CN116936849A - 一种集成电位传感器的燃料电池边框组件及单电池结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种集成电位传感器的燃料电池边框组件及单电池结构，其中，边框组件包括压合在一起的第一边框及第二边框，第一边框上开设有第一焊盘孔和第二焊盘孔，第二边框的下表面与第一、第二焊盘孔相对应的位置贴附有第一焊盘和第二焊盘，上表面贴附有第一铂电极和第二铂电极，第一铂电极与燃料电池膜电极催化剂层的位置相对应，第二铂电极与燃料电池膜电极质子膜的位置相对应，第一、第二铂电极分别通过导线与第一、第二焊盘电连接。将两个镜像设置的边框组件及燃料电池膜电极压合在一起，即可得到本发明的燃料电池单电池结构，该单电池结构可以在工作过程中独立测得燃料电池的阳极电位和阴极电位，更准确的反映燃料电池的工作状态和性能。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种集成电位传感器的燃料电池边框组件及单电池结构。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种十分高效的氢能转化装置，它可以将蕴含在氢气和氧气中的化学能直接转化为电能，且产物只有水。整个转化过程为温和的电化学反应过程，不受热力学卡诺循环限制，理论能量转化效率高达87％，在航空航天、潜艇、陆路交通运输和固定式发电站等各个领域都有着极其广泛的应用前景。
电堆是质子交换膜燃料电池发生电化学反应发生的核心场所，电堆一般有几十甚至上百片单电池构成，每片单电池由膜电极和边框构成。氢气在膜电极的阳极侧发生氧化反应，该侧电位称为阳极电位；氧气在膜电极的阴极侧发生还原反应，该侧电位称为阴极电位，二者的差值就是单电池的电压。通过测试得到电池的电压，可以获取电池的工作状态和工作性能，这对于电堆性能优化、稳定性和耐久性研究十分重要。然而，电压只能反映电池的整体状态和性能，而无法独立反应阴极和阳极的工作状态和性能。为了分别获取阳极和阴极的工作状态，就需要独立测得阳极电位和阴极电位。
发明内容
基于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种集成电位传感器的燃料电池边框组件及单电池结构。
在本发明的第一个方面，本发明提供了一种集成电位传感器的燃料电池边框组件，该边框组件用于与燃料电池膜电极共同构成燃料电池单电池结构。
具体而言，本发明提供的燃料电池边框组件包括压合在一起的第一边框(1)及第二边框(2)，第一边框(1)位于第二边框(2)的下方，其上表面与第二边框(2)的下表面相接触。
第一边框(1)上开设有第一焊盘孔(11)和第二焊盘孔(12)，焊盘孔为通孔，用于在压合状态下容纳相应的焊盘。
第二边框(2)的下表面与第一焊盘孔(11)、第二焊盘孔(12)对应的位置分别贴附有第一焊盘(3)和第二焊盘(4)，在第二边框(2)的上表面则贴附有第一铂电极(5)和第二铂电极(6)，第一铂电极(5)通过导线与第一焊盘(3)电连接，第二铂电极(6)通过导线与第二焊盘(4)电连接。其中，其中第一铂电极(5)与燃料电池膜电极上的催化剂层位置相对应，第二铂电极(6)与燃料电池膜电极的质子膜位置相对应。
优选的，第一铂电极(5)和第二铂电极(6)的主体是超薄金属箔，优选为铜箔，其外表面和四周设置有铂层。
优选的，焊盘的主体是金属箔，优选为铜箔，其外表面和四周设有金层或镍层。
优选的，第一焊盘(3)和第二焊盘(4)与导线均为一体化电气连接，第一铂电极(5)、第二铂电极(6)均采用过孔的形式与导线进行电连接。
优选的，所述第一焊盘孔(11)的尺寸小于第一焊盘(3)，第二焊盘孔(12)的尺寸小于第二焊盘(4)，以便保护焊盘四周，提升可靠性。
在本发明的第二个方面，本发明提供了一种集成电位传感器的燃料电池单电池结构。作为其基本构成，所述单电池结构包括两个边框组件，以及被压合在两个边框组件中间的燃料电池膜电极(8)，该燃料电池膜电极(8)以常规的方式配置，具体包括质子膜(81)，以及位于质子膜(81)两侧的阴极催化层(82)和阳极催化层(83)。
边框组件具体为本发明上文所述的集成电位传感器的燃料电池边框组件。在该单电池结构中，燃料电池膜电极(8)两侧的两个边框组件呈镜像设置，从而使得在压合状态下，两个边框组件的第一铂电极(5)分别与燃料电池膜电极(8)两侧的阴极催化层(82)和阳极催化层(83)贴合，两个边框组件的第二铂电极(6)分别与质子膜(81)的两侧贴合。
优选的，在压合状态下，本发明的燃料电池单电池结构的两个边框组件的第一铂电极(5)、第二铂电极(6)、第一焊盘(3)及和第二焊盘(4)的位置分别重合。
