CN116130703A - 一种氢燃料单电池及模组结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢燃料单电池及模组结构，所述氢燃料单电池包含：第一极板；第二极板，其与第一极板相对设置；设置在第一极板与第二极板之间的膜‑电极‑扩散层‑框架组件，其包含质子交换膜、第一电极、第二电极、第一气体扩散层、第二气体扩散层、框架；其中，所述第一电极粘接于质子交换膜的上表面，所述第一气体扩散层粘接于第一电极的上表面，所述第二电极粘接于质子交换膜的下表面，所述第二气体扩散层粘接于第二电极的下表面，第一电极的长度小于第二电极的长度；框架用于密封粘接第一极板、第二极板、质子交换膜，所述框架的一端与所述的第一电极的端部抵接。利用氢燃料单电池进行堆叠装配可形成模组结构，大大提高密封性和装配效率。

Description

一种氢燃料单电池及模组结构

技术领域

本发明属于氢燃料电池技术领域，具体涉及一种氢燃料单电池及模组结构。

背景技术

氢燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的能量转换装置，一般单个氢燃料电池的工作电压在0.6-1.0V之间，所以通常将若干个氢燃料单电池串联堆叠形成氢燃料电池电堆，以保证氢燃料电池电堆工作的输出功率；氢燃料电池电堆堆叠时可以是极板与膜电极交替堆叠，也可以将极板与膜电极组合成氢燃料单电池或模组，然后再将单电池或模组进行堆叠形成燃料电池电堆。

但是目前的氢燃料电池存在以下缺陷：(1)氢燃料电池大都采用阳极板与阴极板激光焊接的组合方式形成双极板，双极板与膜电极依次间隔堆叠压装，并通过阳极板与阴极板上的密封圈实现反应气体的密封，依靠激光焊接的方式实现冷却剂的密封，这种密封方式可靠性差、装配中间过程繁琐且装配效率低；(2)气体扩散层边缘大都压接在质子交换膜上方易导致气体扩散层边缘碳纤维毛刺损伤质子交换膜，进而造成燃料电池内氢气与氧气互漏；(3)阳极电极与阴极电极大都采用面积等大设计，未能考虑阳极电极因“欠气”或“水淹”导致缺质子，进而造成阳极催化剂碳载体腐蚀；(4)为保证膜电极组件的密封，其封装结构中树脂框架大都不止单层，未能结合极板进行共同密封及一体化，进而导致树脂框架材料浪费。

因此，亟需一种密封性强、密封成本低、装配效率高的氢燃料电池。

发明内容

本发明的目的是克服现有氢燃料电池密封性差、密封成本高、装配效率低的缺陷。

为了达到上述目的，本发明提供了一种氢燃料单电池，包含：第一极板；第二极板，其与所述第一极板相对设置；设置在所述第一极板与第二极板之间的膜-电极-扩散层-框架组件，其包含质子交换膜、第一电极、第二电极、第一气体扩散层、第二气体扩散层、框架；其中，所述第一电极粘接于所述质子交换膜的上表面，所述第一气体扩散层粘接于所述第一电极的上表面，所述第二电极粘接于所述质子交换膜的下表面，所述第二气体扩散层粘接于所述第二电极的下表面，所述第一电极的长度小于第二电极的长度；所述框架用于密封粘接所述第一极板、第二极板，所述框架的一端与所述的第一电极的端部抵接。

较佳地，所述框架的上表面包含第一粘合面和第三粘合面，所述框架的下表面包含第二粘合面、第四粘合面、第五粘合面；所述框架的上表面通过第一粘合面与所述第一极板的下表面相粘接，所述框架的上表面通过第三粘合面与所述第一气体扩散层的第一凸出部的下表面相粘接，所述框架的下表面通过第二粘合面与所述第二极板的上表面相粘接，所述框架的下表面通过第四粘合面与所述第二气体扩散层的第二凸出部的上表面相粘接，所述框架的下表面通过第五粘合面与所述质子交换膜的上表面相粘接。

较佳地，所述第一极板的凹陷部与所述第一气体扩散层的上表面相抵触，形成一第一气体流动区和一非第一气体流动区，所述非第一气体流动区用于容纳所述第一气体扩散层的第一凸出部并对其进行限位。

