CN112751054A - 燃料电池的单元电池 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种燃料电池的单元电池。该单元电池包括：***件，包括膜电极组件，膜电极组件具有形成在聚合物电解质膜的第一表面上的第一电极层和形成在聚合物电解质膜的第二表面上的第二电极层；弹性体框架，在***件的***区域接合在***件的边缘，弹性体框架具有形成在弹性体框架的反应表面通孔，***件设置在反应表面通孔中，并且弹性体框架具有形成在反应表面通孔的两侧并与反应表面通孔间隔开的多个框架歧管通孔，反应气体能够通过多个框架歧管通孔流入或排出；以及一对隔板，每个隔板设置在***件和弹性体框架的相应侧上，并且一对隔板供应反应气体。

Description

燃料电池的单元电池
技术领域
本公开涉及一种燃料电池的单元电池。
背景技术
燃料电池是一种将燃料中包含的化学能通过在堆中进行电化学反应来转换成电能的发电装置，不仅可以用于工业、家庭以及给车辆供应驱动电力，而且还可以用于向诸如便携式装置的小型电子产品供应电力。近年来，燃料电池的使用领域逐渐向高效清洁能源扩展。
一般的燃料电池的单元电池具有位于最内侧的膜电极组件(MEA)，并且膜电极组件包括能够输送氢质子的聚合物电解质膜和涂覆在聚合物电解质膜的两个表面以使氢和氧产生反应的催化剂层，即空气极(阴极(cathode))和燃料极(阳极(anode))。
此外，在膜电极组件的一个表面和另一表面上，即在空气极和燃料极所位于的外部部分上，设置有用于供应反应气体并排出通过反应产生的水的一对隔板。此时，可以在膜电极组件和隔板之间插设用于使反应气体和产生的水的流动扩散或平滑的气体扩散层(GDL)。
同时，传统上，还制造并使用了集成膜电极组件和垫圈的膜电极垫圈组件(MEGA)，膜电极垫圈组件(MEGA)用于保持单元电池的气密性和层叠工艺中的便利性。
此外，近年来，还提出了集成将气体扩散层接合到膜电极组件的***件和垫圈的集成框架。
然而，传统的集成框架使用粘合剂来接合塑料材料的框架和***件。此外，当使用传统的集成框架来制造单元电池时，为了粘合隔板和集成框架，需要单独的粘合构件和密封构件。这样的工艺增加了材料成本和制造成本。
因此，近年来，对燃料电池的弹性体电池框架和使用弹性体电池框架的单元电池进行了研究，在没有单独的粘合构件的情况下，使用由热塑性弹性体(TPE)制成的片状弹性体框架来一体地接合膜电极组件和气体扩散层。
弹性体电池框架中具有弹性的弹性体框架和金属材料的隔板层叠，并且在弹性体框架和隔板之间设置反应气体流动的进气口和出气口。
然而，在将多个单元电池层叠以形成燃料电池堆的情况下，单元电池在层叠的同时被压缩，此时，发生了如下问题：反应气体流动的进气口和出气口区域中具有弹性的弹性体框架被金属材料的隔板压缩，从而使进气口和出气口变窄或堵塞。
此外，还发生了如下问题：弹性体框架被压缩为不期望的形状，从而无法确保弹性体框架和隔板之间的气密性。
作为背景技术解释的前述内容仅旨在帮助理解本公开的背景，而并非旨在表示本公开落入本领域技术人员已知的现有技术的范围内。
发明内容
本公开涉及一种燃料电池的单元电池。本公开的特定实施例提供一种燃料电池的单元电池，可以确保气密性，同时稳定地确保层叠弹性体框架和金属隔板的单元电池中反应气体的进气口和出气口。
根据本公开的实施例的一种燃料电池的单元电池包括：***件，包括膜电极组件，膜电极组件具有形成在聚合物电解质膜的两个表面上的一对电极层；以及弹性体框架，形成为片状并在***件的***区域热熔接在***件的边缘，弹性体框架具有形成在弹性体框架中的反应表面通孔，***件设置在反应表面通孔中，并且弹性体框架具有形成在反应表面通孔的两侧的多个框架歧管通孔，反应气体通过多个框架歧管通孔流入或排出。燃料电池的单元电池进一步包括：一对隔板，设置在***件和弹性体框架的一个表面和另一表面上以供应反应气体，并且弹性体框架的一个表面和另一表面中的至少一个表面上在至少一个框架歧管通孔和反应表面通孔之间彼此间隔开地形成反应气体流动的多个流路部。隔板形成有隧道形状的成型部，在成型部与流路部重叠时，反应气体在成型部流动。
