一種電化學電池的膜電極和電流收集板組件以及電化學電池模塊的製作方法

2023-08-22 10:04:36

專利名稱：一種電化學電池的膜電極和電流收集板組件以及電化學電池模塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及電化學電池領域，尤其涉及一種電化學電池的膜電極和電流 收集板組件以及電化學電池模塊。
背景技術：
國際專利的中國案99808103.5 ，公開了 一種由雙極板和聚合物電解質膜 燃料的膜電極單元組成的氣密組件。雙極板和膜電極單元用可固化聚合物粘 合。通過在氣室外圍和內部氣體導管周圍塗覆粘合珠粒得到氣密組件。根據 本發明這些組件可疊置並粘合在一起以形成聚合物電解質燃料電池堆。
上述技術方案，相對於其之前的技術，有一定的進步。但是由於雙極板 除了起到引出電壓電流的作用以外，還兼起到了構造密封氣室的作用。因此 要求雙極板的材料不僅具有良好的導電性，而且具有良好的氣密性。同時， 其結構還要求有內部氣體導管，這也具有一定的複雜性，並且降低了膜電極 的有效面積利用率。另外，為了提高電池性能，往往有必要在雙極板上設置 流場，這就要求雙極板還具有易加工性，進一步提高了對所述雙極板的要求。
中國專利申請200610029938.1，公開了一種嵌入式小型發電電池的密封 結構。該小型發電電池包括氫側端板、二片金屬導電鈦網、二片擴散層、質 子交換膜電極、氧側端板、紅、黑插座和四顆不鏽鋼螺釘、四個螺母，所述 的小型發電電池的端板一塊為凹槽形狀、 一塊為凸臺形狀，鈦金屬網用導電 插座預先擰在端板上，該導電插座包括紅、黑兩電源插座，分別設置在端板 的正反二面。
上述技術方案，相對於其之前的技術，有一定的進步。但是其結構及裝 配工藝較為複雜，製造成本仍然較大。

發明內容
為了克服上述背景技術中中國案99808103.5中對雙極板要求較高，膜電 極的有效面積利用率較低的缺點；同時克服上述背景技術中中國申請 200610029938.1中結構及裝配工藝較為複雜，製造成本仍然較高的缺點，本 發明提供了 一種電化學電池的膜電極和電流收集板組件以及電化學電池模 塊。
本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的 一種膜電極和電流收集板的組件，包括 一層膜，至少一層一側氣體擴
散層， 一層一側的多孔的電流收集板，並依次疊合，並且所述的膜有反應
區域和非反應區域，所述的一側的多孔電流收集板有反應區域，非反應區域 和電引出區域，所述的至少一層一側氣體擴散層位於所述一側的多孔電流收 集板及所述膜中間，其面積與所述一側的多孔電流收集板及所述膜的反應區
域相對應；所述的至少一層一側氣體擴散層的周邊側面，與所述一側的多孔 電流收集板及所述膜的非反應區域相對應的空間，被密封材料所填充，固化。
進步的方案是還包括至少一層另一側氣體擴散層，其與所述膜的背 向所述一側氣體擴散層的面相貼；還包括一層另一側多孔的電流收集板，其 與所述另一側氣體擴散層相貼；所述的另一側多孔的電流收集板有反應區 域，非反應區域和電引出區域；所述的至少一層另一側氣體擴散層的面積與 所述另一側多孔電流收集板及所述膜的反應區域相對應。所述的至少一層另 一側氣體擴散層的周邊側面，與所述另一側多孔電流收集板及所述膜的非反 應區域相對應的空間，被密封材料所填充，固化。
另一種進一步的方案是還包括一層另一側多孔的電流收集板，其與所 述膜的背向所述一側氣體擴散層的面相貼；所述的另一側多孔電流收集板和 所述膜的非反應區域的貼合部位被密封材料填充、粘結、固化。
再一種進一步的方案是還包括至少一層另一側氣體擴散層，其與所述膜的背向所述一側氣體擴散層的面相貼；還包括一層另一側多孔的電流收集 板，其與所述另一側氣體擴散層相貼；所述的至少一層另一側氣體擴散層的 面積等於所述膜的面積。
所述的密封材料固化後的寬度為0.05-2毫米；所述的密封材料為熱塑型 塑料，或熱固型塑料，或彈性聚合物，優選矽橡膠。
所述的一層膜可以為質子交換膜；所述的一層膜的兩側，可以至少在所 述的反應區域內有催化劑層。
所述的各氣體擴散層可以是碳纖維紙，或碳纖維布，或透氣石墨板，或 金屬網，或多孔金屬板中的至少一種的導電透氣材料；所述的各氣體擴散層 靠近所述的膜的一側可以塗有催化劑層。