通过本发明提供的上述边框组件及单电池结构，可以独立测得阳极电位和阴极电位：
在压合状态下，燃料电池膜电极(8)两侧边框组件的两个第二铂电极(6)贴合在质子膜(81)的两侧，通过两个边框组件上的第二焊盘(4)向两个第二铂电极(6)之间施加恒定直流电流或者恒定直流电压，此时，在阳极一侧发生析氢反应，在阴极一侧发生析氧反应。以第二铂电极(6)作为参比电极，设其电位为0，用电压检测设备采集得到阳极一侧的第一铂电极(5)与参比电极之间的电压即阳极电位，阴极一侧的第一铂电极(5)与参比电极之间的电压即阴极电位。
本发明提供的上述技术方案将电位传感器与燃料电池边框进行一体化高度集成，在实现独立测得阳极电位和阴极电位的同时基本不改变燃料电池边框厚度，对电堆结构、性能影响小，器件可靠性高且成本低廉，适合批量化生产。提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本发明的重要特征或必要特征，也无意限制本发明的范围。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了燃料电池边框组件的爆炸图；
图2示出了燃料电池边框组件在压合状态下的示意图；
图3示出了燃料电池边框组件的截面图；
图4示出了燃料电池单电池结构的爆炸图；
图5示出了燃料电池单电池结构在压合状态下的局部截面图。
附图标记说明：1-第一边框；2-第二边框；11-第一焊盘孔；12-第二焊盘孔；3-第一焊盘；4-第二焊盘；5-第一铂电极；6-第二铂电极；7-导线；8-燃料电池膜电极；81-质子膜；82-阴极催化层；83-阳极催化层。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
按照本发明的要旨，本实施方式具体给出了一种集成电位传感器的燃料电池边框组件，如图1所示，该边框组件包括第一边框(1)及第二边框(2)，第一边框(1)位于第二边框(2)的下方，其上表面用胶粘附在第二边框(2)的下表面，二者压合形成一个整体。边框的材质可以按照本领域的惯例，选取具有高绝缘性、高热稳定性、高机械稳定性、高化学稳定性的聚合物薄膜，从而适应燃料电池内部高温、高湿、高酸性、含氧的电化学环境。除本发明描述的内容之外，边框的其他部位可以按照实际需要进行相应的设计，在此不做赘述。
第一边框(1)上开设有第一焊盘孔(11)和第二焊盘孔(12)，焊盘为通孔，用于在压合状态下容纳下文所述的焊盘。同时，为了更好的保护焊盘四周，提高可靠性，第一焊盘孔(11)和第二焊盘孔(12)应当略小于相应的焊盘。
在第二边框(2)下表面与第一焊盘孔(11)、第二焊盘孔(12)对应的位置，分别用胶贴附有第一焊盘(3)和第二焊盘(4)，因此在压合状态下，透过第一焊盘孔(11)和第二焊盘孔(12)分别可见第一焊盘(3)和第二焊盘(4)。
第一焊盘(3)和第二焊盘(4)的主体为铜箔，其外表面和四周设有金层或镍层。第一焊盘(3)和第二焊盘(4)上均有一体化电连接的导线(7)，各组焊盘及导线之间彼此绝缘。
在第二边框(2)的上表面贴附有第一铂电极(5)和第二铂电极(6)，第二边框(2)的相应位置设有通孔，前述导线(7)穿过通孔，将第一焊盘(3)与第一铂电极(5)电连接、第二焊盘(4)与第一铂电极(6)电连接。
如图2所示，该边框组件在压合状态下从正面看，外观上可见第二边框(2)上的第一铂电极(5)和第二铂电极(6)，而第二边框(2)背面的第一焊盘(3)、第二焊盘(4)及导线(7)不可见。通过图2可以看出，第一铂电极(5)与燃料电池膜电极上的催化剂层位置相对应，第二铂电极(6)与燃料电池膜电极的质子膜位置相对应。
以第一铂电极(5)为例，该边框组件在压合状态下的截面图如图3所示，所述焊盘、导线被压合在第一边框(1)及第二边框(2)之间，通过第一边框(1)上的焊盘孔可见相应的焊盘。
在前述燃料电池边框组件的基础上，本实施方式具体给出了一种集成电位传感器的燃料电池单电池结构，如图4所示，该单电池结构包括两个按照前述内容设置的边框组件，以及被压合在两个边框组件中间的燃料电池膜电极(8)，该燃料电池膜电极(8)以常规的方式配置，具体包括质子膜(81)，以及位于质子膜(81)两侧的阴极催化层(82)和阳极催化层(83)(在图4中处于背面，不可见)，此处不作赘述。
单电池结构中的边框组件按照本发明的前述内容进行设置。需要说明的是，两个边框组件呈镜像状态设置在燃料电池膜电极(8)的两侧，即在压合状态下，两个边框组件的第一铂电极(5)分别与燃料电池膜电极(8)两侧的阴极催化层(82)和阳极催化层(83)贴合，两个边框组件的第二铂电极(6)分别与质子膜(81)的两侧贴合。
