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CN111224124A - 一种燃料电池单体及其制备方法 - Google Patents

一种燃料电池单体及其制备方法 Download PDF

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CN111224124A CN202010146194.1A CN202010146194A CN111224124A CN 111224124 A CN111224124 A CN 111224124A CN 202010146194 A CN202010146194 A CN 202010146194A CN 111224124 A CN111224124 A CN 111224124A
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陈宏�
王猛
张华农
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Shenzhen Center Power Tech Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种燃料电池单体及其制备方法，属于燃料电池技术领域。该燃料电池单体包括阳极板、阴极板、以及设置于所述阳极板与阴极板之间的膜电极；所述阳极板与膜电极之间设置有第一胶膜，所述膜电极与阴极板之间设置有第二胶膜；所述第一胶膜、所述第二胶膜、及所述膜电极具有相同的形状和面积，且所述第一胶膜/第二胶膜为具有粘结密封性的胶膜；所述第一胶膜和所述第二胶膜的厚度均为0.04mm‑0.40mm。本发明通过胶膜实现极板与膜电极之间的面密封，使得极板不易发生错位，且胶膜具有较高的粘性，可以进一步避免在装堆过程中发生极板错位。

Description

一种燃料电池单体及其制备方法
技术领域
本发明涉及电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池单体及其制备方法。
背景技术
目前，全球经济面临着巨大的能源危机，节能减排和发展可替代化石燃料的新能源更是人类迫在眉睫的需求。燃料电池主要利用燃料与氧气生成水的化学转化产生电能，用于产生电能的燃料电池包含有核心组件-膜电极单元，膜电极单元是由可传导质子的膜和分别布置在膜两侧的电极(阳极和阴极)构成的联合体。此外，气体扩散层(GDL)可以在膜电极单元两侧，布置在电极的背向膜的侧面上。燃料电池一般由大量的堆叠布置的膜电极单元构成，这些膜电极单元的电功率相互叠加。
燃料电池处于工作状态时，燃料、尤其氢气H2或者含氢气的混合气被导向阳极，在阳极进行H2向H+的电化学式的氧化反应以释放出电子。通过电解质或者使反应室气密地相互分开、并且电绝缘的膜进行质子H+从阳极室向阴极室(与水结合的或者不含水的)的输送。阳极制备的电子通过电路导向阴极。氧气或者含氧的混合气被导向阴极，以便通过吸收电子实现从O2到O2-的还原；同时，该氧离子与通过膜输送的质子在阴极室反应生成水。相比于其他的发电系统，燃料电池通过化学能直接转化为电能，由于不必考虑卡诺因子，因而实现了更好的转化效率。
一般的，传统燃料电池由多个双极板膜电极堆叠形成，双极板中的冷却水流场由两块带有水流道的单极板粘合而成，双极板与膜电极之间通过密封胶线来进行密封，当膜电极两侧双极板密封胶线收到挤压时容易发生错位，导致应力集中，进而使双极板发生结构性破坏。
发明内容
基于此，有必要针对上述存在的技术问题提供一种燃料电池单体及其制备方法。
一方面，本发明提出一种燃料电池单体，包括阳极板、阴极板、以及设置于所述阳极板与所述阴极板之间的膜电极；所述阳极板与所述膜电极之间设置有第一胶膜，所述膜电极与所述阴极板之间设置有第二胶膜；所述第一胶膜、所述第二胶膜、及所述膜电极具有相同的形状和面积，且所述第一胶膜/第二胶膜为具有粘结密封性的胶膜；所述第一胶膜和所述第二胶膜的厚度均为0.04mm-0.40mm。