所述的各個多孔的電流收集板，在反應區域為多孔透氣，在非反應區域 為顯著的不透氣；所述的各個多孔的電流收集板為耐腐蝕，導電的金屬材料。
一種電化學電池模塊，包括至少一個電化學單電池。所述的電化學單電 池包括一側帶有氣體流道的端板， 一個所述的膜電極和電流收集板組件，另 一側帶有氣體流道的端板；所述三者依次疊合。
所述帶有氣體流道的端板可以為熱塑型聚合物，熱固型聚合物，彈性聚 合物中的至少一種材料。所述的聚合物材料優選為可注射成型的塑料材料。
所述的電化學電池可以為燃料電池，或電解電池，或再生式燃料電池， 或電化學氧氣發生器。
所述的電化學電池模塊，還可以包括一印刷電路板PCB;所述PCB與 所述各個多孔電流收集板的電引出區域直接焊接。
所述PCB可以包括對所述電化學電池進行控制的電路，或者發光元件。
本發明的積極進步效果在於-
與現有技術相比，本發明的技術方案將導電性、氣密性、易加工性的要 求分配給不同的材料來承擔，可用塑料材料代替傳統的高成本碳或金屬材 料，並且簡化了結構與裝配工藝，從而降低了大批量生產的成本；同時，也提高了膜電極的有效面積利用率；適合用於燃料電池，電解電池，再生式燃 料電池，和電化學氧氣發生器的生產。


圖1至圖4為本發明的組件的第一實施例的示意圖。
圖5為本發明的組件的第二實施例的示意圖。
圖6為本發明的組件的第三實施例的示意圖。
圖7為本發明的組件的第四實施例的示意圖。
圖8為本發明的電池模塊的第一實施例的示意圖。
圖9為本發明的電池模塊的第二實施例的示意圖。
具體實施例方式
一、組件實施例 實施例1
圖1所示為充當一側多孔電流收集板的金屬板1，其中間區域布滿微小 的通孔，為反應區域101，其無孔的外圈為非反應區域102，其右側的柄狀 伸出為電引出區域103，電引出區域的端部為有一通孔，用於電氣連接。
圖2所示為加上了充當一側氣體擴散層的碳紙2，充當密封材料的膠3 的中間產品；碳紙2的面積與金屬板1的反應區域101基本對應；膠3的位 置與金屬板1的非反應區域102基本對應。
圖3所示為加上了膜4的所述組件，膜4的中間部分為反應區域401， 外圈為非反應區域402。
膠3填充圖中所示的空間，固化後產生良好的密封作用；膠3固化後的 寬度為1.5mm，壓合裝配之後，多餘的膠3會向周圍擴張，可以將多餘部分 切除。膠3是矽橡膠。
膜4為兩側塗覆了催化劑的質子交換膜。碳紙2的全稱為碳纖維紙。金屬板1的表面鍍金，具有良好的耐腐蝕性。
實施例2
圖5是對例1所示組件的擴充。增加了充當另一側氣體擴散層的碳紙5， 充當另一側多孔電流收集板的金屬板6，充當密封材料的膠7。
碳紙5、金屬板6、膠7的位置關係，反應區域，非反應區域和電引出 區域的分布，與例l中金屬板l，膜4與碳紙2的情況相似，附圖已經足夠 清楚，不再針對各區域編號。
實施例3
圖6是對例1所示組件的擴充。增加了充當另一側多孔電流收集板的金 屬板6，充當密封材料的膠7。由於該組件用於裝配電解電池模塊，電解電 池在運行中具有較高的極化過電壓，為了避免電蝕，沒有碳紙5，因此膠7 很薄，在圖中幾乎無法看到。其他位置關係與例2相似。
實施例4
圖7是對例1所示組件的擴充。增加了充當另一側氣體擴散層的碳紙5， 充當另一側多孔電流收集板的金屬板6。由於碳紙5的面積與膜4相同，所 以沒有膠7。其他位置關係與例2相似。
二、模塊實施例
實施例1
圖8是一個燃料電池模塊，由前述實施例中的組件加上一側端板8，另 一側端板9，組成單電池。所述的單電池多個堆疊。 一側端板8與另一側端 板9採用PC材料，即聚碳酸酯。
實施例2
圖9是一個包括PCB10的燃料電池模塊，PCB10與各個單電池的金屬 板的電引出區域103等直接焊接。PCB10上安裝有燃料電池控制電路的元件 11，發光二極體12。
權利要求
1、一種電化學電池的膜電極和電流收集板組件，包括一層膜，至少一層一側氣體擴散層，一層一側的多孔的電流收集板，並依次疊合，其特徵在於所述的膜有反應區域和非反應區域，所述的一側的多孔電流收集板有反應區域，非反應區域和電引出區域，所述的至少一層一側氣體擴散層位於所述一側的多孔電流收集板及所述膜中間，其面積與所述一側的多孔電流收集板及所述膜的反應區域相對應；所述的至少一層一側氣體擴散層的周邊側面，與所述一側的多孔電流收集板及所述膜的非反應區域相對應的空間，被密封材料所填充，固化。