以图4为例：对位于下部的边框组件而言，其第二边框(2)处于正面，因此第二边框(2)上的第一铂电极(5)和第二铂电极(6)可见，在压合状态下第一铂电极(5)将与膜电极(8)背面的阳极催化层(83)紧密贴合，第二铂电极(6)则与质子膜(81)的背面紧密贴合；而对位于上部的边框组件而言，其第一边框(1)处于正面，因此透过第一边框(1)上的焊盘孔可见第一焊盘(3)和第二焊盘(4)，上部边框组件的第一铂电极(5)、第二铂电极(6)位于背面，在压合状态下第一铂电极(5)将与膜电极(8)正面的阴极催化层(82)紧密贴合，第二铂电极(6)则与质子膜(81)的正面紧密贴合。
膜电极区域在压合状态下的截面图如图5所示。在质子膜(81)的上表面和下表面分别贴合有上部边框组件、下部边框组件的第二铂电极(6)，在阴极催化层(82)上表面贴合有上部边框组件的第一铂电极(5)，在阳极催化层(83)的下表面则贴合有下部边框组件的第一铂电极(5)。
通过本实施方式提供的燃料电池单电池结构，可以方便的独立测得阳极电位和阴极电位：在质子膜(81)两侧的两个第二铂电极(6)之间施加恒定直流电流或者恒定直流电压，例如将下表面的第二铂电极(6)连接直流电源负极，将上表面的第二铂电极(6)连接直流电源正极，此时，在质子膜下表面的交界面上发生析氢反应，在上表面的交界面上发生析氧反应，合理控制直流电流和直流电压的大小，使反应稳定进行。以下表面的第二铂电极(6)作为参比电极，设其电位为0V，用电压检测设备采集下部边框组件的第一铂电极(5)和参比电极之间的电压即得到阳极电位，采集上部边框组件的第一铂电极(5)和参比电极之间的电压即得到阴极电位。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (9)
1.一种集成电位传感器的燃料电池边框组件，其特征在于，所述燃料电池边框组件包括压合在一起的第一边框(1)及第二边框(2)，第一边框(1)的上表面与第二边框(2)的下表面相接触，其中，
第一边框(1)上开设有第一焊盘孔(11)和第二焊盘孔(12)；
第二边框(2)的下表面与第一焊盘孔(11)、第二焊盘孔(12)对应的位置分别贴附有第一焊盘(3)和第二焊盘(4)，第二边框(2)的上表面贴附有第一铂电极(5)和第二铂电极(6)，其中第一铂电极(5)与燃料电池膜电极上的催化剂层位置相对应，第二铂电极(6)与燃料电池膜电极的质子膜位置相对应；
第一铂电极(5)通过导线与第一焊盘(3)电连接，第二铂电极(6)通过导线与第二焊盘(4)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种集成电位传感器的燃料电池边框组件，其特征在于，所述第一铂电极(5)和第二铂电极(6)的主体是超薄金属箔，其外表面和四周设置有铂层。
3.根据权利要求2所述的一种集成电位传感器的燃料电池边框组件，其特征在于，所述超薄金属箔为铜箔。
4.根据权利要求1所述的一种集成电位传感器的燃料电池边框组件，其特征在于，所述第一焊盘(3)和第二焊盘(4)的主体是金属箔，其外表面和四周设有金层或镍层。
5.根据权利要求4所述的一种集成电位传感器的燃料电池边框组件，其特征在于，所述金属箔为铜箔。
6.根据权利要求1所述的一种集成电位传感器的燃料电池边框组件，其特征在于，所述第一铂电极(5)、第二铂电极(6)均采用过孔的形式与导线进行电连接。
7.根据权利要求1所述的一种集成电位传感器的燃料电池边框组件，其特征在于，所述第一焊盘孔(11)的尺寸小于第一焊盘(3)，第二焊盘孔(12)的尺寸小于第二焊盘(4)。
8.一种集成电位传感器的燃料电池单电池结构，所述燃料电池单电池结构包括两个边框组件，以及被压合在两个边框组件中间的燃料电池膜电极(8)，所述燃料电池膜电极(8)包括质子膜(81)，以及位于质子膜(81)两侧的阴极催化层(82)和阳极催化层(83)；其特征在于，
所述边框组件选自权利要求1-7任一项的集成电位传感器的燃料电池边框组件；
两个边框组件呈镜像设置，从而使得在压合状态下两个边框组件的第一铂电极(5)分别与所述阴极催化层(82)和阳极催化层(83)贴合，第二铂电极(6)分别与所述质子膜(81)的两侧贴合。
9.根据权利要求8所述的一种集成电位传感器的燃料电池单电池结构，其特征在于，在压合状态下所述两个边框组件的第一铂电极(5)、第二铂电极(6)、第一焊盘(3)及和第二焊盘(4)的位置分别重合。
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