燃料电池单元和燃料电池堆制造技术

本申请提供一种燃料电池单元，其包括：导电隔板，其两侧分别设有用作反应物通道的第一沟槽和用作冷却剂通道的第二沟槽；和膜电极组件，其包括质子交换膜以及依次层叠在所述质子交换膜上的催化剂层和气体扩散层，其中，所述导电隔板的第一沟槽的开口通向所述气体扩散层，且所述气体扩散层的外侧设有第三沟槽，所述第二沟槽的底壁被设置在所述第三沟槽内。本申请还提供了一种包括上述燃料电池单元的燃料电池堆。本申请能够在不降低燃料电池单元的有效反应面积的同时提高燃料电池单元的导热性和导电性。性和导电性。性和导电性。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池单元和燃料电池堆


[0001]本申请涉及燃料电池
，尤其涉及燃料电池单元和包括该燃料电池单元的燃料电池堆。

技术介绍

[0002]燃料电池堆包括借助于粘合剂、紧固部件等层叠在一起的多个燃料电池单元，每个燃料电池单元包括一对板状的导电隔板(即，阳极隔板和阴极隔板)和被夹在导电隔板之间的膜电极组件(MEA)，其中相邻的燃料电池单元的导电隔板可以被配置成为一体而被称为双极板(BPP)。导电隔板(或双极板)一般为带有对应的沟槽和凸起的金属板或复合材料板，其中与膜电极组件连通的沟槽形成反应物(例如，空气和氢气)通道，而与膜电极组件不连通的沟槽形成冷却剂通道，以用于去除在燃料电池工作过程中产生的热量。膜电极组件通常包括质子交换膜(PEM)、层叠在质子交换膜两侧的催化剂层(CL)和层叠在催化剂层上的气体扩散层(GDL)。
[0003]在传统的燃料电池单元中，膜电极组件是平整的，导电隔板的凸起与膜电极组件抵接，起到导电、导热和支撑的作用，而导电隔板的沟槽形成反应物通道和冷却剂通道。图1A和图1B示出了传统的燃料电池单元结构的示意性局部横截面组装图和分解图，其中为简化图示，仅示出了一个导电隔板10和膜电极组件20的半部。如图1A和图1B所示，导电隔板10包括反应物通道11和冷却剂通道12，其中反应物通道11具有横截面ABCD，而冷却剂通道12具有横截面CDEF。边BC的长度和拔模角∠ICD决定了反应物通道的尺寸，边DE的长度和相同的拔模角决定了冷却剂通道的尺寸。电子和热量通过界面DE传导到导电隔板10。
[0004]对于燃料电池单元的这种结构，边BC、DE的长度和拔模角∠ICD非常重要。拔模角通常取决于导电隔板的加工工艺，而边BC和边DE的长度是设计参数，其可以被定制以平衡反应物通道和冷却剂通道的尺寸(空气、H2和冷却剂的量)。此外，边DE的长度也决定了导热性和导电性的好坏。由于边BC+边DE的总长度有限，如果增加边BC的长度以获得较大的反应物(空气或H2)通道尺寸，则必须减小边DE的长度，因此冷却剂通道变小且导热性和导电性变差。另一方面，如果增加边DE的长度以获得更大的冷却剂通道和更好的导热性和导电性，则边BC的长度会变小，因此反应物(空气或H2)的通道尺寸变小，影响燃料电池单元的反应物传输阻力和有效反应面积。
[0005]因此，需要对现有的燃料电池单元进行改进，以在不降低燃料电池单元的有效反应面积的同时提高其导电性和导热性。

