CN104733740B

CN104733740B - 燃料电池

Info

Publication number: CN104733740B
Application number: CN201410281274.2A
Authority: CN
Inventors: 白硕玟; 阵相文; 金京民
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2014-06-20
Publication date: 2018-12-11
Anticipated expiration: 2034-06-20
Also published as: DE102014210509B4; CN104733740A; KR101491377B1; US20150180054A1; DE102014210509A1; US9401516B2

Abstract

本发明公开了燃料电池。该燃料电池包括：具有电解质、阳极催化剂、和阴极催化剂的膜电极组件；以及多个框架垫片。各个多个框架垫片可被布置于阳极侧隔板与膜电极组件之间或者阴极侧隔板与膜电极组件之间。此外，膜电极组件设置有被用于将膜电极组件与框架垫片组件组合的孔。

Description

燃料电池

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，并且更具体地，涉及一种集成燃料电池内部的组合的垫片框架、隔板、以及膜电池组件的技术。

背景技术

燃料电池堆通常包括阳极、阴极、以及布置于阳极与阴极之间的固态聚合物电解质膜。燃料电池将通过供应至阴极的氧化剂(例如，空气中的氧气)与供应至阳极的燃料(例如，氢气)之间的化学反应产生的电力供给负载。

燃料电池的单元电池通常具有这样一种结构，其中，供应有氧化气体的阴极侧隔板、供应有还原气体的阳极侧隔板、聚合物电解质膜、以及气体扩散层堆叠到一起形成燃料电池堆。单元电池常常在垂直方向堆叠并固定到一起以形成这种燃料电池堆。

具体地，为了有效地操作燃料电池堆，隔板被设置于燃料电池堆的各个单元之间。这些隔板执行多个功能。例如，在燃料电池堆中，隔板用作燃料-氧化剂供应通道以将氧化剂(通常是空气)供应至阴极并将燃料(通常是氢气)供应至阳极。隔板中还设置有冷却燃料电池堆的冷却剂供应通道以及通过其中来传输电流的电流通道。

给定隔板的多面性，要求其中具有围绕每个通道的气密密封和液密密封以使得燃料、氧化剂、和冷却剂不被混合。为了确保隔板的各部分之间的液密密封和气密密封，由橡胶制成的垫片设置在隔板的表面上。该垫片用来维持表面压力并密封每个通道。

图1和图2示出了包括隔板520、膜电极组件(MEA)510以及布置于隔板520与MEA510之间的垫片530的常规单元电池500。为了制造该结构，在隔板520上涂布粘合剂并且接着通过注塑模制制造基于氟的垫片530。

隔板520的制造方法包括：(a)提供材料，(b)成型(冲压)流体通道，(c)执行表面处理以形成导电表面，以及(d)执行注塑成型以制造集成垫片。依次执行这些步骤中的每个。隔板的集成垫片530以这样一种方式制造，即，注塑垫片铸型以预定压力保持隔板520的边缘部分并且在隔板520的表面上使用垫片材料执行加压注塑成型处理。

当在注塑成型期间垫片的材料通过隔板520与垫片的铸型之间的间隙渗漏时，渗漏的材料在孔/通道中形成毛刺。在这种情况下，执行去毛刺处理以去除毛刺。然而，在去毛刺处理期间，隔板520的表面也易受到物理损坏，从而增加了隔板的缺陷率。

此外，当多个单元电池500被堆叠以形成燃料电池堆时，需要用于堆叠的参考点。基于参考点确定隔板520之间的对准程度以及隔板520与MEA510之间的对准程度。当隔板520与MEA510之间存在未对准时，邻近MEA510的气体扩散层(GDL)相对于隔板520也未对准。在这种情况下，布置于隔板520上的GDL层未被对准并且GDL层阻挡反应气体的通道，从而降低反应气体的分布。这导致单元电池500的性能降低。

上述内容仅旨在帮助对本发明的背景技术进行理解，而并非旨在表示本发明落入已为本领域中技术人员所知的现有技术的范围内。

发明内容

因此，本发明已注意到现有技术中出现的上述问题，并且本发明旨在提出以下一种燃料电池，通过使用其中隔板、垫片、以及膜电极组件被集成到单个主体的组件改进部件的对准，从而避免在必须将三个组件粘附到一起期间未对准。

根据一个方面，提供一种燃料电池，包括：膜电池组件，包括电解质、阳极催化剂、以及阴极催化剂；以及多个框架垫片，每个框架垫片被布置于阳极侧隔板与膜电极组件之间或者阴极侧隔板与膜电极组件之间。具体地，膜电极组件设置有支持膜电极组件与框架垫片组件集成(作为单个连续体)的孔。

