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CN111276714A - 燃料电池组件及其装配方法 - Google Patents

燃料电池组件及其装配方法 Download PDF

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董文超
钱聪
袁蕴超
祝传贺
王海峰
王利生
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Fengyuan Xinchuang Technology Beijing Co ltd
Zhejiang Fengyuan Hydrogen Energy Technology Co ltd
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Fengyuan Xinchuang Technology Beijing Co ltd
Zhejiang Fengyuan Hydrogen Energy Technology Co ltd
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Abstract

本申请提供一种燃料电池组件及其装配方法。该燃料电池组件包括多个叠置的燃料电池单体(1)，燃料电池单体(1)包括第一双极板(2)、第二双极板(3)和膜电极(4)，膜电极(4)设置在第一双极板(2)和第二双极板(3)之间，燃料电池单体(1)之间和/或同一燃料电池单体(1)的膜电极(4)周侧的第一双极板(2)和第二双极板(3)之间通过密封垫热压密封粘接。根据本申请的燃料电池组件，能够降低电堆组装难度，提高电堆组装效率，提高密封效果。

Description

燃料电池组件及其装配方法
技术领域
本申请涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池组件及其装配方法。
背景技术
燃料电池电堆是将燃料通过电化学反应直接生成电能的装置，是由一片一片燃料电池单电池堆叠而成。燃料电池的单电池主要包括阳极双极板、阴极双极板、膜电极以及密封件组成。由于燃料电池对于密封性有比较高的需求，在实际组装过程中，成品率比较低，一般的产品寿命较短，耐温性、抗震性比较差等缺点。其关键性的影响因素是组成的零部件过多，相互之间的错位、形变都会导致结构损坏或者气体液体泄露。
技术在不断发展成熟，产品向更加集成化方向发展。目前已经有一些燃料电池产品开始使用单元的集成化技术，将阳极双极板、阴极双极板、膜电极、密封垫集成到一起，做成一个牢固的整体。根据各自的产品技术方向以及设计不同，集成的形式也不一样。目前大多数产品是将阳极双极板和阴极双极板粘接或者焊接在一起，或者将密封垫与双极板或者膜电极粘接在一起的形式。当前工艺在组装电堆的过程中，使用点胶或者注塑集成密封垫的工艺形式，生产设备成本较高，对生产环境要求高，生产速度比较慢，次品率也比较高。
发明内容
因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种燃料电池组件及其装配方法，能够降低电堆组装难度，提高电堆组装效率，提高密封效果。
为了解决上述问题，本申请提供一种燃料电池组件，包括多个叠置的燃料电池单体，燃料电池单体包括第一双极板、第二双极板和膜电极，膜电极设置在第一双极板和第二双极板之间，燃料电池单体之间和/或同一燃料电池单体的膜电极周侧的第一双极板和第二双极板之间通过密封垫热压密封粘接。
优选地，膜电极包括质子交换膜、第一扩散层和第二扩散层，第一扩散层和第二扩散层位于质子交换膜的两侧，第一扩散层的面积与质子交换膜的面积相等，第二扩散层的面积小于质子交换膜的面积。