形成在弹性体框架的流路部形成有具有与隔板的厚度对应的高度的台阶部，并且隔板的成型部位于流路部中以台阶部为基准高度相对较低的区域中。
形成在隔板上的成型部的表面高度形成为与流路部中以台阶部为基准高度相对较高的区域的高度对应。
弹性体框架具有形成在彼此相邻的流路部之间的突起，并且隔板具有形成在彼此相邻的成型部之间的与突起重叠的安装部。
形成在弹性体框架的突起的宽度形成为小于形成在隔板的安装部的宽度，从而彼此相对的突起的外表面和安装部的内表面以预定的间隔彼此间隔开。
形成在弹性体框架的突起的长度形成为比形成在隔板的成型部的长度更长。
隔板的成型部形成为在隔板的一个表面方向上突出同时弯曲，并且形成流路孔以从成型部的另一表面区域连通到与形成成型部的区域相邻的隔板的一个表面区域，反应气体从成型部的另一表面区域通过流路孔流动到***件。
弹性体框架的两个表面中与弹性体框架面向隔板的表面相对的表面形成有至少一个突起密封件，突起密封件沿着***件的***区域包围***件，并且突起密封件形成在包括与形成隔板的成型部的位置对应的位置的区域中。
根据本公开的实施例，可以在金属材料的隔板形成能够形成反应气体流动的流路的成型部，并且可以在弹性体框架形成隔板的成型部所位于的流路部，从而稳定地确保反应气体流动的流路。
此外，可以在弹性体框架的流路部之间形成突起，可以在隔板的成型部之间形成安装部，此时，可以使突起的宽度形成为小于安装部的宽度，从而当弹性体框架和隔板在层叠时被压缩时，良好地形成表面压力。
因此，可以在防止弹性体框架被压缩为不期望的形状而变形的同时，防止隔板的成型部变形，从而稳定地确保反应气体流动的流路，同时确保弹性体框架和隔板之间的气密性。
此外，形成在弹性体框架上的突起可以形成为比隔板的成型部更长，从而在期望的方向上均匀地引导反应气体。
附图说明
通过结合附图的以下详细描述，将更清楚地理解本公开的上述和其他目的、特征及其他优点，其中：
图1是示出应用一般的弹性体电池框架的燃料电池的单元电池的示图；
图2是示出根据本公开的实施例的燃料电池的单元电池的主要部件的示图；
图3A和图3B是示出根据本公开的实施例的在层叠燃料电池的单元电池之前和之后的示图；以及
图4A至图4C是示出根据本公开的实施例的燃料电池的单元电池的主要部件的截面的示图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图更详细地描述本公开的实施例。然而，本公开不限于下面所公开的实施例，而是将以各种形式来实现，并且实施例仅旨在使本公开的公开完全，提供实施例是为了将本公开的范围充分告知本领域技术人员。在附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
图1是示出应用一般的弹性体电池框架的燃料电池的单元电池的示图，图2是示出根据本公开的实施例的燃料电池的单元电池的主要部件的示图，图3A和图3B是示出根据本公开的实施例的在层叠燃料电池的单元电池之前和之后的示图，图4A至图4C是示出根据本公开的实施例的燃料电池的单元电池的主要部件的截面的示图。
图4A是沿着图2中的线A-A'截取的截面图，图4B是沿着图2中的线B-B'截取的截面图，图4C是沿着图2中的线C-C'截取的截面图。
