一种燃料电池空冷一体化膜电极结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种燃料电池空冷一体化膜电极结构及其制备方法。所述燃料电池空冷一体化膜电极结构，包括膜电极组件和分别位于膜电极组件两侧的空气流道层和氢气流道层，流道结构充分利用流道脊结构使其中空形成额外流道，并且与原有流道槽弯折处通过开口（第一开口/第二开口）连通形成共用流道增加了气体流道空间同等条件下能够更快的补充膜电极消耗气体，使得膜电极整体气体压强分布均匀提升功率密度与耐久性，尤其在大电流密度下效果更加明显。本申请结构装配方式简单，膜电极上集成了氢、空两侧流道与密封胶线，一片一体化膜电极即为一个单元，装配几十上百个单元为一个堆，简化了装配步骤，提高电堆装配效率与一致性降低制造成本。低制造成本。低制造成本。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池空冷一体化膜电极结构及其制备方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，特别是涉及一种燃料电池空冷一体化膜电极结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池是以氢气为燃料，通过和空气中的氧气发生氧化还原反应，将燃料中的化学能转变成电能的装置。一般质子交换膜燃料电池结构由双极板（阳极板和阴极板）、膜电极以及一些密封组件进行重复堆叠形成一个包含大量单电池单元的电堆。
[0003]其中，空冷式质子交换膜燃料电池是由空气作为冷却介质，空气既用于提供反应用的氧气，又用于冷却。
[0004]现有燃料电池金属双极板是采用薄的金属材料一体压铸成型，双极板产品制备加工的百吨位压力机和金属模具价格昂贵动辄几十上百万。
[0005]现有燃料电池双极板具有流道脊和流道槽结构，其中流道脊占用体积大，流道槽体积利用率低，因此流道较长气体传质存在较大的压降，传质效果差,并且流道本身没有保湿功能。
[0006]现有的空冷膜电极未集成密封胶线和双极板（流道），在装配电堆时需要装配一层密封胶线、一层双极板、一层膜电极、一层密封胶线、一层双极板、一层膜电极如此重复，工序复杂，装配工作量大，一致性难以保证。
[0007]比如，公开号为CN105932314A的专利技术申请公开了一种燃料电池阴极板密封装置、燃料电池、和燃料电池堆。该密封装置包括阴极板和密封部件。阴极板采用多孔质材料制成，并且在其上设置有用于安装密封部件的第一结构。密封部件内部设置有纵向通孔，用作燃料电池的燃料主流道。密封部件用于密封燃料主流道，并且密封阴极板和位于阴极板上方的阳极板之间的接触处。密封部件下部设置有用于和所述第一结构相配的第二结构，上部设置有横向沟槽，使得流过燃料主流道的燃料能够分配到上方阳极板所包括的燃料微流道中。
[0008]再比如，公开号为CN112436163A的专利技术申请公开了一种燃料电池金属双极板及阴极闭式空冷电堆，包括依次连接的阳极板、空气冷却板和阴极板，还包括用于防止气体泄漏的密封圈，所述阳极板远离所述空气冷却板的一侧设有燃料气体流道，所述燃料气体流道沿所述金属双极板的长度方向设置；所述阴极板远离所述空气冷却板的一侧设有反应空气流道，所述反应空气流道沿所述金属双极板的长度方向设置；所述空气冷却板的两侧分别设有冷却空气流道，所述冷却空气流道沿所述金属双极板的宽度方向设置。
[0009]上述现有技术中均存在前述装配问题。

技术实现思路

[0010]本专利技术针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种燃料电池空冷一体化膜电极结构及其制备方法。
[0011]一种燃料电池空冷一体化膜电极结构，包括膜电极组件和分别位于膜电极组件两侧的空气流道层和氢气流道层，空气流道层设有空气流道，氢气流道层设有氢气流道，所述氢气流道沿膜电极组件的长轴方向设置，所述空气流道沿膜电极组件的短轴方向设置，所述氢气流道层包括氢气流道形成板，所述氢气流道形成板向膜电极组件方向间隔凸起形成氢气流道脊，相邻两条氢气流道脊之间形成氢气流道槽，所述氢气流道脊从氢气流道的进口端向出口端成多段折线型延伸，且所述氢气流道脊在各段折线弯折处开设有连通氢气流道槽的第一开口；其中，位于远离膜电极组件一侧设有流道底板，膜电极组件与流道底板之间夹持氢气流道形成板形成氢气流道，氢气流道形成板的外周还设有一圈氢气侧密封胶块；所述空气流道层包括空气流道形成板，所述空气流道形成板向膜电极组件方向间隔凸起形成空气流道脊，相邻两条空气流道脊之间形成空气流道槽，所述空气流道脊从空气流道的进口端向出口端成多段折线型延伸，且所述空气流道脊在各段折线弯折处开设有连通空气流道槽的第二开口；其中，膜电极组件与堆叠时相邻燃料电池空冷一体化膜电极结构的流道底板之间夹持空气流道形成板形成空气流道，空气流道形成板垂直空气流动方向的两侧分别设有空气侧密封胶块；所述流道底板、空气侧密封胶块上，以及氢气流道的入口端和出口端与氢气侧密封胶块之间，均留有相互贯通的氢气进气/排气通道。