优选地，密封垫采用自粘方式粘接或采用涂热硫化粘接剂粘接。
优选地，密封垫包括冷却腔密封垫和一体化密封垫，冷却腔密封垫设置在相邻的燃料电池单体之间，一体化密封垫设置在第一双极板和第二双极板之间。
根据本申请的另一方面，提供了一种上述的燃料电池组件的装配方法，包括：
在燃料电池单体之间和/或在同一燃料电池单体的膜电极周侧的第一双极板和第二双极板之间设置密封垫；
将预设数量的燃料电池单体进行热压密封。
优选地，在燃料电池单体之间和/或在同一燃料电池单体的膜电极周侧的第一双极板和第二双极板之间设置密封垫的步骤包括：
在热压定位模具中依次叠放第一双极板、预成型的一体化密封垫、膜电极、第二双极板、预成型的冷却腔密封垫、第一双极板、预成型的一体化密封垫…，依次类推，叠置预设数量的燃料电池单体。
优选地，预成型的一体化密封垫的成型方法包括：
使用压延机将混炼橡胶压至H1厚度的橡胶板；
使用刀模和模切机将橡胶板切成预设W1宽度的橡胶条；
将切割好的橡胶条填入一体化预成型垫模具；
将填好胶的模具在T1温度下热压t1时间，取出预成型的一体化密封垫。
优选地，预成型的冷却腔密封垫的成型方法包括：
使用压延机将混炼橡胶压至H2厚度的橡胶板；
使用刀模和模切机将橡胶板切成预设W2宽度的橡胶条；
将切割好的橡胶条填入冷却腔预成型垫模具；
将填好胶的模具在T2温度下热压t2时间，取出预成型的冷却腔密封垫。
优选地，将预设数量的燃料电池单体进行热压密封的步骤包括：
将燃料电池组件整体在T3温度下热压t3时间，压力为P。
优选地，T3为120℃～150℃，t3为5min，P为3kgf/cm2。
本申请提供的燃料电池组件，包括多个叠置的燃料电池单体，燃料电池单体包括第一双极板、第二双极板和膜电极，膜电极设置在第一双极板和第二双极板之间，燃料电池单体之间和/或同一燃料电池单体的膜电极周侧的第一双极板和第二双极板之间通过密封垫热压密封粘接。燃料电池单体和/或同一燃料电池单体的膜电极周侧的第一双极板和第二双极板之间通过密封垫热压密封粘接，能够在进行热压密封的过程中，利用密封垫的内部流动性能，填补空隙，密封效果好，粘接且粘接密封的结构与压缩密封的结构更加牢固，能够降低电堆组装难度，提高电堆组装效率，提高密封效果，降低组装成本。
附图说明
图1为本申请实施例的燃料电池组件的结构示意图；
图2为本申请实施例的燃料电池组件热压前的结构示意图；
图3为本申请实施例的膜电极的结构示意图；
图4为本申请实施例的燃料电池组件的冷却腔密封垫的结构示意图。
附图标记表示为：
1、燃料电池单体；2、第一双极板；3、第二双极板；4、膜电极；5、质子交换膜；6、第一扩散层；7、第二扩散层；8、冷却腔密封垫；9、一体化密封垫。
具体实施方式
结合参见图1至图4所示，根据本申请的实施例，燃料电池组件包括多个叠置的燃料电池单体1，燃料电池单体1包括第一双极板2、第二双极板3和膜电极4，膜电极4设置在第一双极板2和第二双极板3之间，燃料电池单体1之间和/或同一燃料电池单体1的膜电极4周侧的第一双极板2和第二双极板3之间通过密封垫热压密封粘接。
燃料电池单体和/或同一燃料电池单体的膜电极周侧的第一双极板2和第二双极板3之间通过密封垫热压密封粘接，能够在进行热压密封的过程中，利用密封垫的内部流动性能，填补空隙，密封效果好，粘接且粘接密封的结构与压缩密封的结构更加牢固，能够降低电堆组装难度，提高电堆组装效率，提高密封效果，降低组装成本。
由于本申请中的燃料电磁单体1的各个部件之间的密封以及相邻燃料电池单体1之间的密封是通过对密封垫热压使得密封垫融化形成熔融态，形成一定的流动效应，利用密封垫的流动效应来填补各个空隙，因此能够充分利用密封垫的流动性来保证良好的密封效果，而这种密封过程整体需要热压机进行热压即可实现，因此无需专用设备，比如点胶机、注塑机等，实施成本较低，而且更加易于实现，有效降低了燃料电池整堆安装的难度，提高了安装的安全性和可靠性，且利用密封垫的流动性能实现粘接，能够进一步提高部件之间的粘接强度。