如图所示，根据本公开的实施例的燃料电池的单元电池包括：***件100，包括膜电极组件110，在膜电极组件110中，聚合物电解质膜的两个表面上形成有一对电极层；弹性体框架200，形成为片状并在***件100的***区域热熔接在***件100的边缘，弹性体框架200具有形成在弹性体框架200中的反应表面通孔201，***件100设置在反应表面通孔201中，并且弹性体框架200具有形成在反应表面通孔201的两侧的多个框架歧管通孔210a和210b，反应气体通过多个框架歧管通孔210a和210b流入或排出；以及一对隔板300a、300b，设置在***件100和弹性体框架200的一个表面和另一表面上以供应反应气体。在本实施例中描述的弹性体电池框架表示***件100和弹性体框架200热熔接。此时，在弹性体电池框架中设置***件100的区域对应于“反应表面”。
***件100是层叠膜电极组件110和一对气体扩散层120a、120b的组件，并且优选地，气体扩散层120a、120b分别设置并层叠在膜电极组件110的一个表面和另一表面上。
膜电极组件110被实现为一般的膜电极组件，包括能够输送氢质子的聚合物电解质膜和在聚合物电解质膜的两个表面涂覆催化剂以使氢和氧产生反应的电极层，即空气极和燃料极。
气体扩散层120a、120b是使通过隔板300a、300b流动的反应气体穿过并扩散到膜电极组件110的装置，并且仅由基板形成或由基板和形成在基板的一个表面上的微孔层(MPL)形成。在特定实施例中，基板和微孔层的材料被实现为应用于一般气体扩散层的材料。
弹性体框架200是一体地形成在***件100的***区域中的装置，用于保持***件100的气密性和层叠工艺中的便利性，并且弹性体框架200由热塑性弹性体(TPE)制成，在没有单独的粘合构件的情况下，通过热熔接而接合，同时保持预定形状。在此，热熔接可以是热压接合、超声接合、高频接合、振动接合、红外接合、辐射热熔接、压延接合和激光接合中的一种。在特定的实施例中，热熔接优选为易于提供热和压力的热压接合。
热塑性弹性体(TPE)可以由树脂基硬质段(Hard-segment)和橡胶基软质段(Soft-segment)制成。因此，树脂基硬质段有助于弹性体框架200的热熔接，橡胶基软质段有助于弹性和保持形状。
因此，可以应用苯乙烯基、烯烃基、氨基甲酸酯基、酰胺基、聚酯基等作为热塑性弹性体(TPE)，并且优选地，可以应用聚烯烃基热塑性弹性体(TPE)。树脂基硬质段可以由诸如PE或PP的聚烯烃树脂制成，橡胶基软质段可以由诸如三元乙丙橡胶(Ethylene PropyleneDiene Monomer Rubber，EPDM)的烯烃基橡胶制成。
弹性体框架200被设置为在***件100的***区域包围***件100的边缘的两个表面中的任何一个表面和侧表面，并且通过在暴露于***件100的边缘的两个表面中的任何一个表面和侧表面的、弹性体框架200与***件100的界面热熔接而一体地形成。在此，***件100的“***区域”表示包括***件100的边缘区域和***件100周围的空间的区域，***件100的“边缘”表示***件100的边缘区域。
例如，如图1所示，弹性体框架200被设置为面向***件100的边缘的一个表面和侧表面，同时包围***件100的***区域。
特别地，弹性体框架200可以延伸与***件100的界面，以用于与***件100的气密粘合。
例如，弹性体框架200形成有反应表面通孔201，***件100设置在反应表面通孔201中，并且反应表面通孔201的内周面形成有包围***件100的一个表面和侧表面的台阶部202。
因此，在***件100和弹性体框架200之间的每个界面形成用于热熔接的热熔接部，从而实现***件100和弹性体框架200之间的牢固接合和一体化。
