CN216389445U - 单电池及电堆 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种单电池及电堆，单电池包括阳极组件、阴极组件、膜电极组件和冷却密封部，阳极组件包括阳极板和阳极密封部，阳极板的两侧分别为阳极正面和阳极背面，阳极密封部位于阳极正面；阴极组件包括阴极板和阴极密封部，阴极密封部位于阴极正面；膜电极组件包括膜电极和密封边框，阴极密封部和阳极密封部分别和密封边框的两侧密封连接；冷却密封部设置在阳极背面或阴极背面；其中，膜电极组件位于阳极组件和阴极组件之间，阴极密封部和阴极正面密封连接，阳极密封部和阳极正面密封连接。通过该方案形成了单电池并且实现了单电池的可靠密封，将多个单电池叠放组成电堆，可以简化装配工序，降低密封精度要求。

Description

单电池及电堆

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种单电池及电堆。

背景技术

燃料电池电堆由大量相同的单电池组件构成，每组单电池的反应原理可简述为氢气在阳极进行氧化反应，产生电子与氢离子，氢离子通过膜电极到达阴极，与氧气和外电路定向移动的电子在阴极进行还原反应，过程中电化学反应产生的电子在外电路定向移动形成电流，带动外部载荷工作。电堆的单电池由阴阳极板与膜电极组件组成，阴极板上均匀分配氧气或空气，阳极板上均匀分配氢气，氢气与氧气通过膜电极组件的扩散层，在催化层进行反应，生成水以及进行发电。

目前电堆基本由阴阳极板及膜电极组件组成，阴阳极板完成制备后，分别进行涂层(使极板具备耐蚀性，导电性)与密封，在阳极板与阴极板的正面需要分别制备密封，两种极板选择其一的背面制备密封，通过压缩可以保证反应流体的密封，膜电极组件则是由密封边框，气体扩散层(以下简称GDL)以及带有催化剂的质子交换膜(以下简称CCM)组成，一般将密封边框与CCM贴合为一体，一个100KW以上的电堆，通常需要300～400个单电池组成，即阴阳极板、带有密封边框的CCM、GDL各需要以上数量，装配过程繁琐，且密封截面多，容易发生泄漏。

现有技术中的电堆，将阴极单板与阳极单板通过焊接或粘接形成组件，这种方式在连接单极板的同时也可起到密封冷却液的效果，连接后的金属薄板组件再进行表面镀膜，即涂层处理，以保证金属板具备耐腐蚀性，导电导性，在完成镀膜的金属板组件上通过点胶或粘贴已成型的密封垫圈，通过压缩密封胶，保证阴阳极气体被密封于单电池中，以上通过连接工艺，表面具有涂层及密封垫圈的金属薄板组件称为双极板组件(以下简称双极板)，同时，将GDL与密封边框、CCM通过粘贴的方式形成膜电极组件(以下简称MEA)，通过堆叠双极板与膜电极即可完成电堆的装配，提高了生产效率，同时也减少了大量的密封截面，使产品的可靠性增加。

但是，受到装配工艺的限制，双极板之间一定会存在误差，导致阴阳极流道无法完全相对，当错位产生时，GDL将嵌入流道导致气体压降增大，进气量减少从而使性能下降，同时，随着电堆的体积功率密度增高，双极板与MEA的厚度不断减小，其中间的密封尺寸也随之减小，而密封是靠压缩密封胶条实现的，当密封的尺寸精度不佳，泄漏的概率将会成倍上升，即双极板加MEA的结构对密封有相当高的精度要求，这就导致了密封成本的增加以及密封鲁棒性的降低，即密封对尺寸过于敏感，不利于大批量生产。

实用新型内容

本实用新型提供了一种单电池及电堆，以提高电堆的可靠性，降低制造成本。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供了一种单电池，包括：阳极组件，阳极组件包括阳极板和阳极密封部，阳极板的两侧分别为阳极正面和阳极背面，阳极密封部位于阳极正面，阳极正面具有氢气流道；阴极组件，阴极组件包括阴极板和阴极密封部，阴极板的两侧分别为阴极正面和阴极背面，阴极密封部位于阴极正面，阴极正面具有空气流道；膜电极组件，膜电极组件包括膜电极和密封边框，密封边框和膜电极连接，阴极密封部和阳极密封部分别和密封边框的两侧密封连接；冷却密封部，设置在阳极背面或阴极背面；其中，膜电极组件位于阳极组件和阴极组件之间，阴极密封部和阴极正面密封连接，阳极密封部和阳极正面密封连接。