膜电极4包括质子交换膜5、第一扩散层6和第二扩散层7，第一扩散层6和第二扩散层7位于质子交换膜5的两侧，第一扩散层6的面积与质子交换膜5的面积相等，第二扩散层7的面积小于质子交换膜5的面积。
该种膜电极4的结构，能够使得密封垫在填充过程中，进入到第二扩散层7所在侧的密封垫量大于进入到第一扩散层6所在侧的密封垫量，使得两个扩散层形成不同的密封垫结构，既能够从膜电极4的周侧实现第一双极板2、第二双极板3和膜电极4的一体化密封结构，又能够使得密封垫从膜电极4的第二扩散层7所在侧与膜电极之间形成更大面积的接触，从而在第二扩散层7所在侧实现质子交换膜5与密封垫的粘接密封。
密封垫采用自粘方式粘接或采用涂热硫化粘接剂粘接。
密封垫包括冷却腔密封垫8和一体化密封垫9，冷却腔密封垫8设置在相邻的燃料电池单体1之间，一体化密封垫9设置在第一双极板2和第二双极板3之间。
根据本申请的实施例，一种上述的燃料电池组件的装配方法包括：在燃料电池单体1之间和/或在同一燃料电池单体1的膜电极4周侧的第一双极板2和第二双极板3之间设置密封垫；将燃料电池组件整体进行热压密封。
在本申请中，通过在燃料电池单体1的各个部件之间以及相邻燃料电池单体1之间利用密封垫热压密封，可以利用密封垫自身熔融之后的胶粘性能使得各个部件之间形成胶粘密封，或者是在密封垫表面涂硫化粘接剂的方式实现粘接硫化，有效保证了粘接密封效果。
在本申请中，当燃料电池单体1之间和在同一燃料电池单体1的膜电极4周侧的第一双极板2和第二双极板3之间均通过密封垫热压密封时，能够使得多个电池单体之间一起粘接硫化，且电池自身的也能够同时实现粘接硫化，因此不仅能够提高安全性能，便于后期更换维修，而且能够有效提高生产效率，产品一致性好，密封效果更佳。
在燃料电池单体1之间和/或在同一燃料电池单体1的膜电极4周侧的第一双极板2和第二双极板3之间设置密封垫的步骤包括：在热压定位模具中依次叠放第一双极板2、预成型的一体化密封垫9、膜电极4、第二双极板3、预成型的冷却腔密封垫8、第一双极板2、预成型的一体化密封垫9…，依次类推，叠置预设数量的燃料电池单体1。每次热压的燃料电池单体1的数量为2～5个。
预成型的一体化密封垫9的成型方法包括：使用压延机将混炼橡胶压至H1厚度的橡胶板；使用刀模和模切机将橡胶板切成预设W1宽度的橡胶条；将切割好的橡胶条填入一体化预成型垫模具；将填好胶的模具在T1温度下热压t1时间，取出预成型的一体化密封垫9。其中的H1例如为1.6mm，W1例如为5mm，T1例如为50℃～100℃，t1例如为1～5min。
预成型的冷却腔密封垫8的成型方法包括：使用压延机将混炼橡胶压至H2厚度的橡胶板；使用刀模和模切机将橡胶板切成预设W2宽度的橡胶条；将切割好的橡胶条填入冷却腔预成型垫模具；将填好胶的模具在T2温度下热压t2时间，取出预成型的冷却腔密封垫8。其中的H2例如为0.5mm，W2例如为5mm，T2例如为50℃～100℃，t2例如为1～5min。
将预设数量的燃料电池单体1的步骤包括：将燃料电池组件整体在T3温度下热压t3时间，压力为P。
T3为150℃，t3为5min，P为3kgf/cm2。
在将预设数量的燃料电池单体1通过上述方式热压成型为一体之后，再制作冷却腔密封垫8，将预设数量的燃料电池单体1所形成的短电池组装成整堆电池，并用工装夹具紧固。
其中在将预设数量的燃料电池单体1热压成型为一体过程中使用的冷却腔密封垫8与热压成型为一体之后的多个短电池组装过程中使用的冷却腔密封垫8结构一样，不同之处在于，在预设数量的燃料电池单体1热压成型为一体过程中预成型的冷却腔密封垫8是没有硫化的预成型橡胶，作用是把几个单电池粘结在一起，需要和单电池一起硫化粘接，并起到密封作用。在将几个短电池组装在一起过程中采用的冷却腔密封垫8是硫化完成的密封垫，是单独使用的，可以是硅胶或者橡胶，作用是将多个短电池组装在一起时的密封。