弹性体框架200形成有用于形成歧管的框架歧管通孔210a、210b，反应气体和冷却剂通过岐管流入由***件100形成的反应表面并且反应气体和冷却剂通过岐管排出。
例如，弹性体框架200的一侧形成有多个流入框架歧管通孔210a，反应气体和冷却剂通过多个流入框架歧管通孔210a流入，并且弹性体框架200的另一侧形成有多个排出框架歧管通孔210b，反应气体和冷却剂通过多个排出框架歧管通孔210b排出。
弹性体框架200中可以形成有用于与隔板的气密的装置。
例如，弹性体框架200的一个表面和另一表面上形成有至少一个突起密封件203，突起密封件203沿着***件100的***区域包围***件100。特别地，突起密封件203优选地形成在包括与稍后将描述的形成在隔板300上的成型部320的位置对应的位置的区域中。例如，突起密封件203优选地形成为在弹性体框架200的两个表面中与弹性体框架200面向隔板300的表面相对的表面，沿着***件100的***区域包围***件100，并且突起密封件203优选地形成在包括与形成隔板300的成型部320的位置对应的位置的区域中。
隔板300(300a、300b)是设置在包括***件100和弹性体框架200的弹性体电池框架的一个表面和另一表面上以供应反应气体的装置，并且由金属材料制成。
与弹性体框架200相同，在隔板300中也形成有用于形成歧管的隔板歧管通孔310a、310b，反应气体和冷却剂通过岐管流入和排出。
例如，隔板300的一侧形成有多个流入隔板歧管通孔310a，以对应于多个流入框架歧管通孔210a，并且隔板300的另一侧形成有多个排出隔板歧管通孔310b，以对应于多个排出框架歧管通孔210b。
因此，在流入隔板歧管通孔310a和排出隔板歧管通孔310b之间，即在形成反应表面的区域中，形成反应气体和冷却剂流动的流路。此时，可以在流入隔板歧管通孔310a和反应表面之间形成扩散部(未示出)，扩散部形成有扩散反应气体的形状的流路。
在上述弹性体框架200和隔板300之间形成反应气体流动的流路。特别地，在歧管和反应表面之间形成反应气体流入的进气口流路和反应气体排出的出气口流路。
本实施例形成一种结构：在隔板形成隧道形状的流路以保持气密性，同时稳定地确保弹性体框架200和隔板300之间形成的进气口流路和出气口流路，并且使得形成在隔板300上的隧道形状的流路稳定地位于弹性体框架200中。
在下文中，如图2所示，将通过采用与进气口流路对应的区域的弹性体框架200和隔板300的结构作为示例来描述本实施例。当然，这些结构也可以应用于与出气口流路对应的区域。
例如，弹性体框架200的一个表面和另一表面中的至少一个表面上在至少一个流入框架歧管通孔210a和反应表面通孔201之间彼此间隔开地形成反应气体流动的多个流路部220。此外，弹性体框架200具有形成在彼此相邻的流路部220之间的突起230。因此，流路部220和突起230沿着弹性体框架200的宽度方向在流入框架歧管通孔210a和反应表面通孔201之间交替形成。流路部220和突起230在从流入框架歧管通孔210a朝向反应表面通孔201的方向上形成。
此外，形成在弹性体框架200的流路部220形成有具有与隔板300的厚度对应的高度的台阶部221。因此，流路部220以台阶部221为基准被划分为高度相对较低的区域和高度相对较高的区域。
隔板300形成有隧道形状的成型部320，在成型部320与形成在弹性体框架200的流路部220重叠时，反应气体在成型部320流动。此外，隔板300具有形成在彼此相邻的成型部320之间的与弹性体框架200的突起230重叠的安装部330。因此，成型部320和安装部330沿着隔板300的宽度方向在流入隔板歧管通孔310a和反应表面区域之间交替形成。