进一步地，冷却密封部为密封胶条，密封胶条分布在阴极背面。

进一步地，阳极组件还包括阳极底涂层，阳极底涂层位于阳极正面和阳极密封部之间；阴极组件还包括阴极底涂层，阴极底涂层位于阴极正面和阴极密封部之间。

进一步地，膜电极组件还包括阳极粘接底涂层和阴极粘接底涂层，阳极粘接底涂层位于阳极密封部和密封边框之间，阴极粘接底涂层位于阴极密封部和密封边框之间。

进一步地，冷却密封部设置在阴极背面，阴极组件还包括冷却底涂层，冷却底涂层位于冷却密封部和阴极背面之间。

进一步地，氢气流道为多个，多个氢气流道平行设置，阳极正面还具有氢气分配区，每个氢气流道均和氢气分配区连通；空气流道为多个，多个空气流道平行设置，阴极正面还具有空气分配区，每个空气流道均和空气分配区连通。

进一步地，阳极板具有阳极氢气口、阳极空气口和阳极冷却液口，阴极板具有阴极氢气口、阴极空气口和阴极冷却液口，阳极氢气口和阴极氢气口连通，阳极空气口和阴极空气口连通，阳极冷却液口和阴极冷却液口连通，氢气流道和阳极氢气口连通，空气流道和阴极空气口连通。

进一步地，膜电极包括质子交换膜以及分别设置在质子交换膜两侧的阳极催化剂和阴极催化剂，膜电极组件还包括阳极气体扩散层和阴极气体扩散层，阳极气体扩散层位于阳极催化剂和阳极正面之间，阴极气体扩散层位于阴极催化剂和阴极正面之间。

进一步地，阳极板和阴极板均为金属材料，阴极密封部、阳极密封部和冷却密封部为橡胶材料。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种电堆，电堆包括上述的单电池，单电池为多个，多个单电池叠放设置，在相邻两个单电池中，一个单电池的阳极背面和另一个单电池的阴极背面通过一个单电池的冷却密封部密封连接。

应用本实用新型的技术方案，提供了一种单电池，单电池包括阳极组件、阴极组件、膜电极组件和冷却密封部，阳极组件包括阳极板和阳极密封部，阳极板的两侧分别为阳极正面和阳极背面，阳极密封部位于阳极正面，阳极正面具有氢气流道；阴极组件包括阴极板和阴极密封部，阴极板的两侧分别为阴极正面和阴极背面，阴极密封部位于阴极正面，阴极正面具有空气流道；膜电极组件包括膜电极和密封边框，密封边框和膜电极连接，阴极密封部和阳极密封部分别和密封边框的两侧密封连接；冷却密封部设置在阳极背面或阴极背面；其中，膜电极组件位于阳极组件和阴极组件之间，阴极密封部和阴极正面密封连接，阳极密封部和阳极正面密封连接。在该方案中，通过阳极组件和阴极组件夹设膜电极组件的形式形成了单电池，并且通过阳极密封部和阴极密封部实现了单电池的可靠密封。其中，冷却密封部用于将一个单电池的阳极背面和另一个单电池的阴极背面密封连接。将多个单电池叠放组成电堆，与采用双极板的形式相比，可以简化装配工序，降低密封精度要求，从而提高了电堆的可靠性，降低了制造成本。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了本实用新型的实施例提供的单电池的结构示意图；

图2示出了图1中的膜电极组件的结构示意图；

图3示出了图1中的阳极组件在正面的结构示意图；

图4示出了图1中的阴极组件在正面的结构示意图；

图5示出了图1中的阴极组件在背面的结构示意图；

图6示出了图1中的单电池的剖视图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、阳极组件；11、阳极板；111、阳极氢气口；112、阳极空气口；113、阳极冷却液口；12、阳极密封部；13、氢气流道；14、阳极底涂层；15、阳极粘接底涂层；16、氢气分配区；20、阴极组件；21、阴极板；211、阴极氢气口；212、阴极空气口；213、阴极冷却液口；22、阴极密封部；23、空气流道；24、阴极底涂层；25、阴极粘接底涂层；26、冷却底涂层；27、空气分配区；30、膜电极组件；31、膜电极；32、密封边框；33、阳极气体扩散层；34、阴极气体扩散层；40、冷却密封部。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1至图6所示，本实用新型的实施例提供了一种单电池，包括：阳极组件10，阳极组件10包括阳极板11和阳极密封部12，阳极板11的两侧分别为阳极正面和阳极背面，阳极密封部12位于阳极正面，阳极正面具有氢气流道13；阴极组件20，阴极组件20包括阴极板21和阴极密封部22，阴极板21的两侧分别为阴极正面和阴极背面，阴极密封部22位于阴极正面，阴极正面具有空气流道23；膜电极组件30，膜电极组件30包括膜电极31和密封边框32，密封边框32和膜电极31连接，阴极密封部22和阳极密封部12分别和密封边框32的两侧密封连接；冷却密封部40，设置在阳极背面或阴极背面；其中，膜电极组件30位于阳极组件10和阴极组件20之间，阴极密封部22和阴极正面密封连接，阳极密封部12和阳极正面密封连接。