较佳地，所述第二极板的凸出部与所述第二气体扩散层的下表面相抵触，形成一第二气体流动区和一非第二气体流动区，所述非第二气体流动区用于对所述第二气体扩散层进行限位。

较佳地，所述第一极板、第二极板、框架的相围外侧填充有第一密封填料，用于对所述膜-电极-扩散层-框架组件进行限位密封。

较佳地，所述第一极板上表面凹槽填充有第二密封填料，形成可压缩密封结构。

较佳地，所述第二电极的长度与所述质子交换膜的长度相同。

本发明还提供了一种模组结构，所述模组结构至少包含若干个如上所述的氢燃料单电池，所述的氢燃料单电池堆叠装配。

较佳地，所述模组结构还包含有第一密封填料、第二密封填料、第三密封填料，所述第一密封填料填充在第一极板、第二极板、框架相围的外侧，所述第二密封填料填充在第一极板上表面凹槽，所述第三密封填料填充在所述第一极板上表面和第二极板下表面的围合区，将不同氢燃料单电池第一极板和第二极板相互粘合。

较佳地，所述若干个氢燃料单电池堆叠装配形成若干个冷却剂流动区，以装载冷却介质。

本发明的有益效果：

(1)将单层树脂框架分别与质子交换膜、阳极板与阴极板的粘接面粘结密封替代传统的使用密封圈密封，提高了反应气体的密封可靠性及降低密封加工成本。

(2)通过密封填料将第一极板、第二极板、膜电极粘结形成一体化单电池/模组结构，减少燃料电池装配中间过程，提高燃料电池装配生产节拍，并保证燃料电池的密封可靠性。

(3)对于外电路来说，电子从阳极输出，因此阳极侧的电势一般来说要低于阴极侧，但是如果当阳极侧缺少氢质子，导致氢气供给不足，则会导致阳极电势逐渐高于阴极电势，发生“反极”，本发明进行阳极电极大于阴极电极的差异化余量设计，以便阳极电极提供足量的氢质子，避免出现阳极电极“反极”进而导致的阳极催化剂碳载体腐蚀的现象，同时可降低催化剂材料的使用量。

(4)通过将气体扩散层叠压在硬质树脂框架上，避免气体扩散层边缘碳纤维毛刺刺破质子交换膜，防止质子交换膜出现穿孔，同时提高质子交换膜的使用寿命。

(5)首先在内部预置背胶粘结面实现内部组件的粘结及密封，同时内部不易注胶的区域预置密封填料，并通过加热硫化实现粘结，在外周开放面通过注入密封填料实现粘结与密封，采用多种密封及一体化相结合的方式，实现密封的可靠性。

附图说明

图1为本发明的氢燃料单电池结构。

图2为本发明的氢燃料电池密封及一体化封装单电池结构。

图3为本发明的氢燃料电池密封及一体化封装模组结构。

其中，100-第一极板、101-第一气体流动区、102-非第一气体流动区、200-第二极板、201-第二气体流动区、202-非第二气体流动区、300-膜电极、301-第一电极、302-质子交换膜、303-第二电极、310-第一气体扩散层、320-第二气体扩散层、330-树脂框架、331-第一粘合面、332-第二粘合面、333-第三粘合面、334-第四粘合面、335-第五粘合面、401-冷却剂流动区、500-第一密封填料、600-第二密封填料、700-第三密封填料、601-第一极板上表面凹槽、L1-第一气体扩散层与树脂框架叠压长度、L2-第二气体扩散层与树脂框架叠压长度、L3质子交换膜与树脂框架叠压长度。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明提出一种氢燃料电池，所述氢燃料单电池包含：第一极板；第二极板，所述第二极板与所述第一极板相对设置；膜-电极-扩散层-框架组件，所述膜-电极-扩散层-框架组件包含质子交换膜、第一电极、第二电极、第一气体扩散层、第二气体扩散层、框架；所述膜-电极-扩散层-框架组件设置于所述第一极板和第二极板之间；其中，所述第一电极粘接于所述质子交换膜的上表面，所述第一气体扩散层粘接于所述第一电极的上表面，所述第二电极粘接于所述质子交换膜的下表面，所述第二气体扩散层粘接于所述第二电极的下表面，所述第一电极的长度小于第二电极的长度；所述框架用于密封粘接所述第一极板、第二极板，所述框架的一端与所述的第一电极的端部抵接。