因而，框架垫片可包括：由阳极侧框架和阳极侧垫片制成的第一框架垫片，以及由阴极侧框架和阴极侧垫片制成的第二框架垫片。框架垫片之一可具有凹部，并且框架垫片的凹部的位置可对应于膜电极组件的孔的位置。此外，除设置有凹部的框架垫片以外的任一个框架垫片可具有与凹部啮合(engage，卡合)的凸部。

因而，在本发明的一些示例性实施方式中，凸部的横截面可以是多边形形状，并且在本发明的一些示例性实施方式中，将要与凹部啮合的凸部的一部分可具有突出部(bluging portion)。

可替代地，在本发明的示例性实施方式中的这些框架垫片的各个可具有多个凹部以及对应多个凹部的多个凸部，并且各对凹部和凸部的外径和内径可从对到对变化。

此外，根据本发明示例性实施方式的燃料电池具有以下优点。首先，单独制造注塑成型框架垫片与膜电极组件并且接着在不使用粘合剂的情况下集成为单个连续片(piece)。因此，其制造方法简单并且防止了在堆叠单元电池时膜电极组件之间位置未对准导致的误差/缺陷率。

第二，可以显著促进非刚体的膜电极组件的处理。

第三，因为提高了膜电极组件与气体扩散层之间的位置对准程度，可精确地并准确地将气体扩散层定位于燃料电池的单元电池中的隔板的流体通道上，从而提高反应气体的分布。

最后，因为固定了膜电极组件的位置，不会受堆叠参考工具的干扰。因此，提高了处理效率并降低了缺陷率。

附图说明

结合附图，通过下面的详细描述，将更为清晰地理解本发明的上述以及其他目标、特性和其他优点，其中：

图1是示出根据现有技术的燃料电池的单元电池的示图；

图2是沿线II-II截取的横截面图；

图3是示出了根据本发明的一个示例性实施方式的燃料电池的内部结构的示图；

图4是示出了根据本发明的一个示例性实施方式的堆叠有燃料电池的单元电池的燃料电池堆的示图；以及

图5是示出根据本发明另一示例性实施方式的燃料电池堆的框图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细地描述本发明的优选实施方式。

本文所公开的本发明的示例性实施方式的特定结构和功能的说明仅用于本发明实施方式的说明性目的。在不脱离本发明的精神和显著特征的情况下，本发明可以以很多不同的形式来实施。因此，所公开的本发明的实施方式仅用于说明性目的，并不应被解释为对本发明的限制。

由于本发明的示例性实施方式可以以多种不同的形式进行各种修改，所以以下将详细地作出本发明的各种示例性实施方式的参考，其各种实施方式的实例在附图中示出并在下面进行描述。尽管将结合其示例性实施方式描述本发明，但将理解，本说明书不旨在将本发明限定于那些示例性实施方式。相反，本发明旨在不仅覆盖示例性实施方式，而且覆盖可包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的各种替代、变形、等价物以及其他实施方式。

应当理解，尽管本文中可以使用术语“第一”、“第二”等来于描述各种元件，但是这些元件并不受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个相区分。例如，在不偏离本发明的教导的情况下，以下讨论的第一元件可以被称为第二元件。类似地，第二元件也可被称为第一元件。

应当理解，当元件被称为被“耦接”或“连接”至另一个元件时，其可以直接耦接或连接至另一个元件或者其间可以存在中间元件。相反，应理解，当元件被称为被“直接耦接”或“直接连接”至另一元件时，则不存在中间元件。解释元件之间的关系的其他表述，诸如“在…之间”、“直接在…之间”、“相邻”或“直接相邻”应当以相同的方式解释。

本文所用的措辞仅是为了描述特定实施方式的目的，而不旨在限制。除非上下文另有明确说明，否则如本文所用的单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该”旨在也包括复数形式。应进一步理解，当在本说明书中使用的术语“包括”和/或“包含”、“具有”等指定所述特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在时，并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或附加。

除非另外有定义，包括技术术语和科学术语等本文使用的所有术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。应当进一步理解，诸如通常使用词典中所定义的那些术语应当解释为具有与它们在现有技术和本发明的上下文中的含义一致的含义，并且除非本文中明确进行如此限定，否则不应解释为理想的或过于正式的意义。

在下文中，将参照附图详细地描述本发明的示例性实施方式。贯穿附图，相同的参考标号指代相同或者相似的部件。

图3是示出了根据本发明的一个示例性实施方式的燃料电池的内部结构的示图。图4是示出了根据一个示例性实施方式的其中燃料电池的单元电池被堆叠的燃料电池堆的示图。

参考图3和图4，根据本发明一个示例性实施方式的燃料电池300包括：MEA310、阳极侧隔板320、阴极侧隔板325、阳极侧垫片330、阴极侧垫片335、阳极侧框架340、阴极侧框架350、凸部350、以及凹部360。