进一步地，所述阳极板远离所述第一胶膜的一面上设置有冷却水道。
进一步地，所述冷却水道的宽度为0.3mm-0.6mm。
进一步地，所述冷却水道的四周设置有密封胶槽，所述密封胶槽内设置有密封胶线。
进一步地，所述密封胶线为UV胶线或橡胶胶线。
进一步地，所述膜电极靠近所述阳极板的一面上设置有第一气体扩散层，所述第一胶膜环绕所述第一气体扩散层设置，所述阳极板靠近所述第一气体扩散层的一面上设置有氧气流道。
进一步地，所述第一胶膜的侧边设置有多个第一预留部。
进一步地，所述膜电极靠近所述阴极板的一面上设置有第二气体扩散层，所述第二胶膜环绕所述第二气体扩散层设置，所述阴极板靠近所述第二气体扩散层的一面上设置有氢气流道。
进一步地，所述第二胶膜的侧边设置有多个第二预留部。
进一步地，所述阳极板/阴极板为金属极板、石墨极板或石墨/金属复合双极板。
进一步地，所述膜电极为质子交换膜电极。
进一步地，所述第一胶膜和/或所述第二胶膜为热熔胶膜或压敏胶膜。
另一方面，本发明还提出所述燃料电池单体的制备方法，包括如下步骤：
(1)将阳极板、第一胶膜、膜电极、第二胶膜、及阴极板依次叠放于夹具上，拧紧，得到叠好的燃料电池单体夹具；
(2)将步骤(1)的燃料电池单体夹具置于烘箱中，于90℃反应两小时取出，降温至室温，得到燃料电池单体；
所述第一胶膜和所述第二胶膜的厚度均为0.04mm-0.40mm；
所述第一胶膜、所述第二胶膜、及所述膜电极具有相同的形状和面积，且所述第一胶膜/所述第二胶膜为具有粘结密封性的胶膜。
这样，第一胶膜和第二胶膜分别与膜电极形成面密封、阴极板与第一胶膜形成面密封、阳极板与第二胶膜形成面密封，不易发生错位，并且第一胶膜和第二胶膜本身具有比较高的粘结密封性，起到了固定作用，从而进一步避免了在电池单体在装堆过程中发生极板的错位。
进一步地，所述第一胶膜和/或所述第二胶膜为热熔胶膜或压敏胶膜。
进一步地，所述热熔胶膜优选为EVA胶膜、PA胶膜、PES胶膜、PO胶膜或TPU胶膜。
进一步地，所述压敏胶膜为PVC胶膜、PE胶膜、PET胶膜、BOPP胶膜或PU胶膜。
进一步地，所述阳极板远离所述第一胶膜的一面上设置有冷却水道。
进一步地，所述冷却水道的四周设置有密封胶槽，所述密封胶槽内设置有密封胶线。
本发明改变了传统燃料电池极板通过密封胶圈或UV胶线与膜电极密封的线密封方式，通过胶膜实现极板与膜电极之间的面密封，使得极板不易发生错位，并且胶膜本身具有比较高的粘性，起到了固定作用，进一步避免了在装堆过程中发生极板的错位。本申请的制备方法简单，方便快捷，并且可以通过预留的部分胶膜拉长后使胶膜的粘力失效而实现极板与膜电极的拆解，更换方便。
附图说明
图1是本发明一实施例的燃料电池单体的结构爆炸示意图；
图2是图1的燃料电池单体的纵向剖面结构图；
图3是图2的A部分的局部放大图；
图4是图1的燃料电池单体的第一胶膜的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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的一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
一般地，传统燃料电池通过密封胶圈或UV胶线来实现极板与膜电极的密封，采用密封胶圈或UV胶线来进行密封时，由于密封方式是线密封，在装堆过程中胶线与胶线之间容易形成错位，进而造成板与板之间应力分布不均，使得极板容易发生破坏。
而在本申请中，由于使用胶膜作为密封材料，胶膜与膜电极之间属于面密封，不易发生错位，并且胶膜本身具有比较高的粘性，起到了固定作用，进一步避免了在装堆过程中发生极板的错位。制备得到的燃料电池单体成为可以单独测试性能的模块，并且不再需要额外的力来达到密封及固定电池的作用。