所述框架的上表面包含第一粘合面和第三粘合面，所述框架的下表面包含第二粘合面、第四粘合面、第五粘合面；所述框架的上表面通过第一粘合面与所述第一极板的下表面相粘接，所述框架的上表面通过第三粘合面与所述第一气体扩散层的第一凸出部的下表面相粘接，所述框架的下表面通过第二粘合面与所述第二极板的上表面相粘接，所述框架的下表面通过第四粘合面与所述第二气体扩散层的第二凸出部的上表面相粘接，所述框架的下表面通过第五粘合面与所述质子交换膜的上表面相粘接。

如图1所示，氢燃料单电池包含第一极板100、第二极板200、膜电极300、树脂框架330、第一气体扩散层310、第二气体扩散层320。其中，所述第一极板100与所述第二极板200相对设置，所述膜电极300包含依次设置的第一电极301、质子交换膜302、第二电极303；所述树脂框架330设于所述第一极板100和第二极板200之间，与所述第一极板100、第二极板200、膜电极300相接触；所述第一气体扩散层310在L1长度上与所述树脂框架330上表面粘接，所述第一气体扩散层310的上表面与所述第一极板100的凹陷部相抵触，所述第二气体扩散层320在L2长度上与所述树脂框架330粘接，其余长度上与所述第二电极200下表面粘接，与所述第二极板200的凸出部相抵触。第一气体扩散层310放置在第一电极301与第一极板100之间形成电接触的多孔基层，该层允许反应物进入电极和反应产物去除，第二气体扩散层320放置在第二电极303与第二极板200之间形成电接触的多孔基层，该层允许反应物进入电极和反应物去除。其中，膜电极300为氢氧电化学反应的场所，即发电单元；树脂框架330主要防止反应物与反应产物的泄漏，树脂框架330可为聚萘二甲酸乙二醇酯PEN、聚苯硫醚PPS、聚邻苯二甲酰胺PPA等材料；第一极板100起收集电流、分隔氧化剂与还原剂并引导氧化剂空气在电池内电极表面流动作用的导电隔板，第二极板200起收集电流、分隔氧化剂与还原剂并引导还原剂氢气在电池内电极表面流动作用的导电隔板。

一些实施例中，为了防止气体扩散层边缘碳纤维毛刺损伤质子交换膜，所述第一气体扩散层310、第二气体扩散层320叠压在树脂框架330的上下表面，将所述第一气体扩散层310和第二气体扩散层320的边缘覆盖住，起到保护质子交换膜302的作用。

一些实施例中，为了容纳第一气体扩散层310的第一凸出部并对其进行限位固定，所述第一极板100的凹陷部与所述第一气体扩散层310的上表面相抵触形成一第一气体流动区101和一非第一气体流动区102，所述第一气体流动区101在所述第一极板100上加工的各种形状通道的集合，为氧化剂空气及反应产物水的进出提供场所；所述非第一气体流动区102是第一极板100上加工的辅助结构，是容纳第一气体扩散层310的第一凸出部并对其进行限位固定，该区域不为反应物及反应产物的进出提供场所，所述非第一气体流动区102也可以填充有密封填料，以保证此区域的支撑强度与密封可靠性。

一些实施例中，为了对第二气体扩散层320进行限位固定，所述第二极板200的凸出部与所述第二气体扩散层320的下表面相抵触形成一第二气体流动区201和一非第二气体流动区202，所述第二气体流动区201在第二极板200上加工的各种形状的集合，为还原剂氢气及反应产物水的进出提供场所；所述非第二气体流动区202在第二极板200上加工的辅助结构，是对第二气体扩散层320进行限位固定，该区域不为反应物及反应产物的进出提供场所，所述非第二气体流动区202也可以填充有密封填料，以保证此区域的支撑强度与密封可靠性。

一些实施例中，为了避免阳极催化剂碳载体腐蚀，将阳极电极的长度设计成大于阴极电极的长度，所述质子交换膜的长度与阳极电极的长度相同，第一电极301为多孔气体扩散阴极电极，其从电解质接收正离子(H⁺)并从外电路接收电子同空气参与还原反应；第二电极303为多孔气体阳极电极，氢气发生氧化反应产生正离子(H⁺)到电解质，同时产生电子到外电路；质子交换膜302以质子为导电电荷的膜，主要为正离子(H⁺)提供传输通道。将阳极电极的长度设计成大于阴极电极的长度，进行差异化余量设计，避免出现阳极电极“反极”，进而导致阳极电极催化剂碳载体腐蚀的现象，同时可降低催化剂材料的使用量。

