CN116759598A - 一种适配膜电极压缩率的极板及燃料电池单元 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种适配膜电极压缩率的双极板及燃料电池单元，应用于燃料电池的技术领域，尤其涉及燃料电池生产过程中的极板设计方法，通过适配膜电极组件及边框组件中不同区域的厚度，将极板冲压成具有不同高度的流道脊的形状，以平衡膜电极两面压强以及膜电极不同区域的压强，防止膜电极中的质子膜发生褶皱，同时提高膜电极的耐久性。
Description
技术领域
本申请涉及燃料电池领域，具体涉及一种适配膜电极压缩率的双极板及燃料电池单元。
背景技术
目前燃料电池主要为氢燃料电池，其最基本的电池单元由膜电极组件和极板构成，所述极板可冲压成具有凹凸形状的结构，用以形成腔体供燃料气体流通和反应。
现有极板的边沿结构简单设为有规律的凹凸形状，未考虑膜电极组件两侧气体扩散层的厚度和压缩性能差异，在电堆装配受压时容易使质子膜在边框中的位置与在流场中的错位，导致质子膜额外受力，影响局部机械强度和使用寿命。
因此，仍需要一种适配膜电极压缩率的双极板及燃料电池单元，以解决上述问题。
发明内容
基于此，本发明提出一种新的极板冲压设计，针对膜电极组件、碳纸粘接区域以及边框区域的面压强不一致导致的膜电极的碳纸不同区域、边框出现应力集中或者反应区欠压从而影响电池发电性能或者材料加速老化的问题。
为了达成上述目的，本说明书实施例提供以下技术方案：
本说明书在第一方面提供一种适配膜电极压缩率的双极板，包括阳极板与阴极板、膜电极组件、边框组件，所述阳极板与阴极板具有流道脊；所述阳极板与阴极板之间压装膜电极组件和边框组件；所述膜电极组件至少包括阳极碳纸、质子膜和阴极碳纸；所述流道脊对应于所述膜电极组件厚度不同的区域具有不同的高度。
进一步的，上述方案所述的双极板中，所述阳极碳纸与所述阴极碳纸厚度不同。
进一步的，上述方案所述的双极板中，所述边框组件包括阳极边框与阴极边框，所述阳极边框与所述阴极边框厚度不同。
进一步的，上述方案所述的双极板中，所述膜电极组件还包括阳极侧粘接胶与阴极侧粘接胶；所述膜电极组件在所述阳极侧粘接胶和所述阴极侧粘接胶边缘区域存在厚度落差；所述阳极板与阴极板在所述存在厚度落差位置设有冲压线，用以形成适配所述膜电极组件厚度的流道脊。
更进一步的，上述方案所述的双极板中，所述膜电极组件与所述边框组件的交接处通过粘接方式贴合，粘接结构为阴极板-阴极碳纸-阴极侧粘接胶-阴极边框-质子膜-阳极侧粘接胶-阳极碳纸-阳极板或阴极板-阴极碳纸-阴极侧粘接胶-阴极边框-质子膜-阳极边框-阳极侧粘接胶-阳极碳纸-阳极板或阴极板-阴极碳纸-阴极侧粘接胶-质子膜-阳极边框-阳极侧粘接胶-阳极碳纸-阳极边框。
更进一步的，上述方案所述的双极板中，所述冲压线还设置于所述膜电极组件与所述边框组件交接处，用以形成适配所述膜电极组件与所述边框组件厚度的流道脊。
更进一步的，上述方案所述的双极板中，所述冲压线为弧形冲压线，可形成具有一定弧度的极板阶梯面。
更进一步的，上述方案所述的双极板中，所述边框组件与所述膜电极组件之间设有间隙，用以防止所述边框组件对所述膜电极组件施加平行于碳纸纸面的挤压力，并提供所述阳极板与阴极板压装所述膜电极组件时的延伸空间。
更进一步的，上述方案所述的双极板中，所述间隙为0.2mm-0.5mm。
本说明书在第二方面提供了一种燃料电池单元，所述燃料电池单元应用如上述方案中任意一项所述的适配膜电极压缩率的双极板。
与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：
第一，膜电极双面的面压强保持一致不会出现应力集中和欠压，确保电池性能。
第二，膜电极中的质子膜不会存在扭曲情况，提高质子膜与边框粘接强度，减少了阴阳极气体互串的情况。
第三，质子膜、边框、碳纸粘接区受力均匀，提高了材料的使用耐久性。
第四，边框与膜电极之间的间隙为极板与膜电极组件压装时提供了冗余空间，防止碳纸与边框接触部分受挤压后出现破碎情况，同时可以进一步防止质子膜出现扭曲情况。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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它的附图。
图1是本申请中的流道脊冲压线位置示意图；
图2是本申请中的弧形冲压示意图；
图3是本申请中的薄边框示意图；
图4是本申请中的厚度落差示意图；
图5是本申请中的间隙位置示意图。
附图标记说明：