请同时参见图1至图3，一方面，本发明提出一种燃料电池单体，包括阳极板10、阴极板20、以及设置于所述阳极板10与所述阴极板20之间的膜电极30；所述阳极板10与所述膜电极30之间设置有第一胶膜40，所述膜电极30与所述阴极板20之间设置有第二胶膜50；所述第一胶膜40、所述第二胶膜50、及所述膜电极30具有相同的形状和面积，且所述第一胶膜40/第二胶膜50为具有粘结密封性的胶膜；所述第一胶膜40和所述第二胶膜50的厚度均为0.04mm-0.40mm。
一般地，在本申请的实施例中，所述第一胶膜40和所述第二胶膜50的厚度设置为0.04mm-0.40mm，这样可以在保证所述第一胶膜40和所述第二胶膜50具有较好的粘结密封性的同时，又不影响所述阳极板10、所述阴极板20以及所述膜电极30之间的接触电阻。如果第一胶膜40和第二胶膜50的厚度低于0.04mm，则很难保证粘结性，使得膜电极与极板脱离；如果第一胶膜40和第二胶膜50的厚度大于0.40mm，又会增大阳极板10、阴极板20与膜电极30之间的接触电阻，造成燃料电池的内部损耗增加。
进一步地，在本实施例中，所述阳极板10远离所述第一胶膜40的一面上设置有冷却水道11。
一般地，冷却水道11的宽度主要根据实际需要设置。在本申请的实施例中，所述冷却水道11的宽度为0.3mm-0.6mm。具体的，在本实施例中，所述冷却水道11的宽度为0.4mm。可以理解的是，在其他实施例中，冷却水道11的宽度也可以为0.3mm，0.6mm等等。
进一步地，所述冷却水道11的四周设置有密封胶槽(图中未标识)，所述密封胶槽内设置有密封胶线12，所述密封胶线12为UV胶线或橡胶胶线等弹性材料。
进一步地，所述膜电极30靠近所述阳极板10的一面上设置有第一气体扩散层41，所述第一胶膜40环绕所述第一气体扩散层41设置，所述阳极板10靠近所述第一气体扩散层41的一面上设置有氧气流道13。
进一步地，如图4所示，所述第一胶膜40的侧边设置有多个第一预留部42；具体的，在本实施例中，所述第一胶膜40的两侧边分别设置有一个第一预留部42。在第一胶膜40的侧边设置第一预留部42，可以通过第一预留部拉长后使胶膜的粘力失效来完成极板与膜电极的拆解。
进一步地，所述膜电极30靠近所述阴极板20的一面上设置有第二气体扩散层51，所述第二胶膜50环绕所述第二气体扩散层51设置，所述阴极板20靠近所述第二气体扩散层51的一面上设置有氢气流道21。
进一步地，所述第二胶膜50的侧边设置有多个第二预留部；具体的，在本实施例中，所述第二胶膜50的两侧边分别设置有一个第二预留部。在第二胶膜50的侧边设置第二预留部，可以通过第二预留部拉长后使胶膜的粘力失效来完成极板与膜电极的拆解。
一般地，在本申请的实施例中，所述阳极板10/阴极板20为金属极板、石墨极板或石墨/金属复合双极板。具体的，在本实施例中，所述阳极板10/阴极板20为石墨极板。
进一步地，在本实施例中，所述膜电极30为质子交换膜电极。
进一步地，需要说明的是，在本申请的实施例中，所述第一胶膜40和/或所述第二胶膜50为热熔胶膜或压敏胶膜。
另一方面，本发明的实施例还提出所述燃料电池单体的制备方法，包括如下步骤：
(1)将阳极板、第一胶膜、膜电极、第二胶膜、及阴极板依次叠放于夹具上，拧紧，得到叠好的燃料电池单体夹具；
(2)将步骤(1)的燃料电池单体夹具置于烘箱中，于90℃反应两小时后取出，降至室温，得到燃料电池单体；
所述第一胶膜和所述第二胶膜的厚度均为0.04mm-0.40mm；
所述第一胶膜、所述第二胶膜、及所述膜电极具有相同的形状和面积，且所述第一胶膜/所述第二胶膜为具有粘结密封性的胶膜。
这样，第一胶膜和第二胶膜分别与膜电极形成面密封、阴极板与第一胶膜形成面密封、阳极板与第二胶膜形成面密封，不易发生错位，并且第一胶膜和第二胶膜本身具有比较高的粘结密封性，起到了固定作用，从而进一步避免了在电池单体在装堆过程中发生极板的错位。
进一步地，在本申请的实施例中，所述第一胶膜和/或所述第二胶膜为热熔胶膜或压敏胶膜。一般的，在本申请的实施例中，所述第一胶膜或者所述第二胶膜的耐受温度为20℃-200℃。
进一步地，在本申请的实施例中，所述热熔胶膜优选为EVA胶膜、PA胶膜、PES胶膜、PO胶膜或TPU胶膜。具体的，在本实施例中，所述热熔胶膜为EVA胶膜。可以理解的是，在其他实施例中，所述热熔胶膜也可以为PA胶膜、或者PES胶膜、或者PO胶膜或TPU胶膜等等。