一些实施例中，为了实现内部组件的粘接及密封，所述树脂框架330包含第一粘合面331、第二粘合面332、第三粘合面333、第四粘合面334、第五粘合面335。所述第一粘合面331依附在树脂框架330或第一极板100粘结面上，主要为粘接所述第一极板100与树脂框架330，防止反应物与反应产物从所述第一粘合面331泄漏。所述第二粘合面332依附在树脂框架330或第二极板200粘结面上，主要为粘接所述第二极板200与树脂框架330，防止反应物与反应产物从所述第二粘合面332泄漏。所述第三粘合面333依附在第一气体扩散层310或树脂框架330粘合面上，主要为粘接所述第一气体扩散层310与树脂框架330，防止氢燃料电池叠放压装时扩散层错位或脱落。所述第四粘合面334依附在第二气体扩散层320或树脂框架330粘合面上，主要为粘接所述第二气体扩散层320与树脂框架330，防止氢燃料电池叠放压装时第二气体扩散层320错位或脱落。所述第五粘合面335依附在质子交换膜302或树脂框架330粘合面上，主要为粘接质子交换膜302与树脂框架330，防止氢气与氧气在粘合面互相泄漏。所述第三粘合面333的长度为L1，即第一气体扩散层310与树脂框架330的重叠长度，L1可为2～5cm。所述第四粘合面334的长度为L2，即第二气体扩散层320与树脂框架330的重叠长度，L2可为2～5cm。所述第五粘合面335的长度为L3，即质子交换膜302与树脂框架330的重叠长度，L3为2～10cm。所述第一粘合面331、第二粘合面332、第三粘合面333、第四粘合面334、第五粘合面335的粘合方式可为热熔胶热压粘合、UV胶紫外光固化粘合、压敏胶冷压粘合等方式。

一些实施例中，为了形成一体化单电池，保证氢燃料电池的密封可靠性，在氢燃料电池中包含有第一密封填料500和第二密封填料600。如图2所示，图2为氢燃料电池密封及一体化封装单电池结构，所述第一密封填料500填充于所述第一极板100、第二极板200、树脂框架330相围的外侧，于第一极板100、第二极板200、树脂框架330的外周相互粘接，在所述第一极板100和第二极板200之间形成绝缘及气体阻隔层，并将第一极板100与第二极板200和树脂框架330三者一体粘合，该层具有良好的绝缘性及抗气体泄漏；所述第一密封填料500为该结构的外周，可以通过注塑或预置填料通过加热硫化的方式形成。所述第一密封填料500材质可为硅橡胶、氟橡胶、三元乙丙橡胶等。

所述第二密封填料600填充于所述第一极板100上表面凹槽601中，与所述第一极板100的接触区相互粘接，主要作用是形成密封结构，形成可压缩结构，便于氢燃料电池的堆叠装配；所述第二密封填料600为该结构的外周，可以通过注塑或预置填料通过加热硫化的方式形成。所述第二密封填料600材质可为硅橡胶、氟橡胶、三元乙丙橡胶等。

根据本发明的氢燃料单电池还可以制备成氢燃料模组电池结构，所述氢燃料单电池堆叠装配。如图3所示，图3为氢燃料电池密封及一体化封装模组结构，是由多个氢燃料单电池重复堆叠，并填充有第一密封填料500、第二密封填料600、第三密封填料700，即在图2的氢燃料电池密封及一体化封装单电池结构基础上填充第三密封填料700和冷却剂流动区401，所述冷却剂流动区401为氢燃料单电池堆叠时第一极板100与第二极板200组合形成的空腔，内部装载有冷却剂，用于对氢燃料电池工作过程中产生的废热进行冷却。

一些实施例中，为了将不同的氢燃料单电池进行密封堆叠装配，所述第三密封填料700填充在所述第一极板100上表面和第二极板200下表面的围合区，在第一极板100和第二极板200之间形成绝缘层，并将第一极板100和第二极板200两者一体粘合，可以通过预置填料通过加热硫化的方式形成，也可以用于阻隔冷却剂，防止冷却剂泄漏。所述第三密封填料700的材质可为硅橡胶、氟橡胶、三元乙丙橡胶等。固化后粘结将上一个氢燃料单电池的第二极板200与下面一个氢燃料单电池的第一极板100相互粘结形成整体结构，以便整个氢燃料单电池的装配，降低装配的次数，也方便不同的氢燃料单电池的维修更换。所述第三密封填料700和第一密封填料600可以是同种材料，也可以是不同材料，所述第一填料600是用于单电池结构，所述第三填料700是用于模组结构，模组结构是提前先在第三密封填料700区域预先填充好所述第三填料700，因为该区域是闭合的，后期填入不便操作，而第一填料600的位置是位于单电池最外侧，上表面是敞开的具有可操作空间，故可以预先填充，也可以后期置入。