上述的混炼胶例如为橡胶，如丁基橡胶，乙丙橡胶，氟橡胶等。
上述的双极板例如为金属板、石墨板或复合板。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池组件，其特征在于，包括多个叠置的燃料电池单体(1)，所述燃料电池单体(1)包括第一双极板(2)、第二双极板(3)和膜电极(4)，所述膜电极(4)设置在所述第一双极板(2)和所述第二双极板(3)之间，所述燃料电池单体(1)之间和/或同一燃料电池单体(1)的膜电极(4)周侧的所述第一双极板(2)和所述第二双极板(3)之间通过密封垫热压密封粘接。
2.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，所述膜电极(4)包括质子交换膜(5)、第一扩散层(6)和第二扩散层(7)，所述第一扩散层(6)和所述第二扩散层(7)位于所述质子交换膜(5)的两侧，所述第一扩散层(6)的面积与所述质子交换膜(5)的面积相等，所述第二扩散层(7)的面积小于所述质子交换膜(5)的面积。
3.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，所述密封垫采用自粘方式粘接或采用涂热硫化粘接剂粘接。
4.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，所述密封垫包括冷却腔密封垫(8)和一体化密封垫(9)，所述冷却腔密封垫(8)设置在相邻的所述燃料电池单体(1)之间，所述一体化密封垫(9)设置在所述第一双极板(2)和所述第二双极板(3)之间。
5.一种如权利要求1至4中任一项所述的燃料电池组件的装配方法，其特征在于，包括：
在燃料电池单体(1)之间和/或在同一燃料电池单体(1)的膜电极(4)周侧的所述第一双极板(2)和所述第二双极板(3)之间设置密封垫；
将预设数量的燃料电池单体(1)进行热压密封。
6.根据权利要求5所述的燃料电池组件的装配方法，其特征在于，在燃料电池单体(1)之间和/或在同一燃料电池单体(1)的膜电极(4)周侧的所述第一双极板(2)和所述第二双极板(3)之间设置密封垫的步骤包括：
在热压定位模具中依次叠放第一双极板(2)、预成型的一体化密封垫(9)、膜电极(4)、第二双极板(3)、预成型的冷却腔密封垫(8)、第一双极板(2)、预成型的一体化密封垫(9)…，依次类推，叠置预设数量的燃料电池单体(1)。
7.根据权利要求6所述的燃料电池组件的装配方法，其特征在于，预成型的一体化密封垫(9)的成型方法包括：
使用压延机将混炼橡胶压至H1厚度的橡胶板；
使用刀模和模切机将橡胶板切成预设W1宽度的橡胶条；
将切割好的橡胶条填入一体化预成型垫模具；
将填好胶的模具在T1温度下热压t1时间，取出预成型的一体化密封垫(9)。
8.根据权利要求6所述的燃料电池组件的装配方法，其特征在于，预成型的冷却腔密封垫(8)的成型方法包括：
使用压延机将混炼橡胶压至H2厚度的橡胶板；
使用刀模和模切机将橡胶板切成预设W2宽度的橡胶条；
将切割好的橡胶条填入冷却腔预成型垫模具；
将填好胶的模具在T2温度下热压t2时间，取出预成型的冷却腔密封垫(8)。
9.根据权利要求5所述的燃料电池组件的装配方法，其特征在于，将预设数量的燃料电池单体(1)进行热压密封的步骤包括：
将燃料电池组件整体在T3温度下热压t3时间，压力为P。
10.根据权利要求9所述的燃料电池组件的装配方法，其特征在于，T3为120℃～150℃，t3为5min，P为3kgf/cm2。
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