进一步地，在本申请的其他实施例中，所述压敏胶膜为PVC胶膜、PE胶膜、PET胶膜、BOPP胶膜或PU胶膜。具体的，在本实施例中，所述压敏胶膜为PU胶膜。可以理解的是，在其他实施例中，所述压敏胶膜也可以为PVC胶膜、或者PE胶膜、或者PET胶膜、或者BOPP胶膜等等。
进一步地，所述阳极板远离所述第一胶膜的一面上设置有冷却水道。
一般地，所述冷却水道的宽度主要根据实际需要设置。在本申请的实施例中，所述冷却水道的宽度为0.3mm-0.6mm。具体的，在本实施例中，所述冷却水道的宽度为0.4mm。可以理解的是，在其他实施例中，冷却水道的宽度也可以为0.3mm，0.6mm等等。
进一步地，所述冷却水道的四周设置有密封胶槽，所述密封胶槽内设置有密封胶线。所述密封胶线为UV胶线或橡胶胶线。具体的，在本实施例中，所述密封胶线为UV胶线。
本发明改变了传统燃料电池极板通过密封胶圈或UV胶线与膜电极密封的线密封方式，通过胶膜实现极板与膜电极之间的面密封，使得极板不易发生错位，并且胶膜本身具有比较高的粘性，起到了固定作用，进一步避免了在装堆过程中发生极板的错位。本申请的制备方法简单，方便快捷，并且可以通过预留的部分胶膜拉长后使胶膜的粘力失效而实现极板与膜电极的拆解，更换方便。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池单体，其特征在于，包括阳极板、阴极板、以及设置于所述阳极板与所述阴极板之间的膜电极；所述阳极板与所述膜电极之间设置有第一胶膜，所述膜电极与所述阴极板之间设置有第二胶膜；所述第一胶膜、所述第二胶膜、及所述膜电极具有相同的形状和面积，且所述第一胶膜/第二胶膜为具有粘结密封性的胶膜；所述第一胶膜和所述第二胶膜的厚度均为0.04mm-0.40mm。
2.根据权利要求1所述的燃料电池单体，其特征在于，所述阳极板远离所述第一胶膜的一面上设置有冷却水道。
3.根据权利要求2所述的燃料电池单体，其特征在于，所述冷却水道的宽度为0.3mm-0.6mm；所述冷却水道的四周设置有密封胶槽，所述密封胶槽内设置有密封胶线。
4.根据权利要求2所述的燃料电池单体，其特征在于，所述膜电极靠近所述阳极板的一面上设置有第一气体扩散层，所述第一胶膜环绕所述第一气体扩散层设置，所述阳极板靠近所述第一气体扩散层的一面上设置有氧气流道。
5.根据权利要求2所述的燃料电池单体，其特征在于，所述膜电极靠近所述阴极板的一面上设置有第二气体扩散层，所述第二胶膜环绕所述第二气体扩散层设置，所述阴极板靠近所述第二气体扩散层的一面上设置有氢气流道。
6.根据权利要求1所述的燃料电池单体，其特征在于，所述第一胶膜的侧边设置有多个第一预留部；所述第二胶膜的侧边设置有多个第二预留部。
7.根据权利要求1-6任一项所述的燃料电池单体，其特征在于，所述第一胶膜和/或所述第二胶膜为热熔胶膜或压敏胶膜。
8.权利要求1-6任一项所述的燃料电池单体的制备方法，其特征在于，所述燃料电池单体的制备方法，包括如下步骤：
(1)将阳极板、第一胶膜、膜电极、第二胶膜、及阴极板依次叠放于夹具上，拧紧，得到叠好的燃料电池单体夹具；
(2)将步骤(1)的燃料电池单体夹具置于烘箱中，于90℃反应两小时后取出，降温至室温，得到燃料电池单体；
所述第一胶膜和所述第二胶膜的厚度均为0.04mm-0.40mm；
所述第一胶膜、所述第二胶膜、及所述膜电极具有相同的形状和面积，且所述第一胶膜/所述第二胶膜为具有粘结密封性的胶膜。
9.根据权利要求8所述的燃料电池单体的制备方法，其特征在于，所述第一胶膜和/或所述第二胶膜为热熔胶膜或压敏胶膜。
10.根据权利要求9所述的燃料电池单体的制备方法，其特征在于，所述热熔胶膜为EVA胶膜、PA胶膜、PES胶膜、PO胶膜或TPU胶膜；所述压敏胶膜为PVC胶膜、PE胶膜、PET胶膜、BOPP胶膜或PU胶膜。
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