所述连接部嵌设于所述凹槽内。

4.如权利要求1所述的单极板组件，其特征在于，所述第一密封环背离所述第二密封环的一侧具有朝向所述冷却液流道区凸出的多个峰部和背离所述冷却液流道区凹陷的多个谷部，多个所述峰部和多个所述谷部均在所述长度方向间隔设置，且相邻的两个所述峰部通过所述谷部连接。

5.如权利要求1所述的单极板组件，其特征在于，所述第二密封环包括环体和多个密封凸起；所述多个密封凸起设置于所述环体背向所述第一密封环的一侧，并在所述长度方向间隔设置，且相邻的两个密封凸起之间具有裸露出所述板体的空隙。

6.一种单体电池，其特征在于，包括：

导电极板；

膜电极；以及

权利要求1至5中任一项所述的单极板组件；所述膜电极设置于所述导电极板和所述单极板组件之间；所述板体具有与所述第一侧面相对设置的第二侧面，所述膜电极面向所述第二侧面设置。

7.一种电堆组件，其特征在于，包括多个堆叠的如权利要求6所述的单体电池；所述导电极板具有背离所述膜电极设置的第二凸起；相邻的两个单体电池其中之一的导电极板的第二凸起与另一个的单极板组件的第一凸起相互接触；

其中，所述第一凸起和所述第二凸起的高度之和小于所述间隙在所述密封件处于原始状态时的深度。

8.如权利要求7所述的电堆组件，其特征在于，所述第一凸起和所述第二凸起的接触界面与所述密封件的表面错开。

9.如权利要求7所述的电堆组件，其特征在于，所述第一凸起和所述第二凸起的周向面均与所述第一密封环和第二密封环紧贴。

10.一种燃料电池，其特征在于，包括如权利要求7至9中任一项所述的电堆组件。

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