10、阴极板；20、阳极板；30、膜电极组件；40、边框组件；102、阴极冲压线；202、阳极冲压线；103、阴极弧形冲压线；203、阳极弧形冲压线；301、阴极碳纸；302、阳极碳纸；303、质子膜；304、阴极侧粘接胶；305、阳极侧粘接胶；306、间隙；401、阴极边框；402、阳极边框。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通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，都属于本申请保护的范围。
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践。
在燃料电池的生产加工过程中，极板与膜电极组件进行装配是非常重要的一步，膜电极组件与极板的厚度尺寸通常只在微米级与毫米级，极板压装膜电极组件时，极板冲压成型的流道脊在膜电极两面的压强容易出现不一致的情况，导致膜电极中碳纸受到的压力不同，进而影响了质子膜的受压均匀性。
有鉴于此，发明人通过对膜电极组件的构成分析和对膜电极组件及边框组件粘接结构的分析，以及对极板冲压设计方法进行深入研究及改进探索，发现，可以通过对极板流道脊的成型方法进行进一步的细化设计，以形成具有不同高度的流道脊来配合膜电极组件不同区域的厚度。
基于此，本说明书实施例提出了一种适配膜电极压缩率的双极板，如图1所示，阳极板20和阴极板10压装膜电极组件30和边框组件40，所述膜电极组件30与所述边框组件40的交接处通过粘接方式贴合，粘贴结构为阴极板10-阴极碳纸301-阴极侧粘接胶304-阴极边框401-质子膜303-阳极边框402-阳极侧粘接胶305-阳极碳纸302-阳极板20，所述膜电极组件30的阴极碳纸301和阳极碳纸302在阴极边框401和阳极边框402的边缘位置处有明显的厚度落差，所述边缘位置同时也是阴极侧粘接胶304和阳极侧粘接胶305的边缘区域，阴极板10与阳极板20在所述边缘位置处设置了阴极冲压线102和阳极冲压线202，将流道脊冲压出具有不同高度的阶梯面，从而使得所述阴极冲压线102和阳极冲压线202左右两侧的阳极碳纸302和阴极碳纸301压缩厚度保持为一致，平衡整个碳纸纸面的压强，避免质子膜303发生褶皱和错位扭曲。
进一步的，如图2所示，在上述实施例的基础上，所述膜电极组件30的阴极碳纸301比所述阳极碳纸302厚度薄，根据膜电极催化剂设计需求，所用阴阳碳纸厚度不同，所受压强也不同，所述阳极板20的流道脊高度比所述阴极板10的流道脊高度低，通过调整所述流道脊的冲压高度，所述流道脊形成的气体通道内压强和反应区压强可适配所述阴阳极碳纸的压缩率，保证所述膜电极组件30的两面所受压力保持平衡，能够减少碳纸穿孔情况的发生，同时提高膜电极的耐久性，同时，所述阴极板10与所述阳极板20在所述阴阳极碳纸边缘处的位置处设置阴极弧形冲压线103和阳极弧形冲压线203，通过将该两处冲压线位置的极板冲压成具有一定弧度的形状，使得极板压装所述膜电极组件30与边框组件40时，所述阴极碳纸301与所述阳极碳纸302不易发生位移，并且不易因与极板接触挤压受损，兼顾对所述阴阳极碳纸的固定作用和边缘保护作用。
优选的，在图1所述实施例的基础上，所述膜电极组件30的阴极碳纸301和阳极碳纸302厚度不同，所述阴极边框401与所述阳极边框402厚度不同。应理解的是，上述实施例中，所述阴极碳纸301比阳极碳纸302的厚度薄的条件不应理解为本实施例对权利要求保护范围的限制，根据膜电极催化剂设计需求，所用阴阳碳纸厚度不同，本领域技术人员可根据实际生产需要选择所需的碳纸厚度尺寸。同样，所述阴极边框401和阳极边框402厚度尺寸的选择也不应理解为本实施例对权利要求保护范围的限制，其匹配所述阴极碳纸301和阳极碳纸302厚度的方式可由本领域技术人员自行选择。
如图3所示，该实施例中，所述阴极边框401为薄边框，厚度小于所述阳极边框402，可在保证所述边框组件40对所述膜电极组件30提供必要支撑的前提下，降低极板压装厚度，所述膜电极组件30与所述边框组件40的交接处通过粘接方式贴合，粘贴结构为阴极板10-阴极碳纸301-阴极侧粘接胶304-阴极边框401-质子膜303-阳极侧粘接胶305-阳极碳纸302-阳极板20，所述阴极碳纸301在阴极边框401的边缘位置处有明显的的厚度落差，所述阳极碳纸302在阳极侧粘接胶305的边缘位置处也有一定的厚度落差，所述阴极边框401的边缘位置同时也是阴极侧粘接胶304的边缘区域，所述阴极板10和阳极板20在所述阴极边框401的边缘位置和所述阳极侧粘接胶305的边缘位置处设置了阴极冲压线102和阳极冲压线202，将流道脊冲压出具有不同高度的阶梯面，从而使得所述阴极冲压线102和阳极冲压线202左右两侧的阳极碳纸302和阴极碳纸301压缩厚度保持为一致，平衡整个碳纸纸面的压强，避免质子膜303发生褶皱和错位扭曲。