在实施例中，通过冲压成型使隔板300的一些区域在一个表面方向上突出同时弯曲来形成隔板300的成型部320。特别地，在隔板300中，将形成成型部320的区域的端部以预定长度切割以加工成冲压成型之后成型部320的两端彼此连通的隧道形状。因此，形成流路孔321以通过以隧道形状形成的成型部320从成型部320的另一表面区域连通到与形成成型部320的区域相邻的隔板300的一个表面区域。因此，反应气体从成型部320的另一表面区域通过流路孔321流动到反应表面，即***件100。
隔板300的成型部320形成为具有与以形成在弹性体框架200的流路部220中的台阶部221为基准高度相对较低的区域对应的长度。因此，隔板300的成型部320位于弹性体框架200的流路部220中高度相对较低的区域中。如图4B所示，由于形成在弹性体框架200的流路部220的台阶部221以与隔板300的厚度对应的高度形成，因此成型部320的另一表面，即表面的高度保持与流路部220中高度相对较高的区域相同，从而使反应气体平稳地流动。
此外，在本实施例中，突起230的宽度和安装部330的宽度之间具有差异，以防止在层叠弹性体框架200和隔板300时，弹性体框架200的突起230在被隔板300的安装部330压缩时过度变形，从而气密性被解除。
例如，如图4A所示，形成在弹性体框架200的突起230的宽度形成为小于形成在隔板300的安装部330的宽度，从而形成为使得在层叠弹性体框架200和隔板300彼此重叠以层叠的情况下，彼此相对的突起230的外表面和安装部330的内表面以预定的间隔彼此间隔开。因此，如果弹性体框架200和隔板300在层叠时被压缩，即使弹性体框架200的突起230被压缩到一定程度，也可以使突起230在突起230和安装部330之间间隔开的空间内变形，从而防止隔板300的安装部330变形，因此防止与安装部330相邻的成型部320变形，从而稳定地确保反应气体流动的流路不变形。
此外，如图2、图3A和图3B所示，形成在弹性体框架200的突起230的长度可以形成为比形成在隔板300的成型部320的长度更长，从而形成足够长的反应气体流动的流路。因此，可以引导反应气体在期望的方向上均匀地流动。
虽然已经参照附图和上述优选实施例描述了本公开，但是本公开不限于此，而是由权利要求书限定。因此，在不脱离权利要求书的技术思想的情况下，本领域技术人员可以对本公开进行各种改变和修改。

Claims (16)

1.一种燃料电池的单元电池，包括：
***件，包括膜电极组件，所述膜电极组件具有形成在聚合物电解质膜的第一表面上的第一电极层和形成在所述聚合物电解质膜的第二表面上的第二电极层；
弹性体框架，形成为片状并在所述***件的***区域接合在所述***件的边缘，所述弹性体框架具有形成在所述弹性体框架的反应表面通孔，所述***件设置在所述反应表面通孔中，并且所述弹性体框架具有形成在所述反应表面通孔的两侧并与所述反应表面通孔间隔开的多个框架歧管通孔，反应气体通过所述多个框架歧管通孔流入或排出；以及
一对隔板，每个隔板设置在所述***件和所述弹性体框架的相应侧上，并且所述一对隔板供应所述反应气体，
其中所述弹性体框架的至少一个表面上在至少一个框架歧管通孔和所述反应表面通孔之间彼此间隔开地形成所述反应气体流动的多个流路部，并且
所述一对隔板中的至少一个包括隧道形状的成型部，所述隧道形状的成型部与所述多个流路部中的至少一个重叠，所述隧道形状的成型部允许所述反应气体在所述隧道形状的成型部流动。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的单元电池，其中，
形成在所述弹性体框架的所述多个流路部中的每一个形成有具有与所述一对隔板中的至少一个的厚度对应的高度的台阶部，并且
所述一对隔板中的至少一个的成型部位于所述多个流路部中以所述台阶部为基准高度相对较低的区域中。