本发明提出的一种氢燃料单电池及模组结构将第一气体扩散层、第二气体扩散层叠压于树脂框架的上下表面可防止损伤质子交换膜；第一电极、第二电极、质子交换膜的尺寸进行差异化设计，可防止阳极催化剂碳载体腐蚀；在第一极板、第二极板、树脂框架之间填充密封填料将氢燃料单电池密封及一体化封装，提高了反应气体的密封可靠性及堆叠装配一致性；在第一极板上表面凹槽填充密封填料可防止反应气体泄漏；在进行氢燃料单电池装配堆叠时，利用密封填料将不同的氢燃料单电池粘结成一整体，可以提高装配堆叠的一致性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种氢燃料单电池，其特征在于，所述氢燃料单电池包含：

第一极板；

第二极板，其与所述第一极板相对设置；

设置在所述第一极板与第二极板之间的膜-电极-扩散层-框架组件，其包含质子交换膜、第一电极、第二电极、第一气体扩散层、第二气体扩散层、框架；

其中，所述第一电极粘接于所述质子交换膜的上表面，所述第一气体扩散层粘接于所述第一电极的上表面，所述第二电极粘接于所述质子交换膜的下表面，所述第二气体扩散层粘接于所述第二电极的下表面，所述第一电极的长度小于第二电极的长度；所述框架用于密封粘接所述第一极板、第二极板、质子交换膜，所述框架的一端与所述的第一电极的端部抵接。

2.如权利要求1所述的氢燃料单电池，其特征在于，所述框架的上表面包含第一粘合面和第三粘合面，所述框架的下表面包含第二粘合面、第四粘合面、第五粘合面；所述框架的上表面通过第一粘合面与所述第一极板的下表面相粘接，所述框架的上表面通过第三粘合面与所述第一气体扩散层的第一凸出部的下表面相粘接，所述框架的下表面通过第二粘合面与所述第二极板的上表面相粘接，所述框架的下表面通过第四粘合面与所述第二气体扩散层的第二凸出部的上表面相粘接，所述框架的下表面通过第五粘合面与所述质子交换膜的上表面相粘接。

3.如权利要求1所述的氢燃料单电池，其特征在于，所述第一极板的凹陷部与所述第一气体扩散层的上表面相抵触，形成一第一气体流动区和一非第一气体流动区，所述非第一气体流动区用于容纳所述第一气体扩散层的第一凸出部并对其进行限位。

4.如权利要求1所述的氢燃料单电池，其特征在于，所述第二极板的凸出部与所述第二气体扩散层的下表面相抵触，形成一第二气体流动区和一非第二气体流动区，所述非第二气体流动区用于对所述第二气体扩散层进行限位。

5.如权利要求1所述的氢燃料单电池，其特征在于，所述第一极板、第二极板、框架的相围外侧填充有第一密封填料，用于对所述膜-电极-扩散层-框架组件进行限位密封。

6.如权利要求1所述的氢燃料单电池，其特征在于，所述第一极板上表面凹槽填充有第二密封填料，形成可压缩密封结构。

7.如权利要求1所述的氢燃料单电池，其特征在于，所述第二电极的长度与所述质子交换膜的长度相同。

8.一种模组结构，其特征在于，所述模组结构至少包含若干个如权利要求1～7中任意一项所述的氢燃料单电池，所述的氢燃料单电池堆叠装配。

9.如权利要求8所述的模组结构，其特征在于，所述模组结构还包含有第一密封填料、第二密封填料、第三密封填料，所述第一密封填料填充在第一极板、第二极板、框架相围的外侧，所述第二密封填料填充在第一极板上表面凹槽，所述第三密封填料填充在所述第一极板上表面和第二极板下表面的围合区，将不同氢燃料单电池第一极板和第二极板相互粘合。

10.如权利要求8所述的模组结构，其特征在于，所述若干个氢燃料单电池堆叠装配形成若干个冷却剂流动区，以装载冷却介质。

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