在该方案中，通过阳极组件10和阴极组件20夹设膜电极组件30的形式形成了单电池，并且通过阳极密封部12和阴极密封部22实现了单电池的可靠密封。其中，冷却密封部40用于将一个单电池的阳极背面和另一个单电池的阴极背面密封连接。将多个单电池叠放组成电堆，与采用双极板的形式相比，可以简化装配工序，降低密封精度要求，从而提高了电堆的可靠性，降低了制造成本。

具体地，冷却密封部40为密封胶条，密封胶条分布在阴极背面。采用密封胶条的形式，可实现一个单电池的阴极背面和另一个单电池的阳极背面的可靠密封连接，这样形成的电堆密封性好。并且，两个单电池之间通过密封胶条密封的区域可用于输送冷却液对单电池进行冷却。

在本实施例中，阳极组件10还包括阳极底涂层14，阳极底涂层14位于阳极正面和阳极密封部12之间；阴极组件20还包括阴极底涂层24，阴极底涂层24位于阴极正面和阴极密封部22之间。

密封材料通常为硅胶、三元乙丙橡胶或者氟橡胶等弹性体橡胶材料，而极板表面具有金属涂层，橡胶与贵金属间通常没有粘接力，通过在密封材料与极板涂层之间配置偶联剂底涂层，提高了阳极密封部12和阳极板11的粘接强度以及阴极密封部22和阴极板21的粘接强度。底涂层一般选择三聚氰胺系化合物、硅烷偶联剂等材料，上述底涂材料具有快速室温固化的特点。

进一步地，膜电极组件30还包括阳极粘接底涂层15和阴极粘接底涂层25，阳极粘接底涂层15位于阳极密封部12和密封边框32之间，阴极粘接底涂层25位于阴极密封部22和密封边框32之间。通过阳极粘接底涂层15，可以提高阳极密封部12和密封边框32的连接强度，通过设置阴极粘接底涂层25，可以提高阴极密封部22和密封边框32的连接强度。

具体地，冷却密封部40设置在阴极背面，阴极组件20还包括冷却底涂层26，冷却底涂层26位于冷却密封部40和阴极背面之间。通过冷却底涂层26，保证了冷却密封部40和阴极板21的连接可靠性。

在本实施例中，氢气流道13为多个，多个氢气流道13平行设置，阳极正面还具有氢气分配区16，每个氢气流道13均和氢气分配区16连通；空气流道23为多个，多个空气流道23平行设置，阴极正面还具有空气分配区27，每个空气流道23均和空气分配区27连通。通过设置氢气分配区16和多个氢气流道13便于将氢气均匀分配到膜电极组件30，通过设置空气分配区27和多个空气流道23便于将空气均匀分配到膜电极组件30，从而可充分进行反应和发电。

如图3至图5所示，阳极板11具有阳极氢气口111、阳极空气口112和阳极冷却液口113，阴极板21具有阴极氢气口211、阴极空气口212和阴极冷却液口213，阳极氢气口111和阴极氢气口211连通，阳极空气口112和阴极空气口212连通，阳极冷却液口113和阴极冷却液口213连通，氢气流道13和阳极氢气口111连通，空气流道23和阴极空气口212连通。其中，氢气口用于输送氢气，冷却液口用于输送冷却液，空气口用于输送空气。多个单电池组成电堆后，阳极冷却液口113、阴极冷却液口213均和阳极背面和阴极背面之间的冷却区域连通，从而输送冷却液进行冷却。

如图2所示，膜电极31包括质子交换膜以及分别设置在质子交换膜两侧的阳极催化剂和阴极催化剂，膜电极组件30还包括阳极气体扩散层33和阴极气体扩散层34，阳极气体扩散层33位于阳极催化剂和阳极正面之间，阴极气体扩散层34位于阴极催化剂和阴极正面之间。氢气与空气中的氧气通过膜电极31的扩散层，在催化剂层上进行反应，生成水以及进行发电。

具体地，阳极板11和阴极板21均为金属材料，阴极密封部22、阳极密封部12和冷却密封部40为橡胶材料。阳极板11和阴极板21采用金属材料可以保证结构强度，阴极密封部22、阳极密封部12和冷却密封部40采用橡胶材料可以提高密封效果。

本实用新型的另一实施例提供了一种电堆，电堆包括上述的单电池，单电池为多个，多个单电池叠放设置，在相邻两个单电池中，一个单电池的阳极背面和另一个单电池的阴极背面通过一个单电池的冷却密封部40密封连接。这样可实现多个单电池的可靠密封，并且采用多个单电池组成电堆的方式，装配效率高。其中，阳极背面和阴极背面之间的区域形成冷却区。