例如，本发明示例性实施方式中的MEA310可包括：电解质、阳极、以及阴极并且具有支持MEA310与框架垫片330-340和335-345组合的孔310a。示出框架340和345与垫片330和335被集成为单个连续单元以形成框架垫片330-340和335-345。多个框架垫片330-340和335-345分别与阳极侧隔板320和阴极侧隔板325集成。即，阳极侧框架340和阳极侧垫片330被集成以形成单个组件，并且该组件可布置于MEA310与阳极侧隔板320之间。阴极侧框架345和阴极侧垫片335集成以形成单个组件，并且该组件可布置于MEA310与阴极侧隔板325之间。

多个框架垫片的任何一个框架垫片可具有凹部360。凹部360的位置对应于MEA310的孔310a的位置。在这样的实施方式中，除了具有凹部360的框架垫片以外的任何其他框架垫片可具有插入于孔310a的凸部350。

凸部350的横截面具有：作为一般凹-凸形状的矩形形状、支持易于成型(molding，模制)的梯形形状、支持堆叠时易于对准的圆锥形状、以及容易与凹形形状啮合的凸形形状。当要与凹部360啮合的凸部350的部分的横截面是凸曲线时，凹部360的啮合部分的横截面可具有相应的凹曲线。

MEA310的孔310a以及耦接凸部350和凹部360的耦接结构存在至少一对(即，两个对应部分)并被设置在框架垫片与MEA310之间。当凸部350和凹部360被压配(press-fitted)时，制造期间应该不存在干扰。

框架340和345可由容易成型(molded)的具有较佳流动性的塑料材料制成，诸如，液晶聚合物(LCP)。多个框架垫片具有多个凹部360和对应多个凹部360的多个凸部350。凹部360和凸部350的对的外径和内径可根据凹部360和凸部350的对变化。因此，可以防止凸部350和凹部360之间的不正常啮合。图4示出了图3所示的燃料电池300被堆叠并彼此组合的燃料电池堆400。

图5是示出根据本发明另一示例性实施方式的燃料电池堆的示图。在图5的中心，示出单元电池300。在单元电池300的上方和下方示出其他单元电池的MEA310。图5的单元电池300与图3和图4的单元电池300不同在于阳极侧框架340设置有额外凹部并且阴极侧框架345设置有额外凸部，这样使得它们在通过堆叠单元电池300形成燃料电池500时能够更好精确地被组合和对准。

尽管本发明所述的优选实施方式仅用于示例性说明的目的，但本领域中的技术人员应当理解，在不偏离如所附权利要求所公开的本发明的范围和精神的情况下，可进行各种修改、附加和替代。

Claims

1.一种燃料电池，包括：

膜电极组件，包括：电解质、阳极催化剂、以及阴极催化剂；

以及

多个框架垫片，所述多个框架垫片的每个框架垫片被布置在阳极侧隔板与所述膜电极组件之间或者被布置在阴极侧隔板与所述膜电极组件之间，

其中，所述膜电极组件设置有允许所述膜电极组件与所述框架垫片的组件集成的孔，

其中，任何一个所述框架垫片具有凹部，并且所述框架垫片的所述凹部的位置对应于所述膜电极组件的所述孔的位置，

其中，除了具有所述凹部的所述框架垫片以外的任何一个所述框架垫片具有与所述凹部啮合的凸部。

2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述框架垫片包括：由阳极侧框架和阳极侧垫片制成的第一框架垫片、以及由阴极侧框架和阴极侧垫片制成的第二框架垫片。

3.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述凸部的横截面是多边形形状，并且待要与所述凹部啮合的所述凸部的部分具有突出部。

4.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，各个所述框架垫片具有多个凹部以及对应于所述多个凹部的多个凸部，并且一对所述凹部和所述凸部的外径和内径分别与另一对所述凹部和所述凸部的外径和内径不同。

5.一种燃料电池，包括：

膜电极组件(MEA)，包括：电解质、阳极催化剂、阴极催化剂以及至少一个孔；以及

其中，各个所述框架垫片包括被集成为单个连续单元的至少两个框架和至少两个垫片，以形成具有被插入所述膜电极组件的至少一个孔的部分的各个框架垫片，

其中，任何一个所述框架垫片具有凹部，并且所述框架垫片的所述凹部的位置对应于所述膜电极组件的所述至少一个孔的位置，

6.根据权利要求5所述的燃料电池，其中，所述框架垫片包括：由阳极侧框架和阳极侧垫片制成的第一框架垫片、以及由阴极侧框架和阴极侧垫片制成的第二框架垫片。

7.根据权利要求5所述的燃料电池，其中，所述凸部的横截面是多边形形状，并且待要与所述凹部啮合的所述凸部的部分具有突出部。

8.根据权利要求5所述的燃料电池，其中，各个所述框架垫片具有多个凹部以及对应于所述多个凹部的多个凸部，并且一对所述凹部和所述凸部的外径和内径分别与另一对所述凹部和所述凸部的外径和内径不同。