[0012]优选的，氢气流道槽和空气流道槽的宽为0.2~2mm，深0.2~2mm。
[0013]优选的，所述空气流道形成板的厚度为0.1~0.5mm；氢气流道形成板的厚度为0.5~1mm。
[0014]优选的，成多段折线型的氢气流道脊中每段的长度相同；成多段折线型的空气流道脊中每段的长度相同。更优选的，第一开口在高度方向横跨整个氢气流道脊，第一开口的宽度为每段氢气流道脊长度的1/20~1/5；第二开口在高度方向横跨整个空气流道脊，第二开口的宽度为每段空气流道脊长度的1/20~1/5。
[0015]优选的，所述氢气流道形成板和空气流道形成板的材质为不锈钢，表面预镀或后处理一层耐腐蚀和/或减小接触电阻的表面涂层。
[0016]优选的，所述空气流道层与膜电极组件之间设有空侧垫片，所述空侧垫片具有用于避让空气流道的第一避让孔，以及位于两端的、用于形成氢气进气/排气通道的第二避让孔。
[0017]本专利技术又提供了所述燃料电池空冷一体化膜电极结构的制备方法，所述氢气流道形成板和空气流道形成板均由成卷材料经翅片机冲压形成氢气流道槽或空气流道槽，再切割或冲裁成所述氢气流道形成板或空气流道形成板。
[0018]优选的，翅片机冲压时压力为3~8吨。本申请中氢气流道形成板和空气流道形成板特定的结构特征使得不需要整体进行一体成型，而可以一块区域一块区域地进行成型，所以可以先在成卷材料上冲压成型，再切割或冲裁，并且，冲压使用的压力大大减小，可以使用翅片机冲压，设备和模具成本大大降低。
[0019]优选的，装配时，先将氢气流道形成板固定到流道底板上，将氢气侧密封胶块以注胶或者密封胶块形式粘接于流道底板上；再将膜电极组件粘接于氢气侧密封胶块上；然后将空气流道形成板放于膜电极组件上，通过空气侧密封胶块以注胶或者带粘性胶块粘接固
定。氢气流道形成板和流道底板之间可以通过激光焊接连接或导电粘接等方式结合在一起。
[0020]现有技术中，常规的金属板或者石墨板气体流道脊部分为实体不可走气体，流道槽连通道越长气体同等条件下压降越大不利于气体传质。本申请中，氢气流道脊和空气流道脊均为多段折线型延伸，所以，相应的，氢气流道槽和空气流道槽也均为多段折线型延伸，通过在弯折处开设的第一开口和第二开口气流根据惯性从流道脊（氢气流道脊/空气流道脊）内流入流道槽（氢气流道槽/空气流道槽）内补充槽内气流消耗降低气体压降，流道槽处形成相对负压使得空冷堆内部的水分不易被空气气流带走，流道槽的不同节点汇入新的气流形成间歇性压差有利于气体传质和水分保湿，解决了空冷堆空气直流道技术中电堆运行经常出现的缺水问题。
[0021]本申请中流道结构充分利用流道脊结构使其中空形成额外流道，并且与原有流道槽弯折处通过开口（第一开口/第二开口）连通形成共用流道增加了气体流道空间同等条件下能够更快的补充膜电极消耗气体，使得膜电极整体气体压强分布均匀提升功率密度与耐久性，尤其在大电流密度下效果更加明显。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池空冷一体化膜电极结构，包括膜电极组件和分别位于膜电极组件两侧的空气流道层和氢气流道层，空气流道层设有空气流道，氢气流道层设有氢气流道，所述氢气流道沿膜电极组件的长轴方向设置，所述空气流道沿膜电极组件的短轴方向设置，其特征在于，所述氢气流道层包括氢气流道形成板，所述氢气流道形成板向膜电极组件方向间隔凸起形成氢气流道脊，相邻两条氢气流道脊之间形成氢气流道槽，所述氢气流道脊从氢气流道的进口端向出口端成多段折线型延伸，且所述氢气流道脊在各段折线弯折处开设有连通氢气流道槽的第一开口；其中，位于远离膜电极组件一侧设有流道底板，膜电极组件与流道底板之间夹持氢气流道形成板形成氢气流道，氢气流道形成板的外周还设有一圈氢气侧密封胶块；所述空气流道层包括空气流道形成板，所述空气流道形成板向膜电极组件方向间隔凸起形成空气流道脊，相邻两条空气流道脊之间形成空气流道槽，所述空气流道脊从空气流道的进口端向出口端成多段折线型延伸，且所述空气流道脊在各段折线弯折处开设有连通空气流道槽的第二开口；其中，膜电极组件与堆叠时相邻燃料电池空冷一体化膜电极结构的流道底板之间夹持空气流道形成板形成空气流道，空气流道形成板垂直空气流动方向的两侧分别设有空气侧密封胶块；所述流道底板、空气侧密封胶块上，以及氢气流道的入口端和出口端与氢气侧密封胶块之间，均留有相互贯通的氢气进气/排气通道。2.如权利要求1所述的燃料电池空冷一体化膜电极结构，其特征在于，氢气流道槽和空气流道槽的宽为0.2~2mm，深0.2~2mm。3.如权利要求1所述的燃料电池空冷一体化膜电极结构，其特征在于，所述空气流道形成板的厚度为0.1~0.5m...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈新龙，曹寅亮，方蕾，茹皓，孙基文，李伯球，徐乃涛，徐淳川，
申请(专利权)人：浙江天能氢能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：