在上述方案中，粘接密封形式可以保证反应气体零泄漏，同时密封材料不受压缩或受很小的压缩可以保证非常长的密封寿命；将阳极板、阴极板与MEA组合为单电池形式，可以保证阴阳极板间不发生错位，相邻单电池间的错位鲁棒性好，电堆具有良好的发电一致性；相比双极板加MEA的电堆结构，采用单电池的结构可以将电堆的堆叠效率提升一倍。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单电池，其特征在于，包括：

阳极组件(10)，所述阳极组件(10)包括阳极板(11)和阳极密封部(12)，所述阳极板(11)的两侧分别为阳极正面和阳极背面，所述阳极密封部(12)位于所述阳极正面，所述阳极正面具有氢气流道(13)；

阴极组件(20)，所述阴极组件(20)包括阴极板(21)和阴极密封部(22)，所述阴极板(21)的两侧分别为阴极正面和阴极背面，所述阴极密封部(22)位于所述阴极正面，所述阴极正面具有空气流道(23)；

膜电极组件(30)，所述膜电极组件(30)包括膜电极(31)和密封边框(32)，所述密封边框(32)和所述膜电极(31)连接，所述阴极密封部(22)和所述阳极密封部(12)分别和所述密封边框(32)的两侧密封连接；

冷却密封部(40)，设置在所述阳极背面或所述阴极背面；

其中，所述膜电极组件(30)位于所述阳极组件(10)和所述阴极组件(20)之间，所述阴极密封部(22)和所述阴极正面密封连接，所述阳极密封部(12)和所述阳极正面密封连接。

2.根据权利要求1所述的单电池，其特征在于，所述冷却密封部(40)为密封胶条，所述密封胶条分布在所述阴极背面。

3.根据权利要求1所述的单电池，其特征在于，所述阳极组件(10)还包括阳极底涂层(14)，所述阳极底涂层(14)位于所述阳极正面和所述阳极密封部(12)之间；所述阴极组件(20)还包括阴极底涂层(24)，所述阴极底涂层(24)位于所述阴极正面和所述阴极密封部(22)之间。

4.根据权利要求1所述的单电池，其特征在于，所述膜电极组件(30)还包括阳极粘接底涂层(15)和阴极粘接底涂层(25)，所述阳极粘接底涂层(15)位于所述阳极密封部(12)和所述密封边框(32)之间，所述阴极粘接底涂层(25)位于所述阴极密封部(22)和所述密封边框(32)之间。

5.根据权利要求1所述的单电池，其特征在于，所述冷却密封部(40)设置在所述阴极背面，所述阴极组件(20)还包括冷却底涂层(26)，所述冷却底涂层(26)位于所述冷却密封部(40)和所述阴极背面之间。

6.根据权利要求1所述的单电池，其特征在于，

所述氢气流道(13)为多个，多个所述氢气流道(13)平行设置，所述阳极正面还具有氢气分配区(16)，每个所述氢气流道(13)均和所述氢气分配区(16)连通；

所述空气流道(23)为多个，多个所述空气流道(23)平行设置，所述阴极正面还具有空气分配区(27)，每个所述空气流道(23)均和所述空气分配区(27)连通。

7.根据权利要求1所述的单电池，其特征在于，所述阳极板(11)具有阳极氢气口(111)、阳极空气口(112)和阳极冷却液口(113)，所述阴极板(21)具有阴极氢气口(211)、阴极空气口(212)和阴极冷却液口(213)，所述阳极氢气口(111)和所述阴极氢气口(211)连通，所述阳极空气口(112)和所述阴极空气口(212)连通，所述阳极冷却液口(113)和所述阴极冷却液口(213)连通，所述氢气流道(13)和所述阳极氢气口(111)连通，所述空气流道(23)和所述阴极空气口(212)连通。

8.根据权利要求1所述的单电池，其特征在于，所述膜电极(31)包括质子交换膜以及分别设置在所述质子交换膜两侧的阳极催化剂和阴极催化剂，所述膜电极组件(30)还包括阳极气体扩散层(33)和阴极气体扩散层(34)，所述阳极气体扩散层(33)位于所述阳极催化剂和所述阳极正面之间，所述阴极气体扩散层(34)位于所述阴极催化剂和所述阴极正面之间。

9.根据权利要求1所述的单电池，其特征在于，所述阳极板(11)和所述阴极板(21)均为金属材料，所述阴极密封部(22)、所述阳极密封部(12)和所述冷却密封部(40)为橡胶材料。

10.一种电堆，其特征在于，所述电堆包括权利要求1至9中任一项所述的单电池，所述单电池为多个，多个所述单电池叠放设置，在相邻两个所述单电池中，一个所述单电池的阳极背面和另一个所述单电池的阴极背面通过一个所述单电池的冷却密封部(40)密封连接。

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