3.根据权利要求2所述的燃料电池的单元电池，其中，
所述成型部的表面高度对应于所述多个流路部中以所述台阶部为基准高度相对较高的区域的高度。
4.根据权利要求1所述的燃料电池的单元电池，其中，
所述弹性体框架具有形成在所述多个流路部的相邻流路部之间的突起，并且
所述一对隔板中的至少一个具有安装部，所述安装部与所述突起重叠。
5.根据权利要求4所述的燃料电池的单元电池，其中，
所述突起的宽度小于所述安装部的宽度，从而彼此相对的所述突起的外表面和所述安装部的内表面以预定的间隔彼此间隔开。
6.根据权利要求4所述的燃料电池的单元电池，其中，
所述突起的长度比所述一对隔板中的至少一个的成型部的长度更长。
7.根据权利要求1所述的燃料电池的单元电池，其中，
所述一对隔板中的至少一个的成型部形成为在隔板的一个表面方向上突出同时弯曲，并且形成流路孔以从所述成型部的第一表面区域连通到与形成所述成型部的区域相邻的隔板的第二表面区域，所述反应气体从所述成型部的第一表面区域通过所述流路孔流动到所述***件。
8.根据权利要求1所述的燃料电池的单元电池，其中，
所述弹性体框架进一步包括至少一个突起密封件，所述突起密封件沿着所述***件的***区域包围所述***件，并且所述突起密封件形成在与形成所述一对隔板中的至少一个的成型部的位置对应的区域中。
9.一种燃料电池的单元电池，包括：
弹性体框架，所述弹性体框架包括：
反应表面通孔；
多个框架歧管通孔，设置在所述反应表面通孔的两端并与所述反应表面通孔间隔开；以及
多个流路部，在所述弹性体框架的第一表面或第二表面上；
***件，包括膜电极组件，其中所述***件设置在所述反应表面通孔中，并且所述***件的边缘热熔接到所述弹性体框架；以及
一对隔板，包括设置在所述弹性体框架的第一表面上的第一隔板和设置在所述弹性体框架的第二表面上的第二隔板，所述一对隔板中的至少一个包括多个隧道形状的成型部，所述多个隧道形状的成型部与所述多个流路部重叠。
10.根据权利要求9所述的燃料电池的单元电池，其中，
所述膜电极组件包括聚合物电解质膜和一对电极层，所述聚合物电解质膜具有第一主表面和第二主表面，并且所述一对电极层中的第一电极层设置在所述第一主表面上，所述一对电极层中的第二电极层设置在所述第二主表面上。
11.根据权利要求9所述的燃料电池的单元电池，其中，
所述多个流路部中的至少一个形成有具有与所述一对隔板中的至少一个的厚度对应的高度的台阶部，并且
所述多个隧道形状的成型部中的至少一个位于所述多个流路部中的至少一个中以所述台阶部为基准高度相对较低的区域中。
12.根据权利要求11所述的燃料电池的单元电池，其中，
所述多个隧道形状的成型部中的至少一个的表面高度对应于所述多个流路部中的至少一个中以所述台阶部为基准高度相对较高的区域的高度。
13.根据权利要求9所述的燃料电池的单元电池，其中，
所述弹性体框架进一步包括形成在所述多个流路部的相邻流路部之间的突起，并且
所述一对隔板中的至少一个包括安装部，所述安装部与所述突起重叠。
14.根据权利要求13所述的燃料电池的单元电池，其中，
所述突起的宽度小于所述安装部的宽度，从而彼此相对的所述突起的外表面和所述安装部的内表面以预定的间隔彼此间隔开。
15.根据权利要求13所述的燃料电池的单元电池，其中，
所述突起的长度比所述多个隧道形状的成型部中的至少一个的长度更长。
16.根据权利要求9所述的燃料电池的单元电池，其中，
所述弹性体框架进一步包括至少一个突起密封件，所述突起密封件沿着所述***件的***区域包围所述***件，并且所述突起密封件形成在与所述多个隧道形状的成型部中的至少一个的位置对应的区域中。
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