[發明專利]一種氫燃料電池及其制備方法、用于制備其的夾具及使用方法

有效

• 申請號: 202010989271.X
• 申請日: 2020-09-18
• 公開（公告）號: CN112151828B
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發明（設計）人: 崔新然;張克金;米新艷;李軍澤;于力娜;楊帥
• 申請（專利權）人: 一汽解放汽車有限公司
• 主分類號: H01M8/0273
• 分類號: H01M8/0273;H01M8/04291;H01M8/22;H01M8/1004
• 代理公司: 北京遠智匯知識產權代理有限公司 11659
• 代理人: 王巖

本發明提供了一種氫燃料電池及其制備方法、用于制備其的夾具及使用方法，所述氫燃料電池包括依次層疊布置的陽極板、五層膜電極組件和陰極板；五層膜電極組件包括五層膜電極以及沿其外緣設置的密封結構，密封結構包括層疊布置的上外層邊框、上內層邊框、下內層邊框和下外層邊框。所述夾具包括具有凸起結構和階梯型斜面的夾具上板以及與其嵌合的夾具下板。本發明通過內層邊框厚度不同，并將較厚的內層邊框置于陰極側，增強陰極排水能力，可有效減少水淹；利用所述夾具進行雙層邊框密封以及一體式封裝，成型工藝簡單，并且整體抗變形能力強，能夠有效減少成型過程中過壓、錯位等問題對膜電極材料和結構造成損傷。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，尤其涉及一種氫燃料電池及其制備方法、用于制備其的夾具及使用方法。

背景技術

氫燃料電池是一種將化學能轉換為電能的能量轉換裝置，通常由若干個單電池串聯組裝而成，其中每個單電池均由位于中間的膜電極和膜電極兩側的陰、陽極板組成。

在氫燃料電池電堆中，膜電極需要與鄰近的極板進行密封組合，以確保陰極的空氣和陽極的氫氣不會混合、泄露。由于質子交換膜很薄、很軟，極易受環境溫濕度變化而產生褶皺，催化層和氣體擴散層又均為多孔結構，出于成本、生產、運輸、裝配等問題考慮，膜電極與極板的密封結構需要借助于合理的密封邊框設計。目前，較常見的密封結構有兩種，一種是將三層膜電極的外邊緣，夾在兩張一面帶膠的塑料邊框中進行熱壓，另一種是將三層膜電極的外邊緣，粘接在一張經過點膠處理的塑料邊框上，兩者均可以獲得理想的密封邊框，然后將氣體擴散層通過熱壓或粘接的方式固定于三層膜電極上，以塑料邊框作為密封接觸面，與極板通過密封膠條形成密封組合。

CN111129539A公開了一種燃料電池膜電極密封裝置及制備方法，該燃料電池膜電極密封裝置包括燃料電池膜電極及其周圍的密封邊框，通過膠粘劑層形成密封結構，所述燃料電池膜電極包括質子交換膜、第一催化層、第二催化層、第一擴散層和第二擴散層，所述膠粘劑實現了擴散層、三層膜電極和密封邊框的一次性粘接，并對擴散層邊緣和密封邊框內緣進行全包圍密封，有效隔絕了外界溫度和濕度對膜電極本體的影響。通過密封邊框和五層膜電極在注膠的夾具中一次熱壓得到，步驟簡單，降低了資源和時間成本。但其未考慮在密封邊框加工時產生受熱變形對膜電極帶來的影響，會導致陰極側流動空間較小，存在水淹的問題，并且邊框整體抗變形能力較差，成型過程中存在膜電極損壞的問題。

CN106602107A公開了一種主動排水式燃料電池，包括依次層疊設置的陽極結構、質子交換膜、陰極結構和排水裝置；其中陰極流場板采用多孔碳芯層和石墨基底層，將燃料電池內反應產生液態水主動引出，可有效防止水淹。但是其通過增加設置排水裝置解決水淹問題，增加了生產成本和操作難度，并且依然存在膜電極結構變形導致損壞的問題。

CN1111276713A公開了一種燃料電池膜電極的一體化邊緣密封結構，該密封結構包括兩層密封材料層，分次由液體密封材料涂覆于膜電極邊緣的質子交換膜上固化后形成，與質子交換膜粘合形成一體化結構，密封材料層與膜電極周邊的氣體擴散層之間留有縫隙。密封材料選用硅橡膠，密封層具有彈性，可避免塑料邊框密封帶來的應力集中，且密封材料與質子交換膜結合牢固，可長期有效密封；密封材料與氣體擴散層之間的縫隙可以減少膜應力變化帶來的損傷。但其在成型過程中會發生錯位對膜電極結構造成損害，依然存在水淹和抗形變能力的問題。

以上氫燃料電池都無法有效的解決抗變形能力、水淹問題和膜電極損傷問題。因此，如何在保證氫燃料電池良好密封性的情況下，同時還能保證抗變形、工藝簡單、防止水淹和減少膜電極損傷的膜電極結構，成為了目前迫切需要解決的問題。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明的目的在于提供一種氫燃料電池及其制備方法，以及用于制備其的夾具及使用方法，本發明通過設置不同厚度的邊框，利用具有凸起結構和階梯型斜面的夾具進行壓制成型，能夠使得氫燃料電池制備工藝簡單、具有抗變形能力，并且能夠防止水淹以及減少膜電極損傷。

為達此目的，本發明采用以下技術方案：