如图4所示，该实施例中，所述阳极边框402为薄边框，厚度小于所述阴极边框401，可在保证所述边框组件40对所述膜电极组件30提供必要支撑的前提下，降低极板压装厚度，所述膜电极组件30与所述边框组件40的交接处通过单侧碳纸粘接方式贴合，粘贴结构为阴极板10-阴极碳纸301-阴极侧粘接胶304-阴极边框401-质子膜303-阳极边框402-阳极板20，所述边缘位置102的厚度落差主要由所述阴极边框401提供，所述边缘位置202的厚度落差主要由所述阳极侧粘接胶305提供。
更优选的，如图5所示，在上述各实施例的基础上，所述膜电极组件30与所述边框组件40之间保持一定的间隙306，所述间隙306为0.2mm-0.5mm，所述阴极板10与阳极板20压装所述膜电极组件30与边框组件40时，所述阳极碳纸302可避免与所述阳极边框402接触受损，所述阴极碳纸301与所述阳极碳纸302在受压状态下可能会发生一定的延展，所述间隙306可为膜电极延展提供足够的冗余空间，防止膜电极在与边框粘贴区域的压强和在流道脊流场区域的压强不平衡，从而导致错位或褶皱。应理解的是，该实施例中所述阳极碳纸302与所述阳极边框402之间的间隙306不作为对权利要求保护范围的限制，也可在阴极碳纸301与阴极边框401之间设置间隙。
本说明书中，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于后面说明的实施例而言，描述比较简单，相关之处参见前述实施例的部分说明即可。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种适配膜电极压缩率的双极板，其特征在于，包括：
阳极板与阴极板；
膜电极组件；
边框组件；
所述阳极板与阴极板具有流道脊；
所述阳极板与阴极板之间压装膜电极组件和边框组件；
所述膜电极组件至少包括阳极碳纸、质子膜和阴极碳纸；
所述流道脊对应于所述膜电极组件厚度不同的区域具有不同的高度。
2.如权利要求1所述的适配膜电极压缩率的双极板，其特征在于，
所述膜电极组件中阳极碳纸与阴极碳纸的厚度不同。
3.如权利要求1所述的适配膜电极压缩率的双极板，其特征在于，
所述边框组件包括阳极边框与阴极边框，所述阳极边框与所述阴极边框厚度不同。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的适配膜电极压缩率的双极板，其特征在于，
所述膜电极组件还包括阳极侧粘接胶与阴极侧粘接胶；
所述膜电极组件在所述阳极侧粘接胶和所述阴极侧粘接胶边缘区域存在厚度落差；
所述阳极板与阴极板在所述存在厚度落差位置设有冲压线，用以形成适配所述膜电极组件厚度的流道脊。
5.如权利要求4所述的适配膜电极压缩率的双极板，其特征在于，
所述膜电极组件与所述边框组件的交接处通过粘接方式贴合，粘接结构为阴极板-阴极碳纸-阴极侧粘接胶-阴极边框-质子膜-阳极侧粘接胶-阳极碳纸-阳极板或阴极板-阴极碳纸-阴极侧粘接胶-质子膜-阳极边框-阳极侧粘接胶-阳极碳纸-阳极板或阴极板-阴极碳纸-阴极侧粘接胶-阴极边框-质子膜-阳极边框-阳极侧粘接胶-阳极碳纸-阳极板。
6.如权利要求5所述的适配膜电极压缩率的双极板，其特征在于，
所述冲压线还设置于所述膜电极组件与所述边框组件交接处，用以形成适配所述膜电极组件与所述边框组件厚度的流道脊。
7.如如权利要求6所述的适配膜电极压缩率的双极板，其特征在于，所述冲压线为弧形冲压线，可形成具有一定弧度的极板阶梯面。
8.如权利要求1-7中任意一项所述的适配膜电极压缩率的双极板，其特征在于，所述边框组件与所述膜电极组件之间设有间隙，用以防止所述边框组件对所述膜电极组件施加平行于碳纸纸面的挤压力，并提供所述阳极板与阴极板压装所述膜电极组件时的延伸空间。
9.如权利要求8所述的适配膜电极压缩率的双极板，其特征在于所述间隙为0.2mm-0.5mm。
10.一种燃料电池单元，其特征在于，应用如权利要求1-9中任意一项所述的适配膜电极压缩率的双极板。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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