2、 如權利要求1所述的電化學電池的膜電極和電流收集板組件，其特 徵在於還包括至少一層另一側氣體擴散層，其與所述膜的背向所述一側氣 體擴散層的面相貼；還包括一層另一側多孔的電流收集板，其與所述另一側 氣體擴散層相貼；所述的另一側多孔的電流收集板有反應區域，非反應區域 和電引出區域；所述的至少一層另一側氣體擴散層的面積與所述另一側多孔 電流收集板及所述膜的反應區域相對應。所述的至少一層另一側氣體擴散層 的周邊側面，與所述另一側多孔電流收集板及所述膜的非反應區域相對應的 空間，被密封材料所填充，固化。
3、 如權利要求1所述的電化學龜池的膜電極和電流收集板組件，其特 徵在於還包括一層另一側多孔的電流收集板，其與所述膜的背向所述一側 氣體擴散層的面相貼；所述的另一側多孔電流收集板和所述膜的非反應區域 的貼合部位被密封材料填充、粘結。
4、 如權利要求1所述的電化學電池的膜電極和電流收集板組件，其特 徵在於還包括至少一層另一側氣體擴散層，其與所述膜的背向所述一側氣 體擴散層的面相貼；還包括一層另一側多孔的電流收集板，其與所述另一側 氣體擴散層相貼；所述的至少一層另一側氣體擴散層的面積等於所述膜的面積。
5、 如權利要求1至4中任意一項所述的電化學電池的膜電極和電流收集板組件，其特徵在於所述的密封材料固化後的寬度為0.05-2毫米；所述的密封材料為熱塑型塑料，或熱固型塑料，或彈性聚合物。
6、 如權利要求5所述的電化學電池的膜電極和電流收集板組件，其特徵在於所述的密封材料為彈性聚合物中的矽橡膠。
7、 如權利要求1至4中任意一項所述的電化學電池的膜電極和電流收 集板組件，其特徵在於，具有下述兩項特徵中的至少一項所述的一層膜為 質子交換膜；所述的一層膜的兩側，至少在所述的反應區域內有催化劑層。
8、 如權利要求1至4中任意一項所述的電化學電池的膜電極和電流收集板組件，其特徵在於，具有下述兩項特徵中的至少一項所述的各氣體擴散層是碳纖維紙，或碳纖維布，或透氣石墨板，或金屬網，或多孔金屬板中的至少一種的導電透氣材料；所述的各氣體擴散層靠近所述的膜的一側塗有催化劑層。
9、 如權利要求1至4中任意一項所述的電化學電池的膜電極和電流收集板組件，其特徵在於所述的各個多孔的電流收集板，在反應區域為多孔 透氣，在非反應區域為顯著的不透氣；所述的各個多孔的電流收集板為耐腐蝕，導電的金屬材料。
10、 一種電化學電池模塊，包括至少一個電化學單電池，其特徵在於 所述的電化學單電池包括一側帶有氣體流道的端板， 一個如權利要求1至4 中任意一項所述的膜電極和電流收集板組件，另一側帶有氣體流道的端板； 所述三者依次疊合。
11、 如權利要求10所述的電化學電池模塊，其特徵在於所述帶有氣體流道的端板為熱塑型聚合物，熱固型聚合物，彈性聚合物中的至少一種材 料。
12、 如權利要求11所述的電化學電池模塊，其特徵在於所述的聚合物材料為可注射成型的塑料材料。
13、 如權利要求10所述的電化學電池模塊，其特徵在於所述的電化 學電池為燃料電池，或電解電池，或再生式燃料電池，或電化學氧氣發生器。
14、 如權利要求10所述的電化學電池模塊，其特徵在於還包括一印 刷電路板；所述印刷電路板與所述各個多孔電流收集板的電引出區域直接焊接。
15、 如權利要求14所述的電化學電池模塊，其特徵在於所述印刷電路板包括對所述電化學電池進行控制的電路，或者發光元件。
全文摘要
本發明公開了一種電化學電池的膜電極和電流收集板組件，包括一層膜，一側氣體擴散層，一側的多孔的電流收集板，並依次疊合；一側氣體擴散層位於一側的多孔電流收集板及膜中間；一側氣體擴散層的周邊側面，被密封材料所填充，固化。本發明還公開了一種電化學電池模塊，包括至少一個電化學單電池；電化學單電池包括一側帶有氣體流道的端板，一個所述的組件，另一側帶有氣體流道的端板；依次疊合。與現有技術相比，本發明的技術方案簡化了結構與裝配工藝，從而降低了大批量生產的成本；同時，也提高了膜電極的有效面積利用率；適合用於燃料電池，電解電池，再生式燃料電池，和電化學氧氣發生器的生產。
文檔編號H01M4/86GK101533915SQ200810034448
公開日2009年9月16日 申請日期2008年3月11日 優先權日2008年3月11日
發明者顧志軍 申請人:上海清能燃料電池技術有限公司