技术实现思路

[0006]本申请的目的在于克服现有技术的不足，提供一种燃料电池单元和包括该燃料电池单元的燃料电池堆，其能够在不降低燃料电池单元的有效反应面积的同时提高燃料电池单元的导热性和导电性。
[0007]为此，本申请提供一种燃料电池单元，其包括：导电隔板，其两侧分别设有用作反
应物通道的第一沟槽和用作冷却剂通道的第二沟槽；和膜电极组件，其包括质子交换膜以及依次层叠在所述质子交换膜上的催化剂层和气体扩散层，其中，所述导电隔板的第一沟槽的开口通向所述气体扩散层，且所述气体扩散层的外侧设有第三沟槽，所述第二沟槽的底壁被设置在所述第三沟槽内。
[0008]根据本申请的实施例，所述第二沟槽的底表面被设置在所述第三沟槽内。
[0009]根据本申请的实施例，所述第三沟槽的深度为所述气体扩散层的厚度的1％至80％。
[0010]根据本申请的实施例，所述第二沟槽的底壁的横截面轮廓包括直线、折线和弧线中的至少一种或其组合，且所述第三沟槽的形状与所述第二沟槽的底壁的横截面轮廓的形状相对应。
[0011]根据本申请的实施例，所述导电隔板被配置成所述燃料电池单元的阳极隔板和/或阴极隔板。
[0012]根据本申请的实施例，所述导电隔板为模压制成的金属板、石墨板或导电性复合材料板，且所述气体扩散层为导电性碳层。
[0013]根据本申请的实施例，所述第三沟槽是在所述膜电极组件的组装之前根据所述导电隔板的形状和位置在所述气体扩散层中切割出的。
[0014]根据本申请的实施例，所述第三沟槽是在所述燃料电池单元的组装过程中通过所述第二沟槽的底壁切入所述气体扩散层中而形成的。
[0015]根据本申请的另一方面，提供了一种燃料电池堆，其包括：多个如上所述的燃料电池单元；其中，相邻的所述燃料电池单元的导电隔板的极性相反，且相邻的所述燃料电池单元的导电隔板的第二沟槽连通。
[0016]根据本申请的实施例，所述燃料电池单元通过粘合剂、紧固部件或焊接层叠在一起。
[0017]在本申请中，在保持反应物通道的有效反应面积不变的情况下，可以使导热界面和导电界面更大，导热性和导电性更好，从而提高燃料电池单元的效率，使燃料电池单元的温度更均匀。
附图说明
[0018]下面将参考附图对本申请的示例性实施例进行详细说明，应当理解，下面描述的实施例仅用于解释本申请，而不是对本申请的范围的限制，在附图中：
[0019]图1A和图1B是传统的燃料电池单元的示意性局部横截面组装图和分解图，其中仅示出了燃料电池单元的半部；
[0020]图2A和2B是根据本申请的第一实施例的燃料电池单元的示意性局部横截面组装图和分解图，其中仅示出了燃料电池单元的半部；
[0021]图2C是图2A中的区域A的示意性放大图；
[0022]图3是根据本申请的第二实施例的燃料电池单元的示意性局部横截面组装图；
[0023]图4是根据本申请的第三实施例的燃料电池单元的示意性局部横截面组装图；和
[0024]图5是根据本申请的实施例的燃料电池堆的示意性局部横截面组装图。
具体实施方式
[0025]下面结合示例详细描述本申请的优选实施例。但是，本领域技术人员应当理解，这些示例性实施例并不意味着对本申请形成任何限制。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的特征可以相互组合。在附图中，为简要起见，省略了其它的部件，但这并不表明本申请的燃料电池单元和燃料电池堆不可包括其它的部件。应当理解，附图中部件的尺寸、比例关系以及数目均不作为对本申请的限制。
[0026]下面结合图2A和2B来描述根据本申请的第一实施例的燃料电池单元50。如图2A和2B所示，本申请的燃料电池单元50包括导电隔板10和膜电极组件20。导电隔板10可以是模压制成的金属板、石墨板或导电性复合材料板，且导电隔板10的两侧分别设有用作反应物通道的第一沟槽11和用作冷却剂通道的第二沟槽12。在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中，反应物通道可以包括空气通道和氢气通道。冷却剂13可以是乙二醇、丙二醇等冷却液。膜电极组件20可包括质子交换膜(未标示出)以及依次层叠在质子交换膜上的催化剂层(未标示出)和气体扩散层21。气体扩散层21可以是导电性碳层，例如，乙炔碳黑、人造石墨、天然石墨、膨胀石墨、碳纤维等材料。导电隔板10和膜电极组件20的材料是本领域技术人员已知的，本文不再进一步详述。
[0027]根据本申请的实施例，导电隔板10的第一沟槽11的开口本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池单元(50)，其特征在于，所述燃料电池单元(50)包括：导电隔板(10)，其两侧分别设有用作反应物通道的第一沟槽(11)和用作冷却剂通道的第二沟槽(12)；膜电极组件(20)，其包括质子交换膜以及依次层叠在所述质子交换膜上的催化剂层和气体扩散层(21)，其中，所述导电隔板(10)的第一沟槽(11)的开口通向所述气体扩散层(21)，且所述气体扩散层(21)的外侧设有第三沟槽(22)，所述第二沟槽(12)的底壁(14)被设置在所述第三沟槽(22)内。2.根据权利要求1所述的燃料电池单元(50)，其中，所述第二沟槽(12)的底表面(15)被设置在所述第三沟槽(22)内。3.根据权利要求1或2所述的燃料电池单元(50)，其中，所述第三沟槽(22)的深度为所述气体扩散层(21)的厚度的1％至80％。4.根据权利要求1或2所述的燃料电池单元(50)，其中，所述第二沟槽(12)的底壁(14)的横截面轮廓包括直线、折线和弧线中的至少一种或其组合，且所述第三沟槽(22)的形状至少与所述第二沟槽(12)的底壁(14)的横截面轮廓的形状相对应。5.根据权利要求1或2所述的燃料电...

【专利技术属性】
技术研发人员：张敬君，谢旭，郝小罡，上原重隆，S，
申请(专利权)人：罗伯特，
类型：发明
国别省市：