專利名稱：一種電化學(xué)電池的膜電極和電流收集板組件以及電化學(xué)電池模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電化學(xué)電池領(lǐng)域，尤其涉及一種電化學(xué)電池的膜電極和電流 收集板組件以及電化學(xué)電池模塊。
背景技術(shù)：
國(guó)際專利的中國(guó)案99808103.5 ，公開(kāi)了 一種由雙極板和聚合物電解質(zhì)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(guò)在氣室外圍和內(nèi)部氣體導(dǎo)管周圍涂覆粘合珠粒得到氣密組件。根據(jù) 本發(fā)明這些組件可疊置并粘合在一起以形成聚合物電解質(zhì)燃料電池堆。
上述技術(shù)方案，相對(duì)于其之前的技術(shù)，有一定的進(jìn)步。但是由于雙極板 除了起到引出電壓電流的作用以外，還兼起到了構(gòu)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(dǎo)電性，而且具有良好的氣密性。同時(shí)， 其結(jié)構(gòu)還要求有內(nèi)部氣體導(dǎo)管，這也具有一定的復(fù)雜性，并且降低了膜電極 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(shè)置 流場(chǎng)，這就要求雙極板還具有易加工性，進(jìn)一步提高了對(duì)所述雙極板的要求。
中國(guó)專利申請(qǐng)200610029938.1，公開(kāi)了一種嵌入式小型發(fā)電電池的密封 結(jié)構(gòu)。該小型發(fā)電電池包括氫側(cè)端板、二片金屬導(dǎo)電鈦網(wǎng)、二片擴(kuò)散層、質(zhì) 子交換膜電極、氧側(cè)端板、紅、黑插座和四顆不銹鋼螺釘、四個(gè)螺母，所述 的小型發(fā)電電池的端板一塊為凹槽形狀、 一塊為凸臺(tái)形狀，鈦金屬網(wǎng)用導(dǎo)電 插座預(yù)先擰在端板上，該導(dǎo)電插座包括紅、黑兩電源插座，分別設(shè)置在端板 的正反二面。
上述技術(shù)方案，相對(duì)于其之前的技術(shù)，有一定的進(jìn)步。但是其結(jié)構(gòu)及裝 配工藝較為復(fù)雜，制造成本仍然較大。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述背景技術(shù)中中國(guó)案99808103.5中對(duì)雙極板要求較高，膜電 極的有效面積利用率較低的缺點(diǎn)；同時(shí)克服上述背景技術(shù)中中國(guó)申請(qǐng) 200610029938.1中結(jié)構(gòu)及裝配工藝較為復(fù)雜，制造成本仍然較高的缺點(diǎn)，本 發(fā)明提供了 一種電化學(xué)電池的膜電極和電流收集板組件以及電化學(xué)電池模 塊。
本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)解決上述技術(shù)問(wèn)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(cè)氣體擴(kuò)
散層， 一層一側(cè)的多孔的電流收集板，并依次疊合，并且所述的膜有反應(yīng)
區(qū)域和非反應(yīng)區(qū)域，所述的一側(cè)的多孔電流收集板有反應(yīng)區(qū)域，非反應(yīng)區(qū)域 和電引出區(qū)域，所述的至少一層一側(cè)氣體擴(kuò)散層位于所述一側(cè)的多孔電流收 集板及所述膜中間，其面積與所述一側(cè)的多孔電流收集板及所述膜的反應(yīng)區(qū)
域相對(duì)應(yīng)；所述的至少一層一側(cè)氣體擴(kuò)散層的周邊側(cè)面，與所述一側(cè)的多孔 電流收集板及所述膜的非反應(yīng)區(qū)域相對(duì)應(yīng)的空間，被密封材料所填充，固化。
進(jìn)步的方案是還包括至少一層另一側(cè)氣體擴(kuò)散層，其與所述膜的背 向所述一側(cè)氣體擴(kuò)散層的面相貼；還包括一層另一側(cè)多孔的電流收集板，其 與所述另一側(cè)氣體擴(kuò)散層相貼；所述的另一側(cè)多孔的電流收集板有反應(yīng)區(qū) 域，非反應(yīng)區(qū)域和電引出區(qū)域；所述的至少一層另一側(cè)氣體擴(kuò)散層的面積與 所述另一側(cè)多孔電流收集板及所述膜的反應(yīng)區(qū)域相對(duì)應(yīng)。所述的至少一層另 一側(cè)氣體擴(kuò)散層的周邊側(cè)面，與所述另一側(cè)多孔電流收集板及所述膜的非反 應(yīng)區(qū)域相對(duì)應(yīng)的空間，被密封材料所填充，固化。
另一種進(jìn)一步的方案是還包括一層另一側(cè)多孔的電流收集板，其與所 述膜的背向所述一側(cè)氣體擴(kuò)散層的面相貼；所述的另一側(cè)多孔電流收集板和 所述膜的非反應(yīng)區(qū)域的貼合部位被密封材料填充、粘結(jié)、固化。
再一種進(jìn)一步的方案是還包括至少一層另一側(cè)氣體擴(kuò)散層，其與所述膜的背向所述一側(cè)氣體擴(kuò)散層的面相貼；還包括一層另一側(cè)多孔的電流收集 板，其與所述另一側(cè)氣體擴(kuò)散層相貼；所述的至少一層另一側(cè)氣體擴(kuò)散層的 面積等于所述膜的面積。
所述的密封材料固化后的寬度為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(yōu)選硅橡膠。
所述的一層膜可以為質(zhì)子交換膜；所述的一層膜的兩側(cè)，可以至少在所 述的反應(yīng)區(qū)域內(nèi)有催化劑層。
所述的各氣體擴(kuò)散層可以是碳纖維紙，或碳纖維布，或透氣石墨板，或 金屬網(wǎng)，或多孔金屬板中的至少一種的導(dǎo)電透氣材料；所述的各氣體擴(kuò)散層 靠近所述的膜的一側(cè)可以涂有催化劑層。
所述的各個(gè)多孔的電流收集板，在反應(yīng)區(qū)域?yàn)槎嗫淄笟?，在非反?yīng)區(qū)域 為顯著的不透氣；所述的各個(gè)多孔的電流收集板為耐腐蝕，導(dǎo)電的金屬材料。
一種電化學(xué)電池模塊，包括至少一個(gè)電化學(xué)單電池。所述的電化學(xué)單電 池包括一側(cè)帶有氣體流道的端板， 一個(gè)所述的膜電極和電流收集板組件，另 一側(cè)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(yōu)選為可注射成型的塑料材料。
所述的電化學(xué)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(xué)氧氣發(fā)生器。
所述的電化學(xué)電池模塊，還可以包括一印刷電路板PCB;所述PCB與 所述各個(gè)多孔電流收集板的電引出區(qū)域直接焊接。
所述PCB可以包括對(duì)所述電化學(xué)電池進(jìn)行控制的電路，或者發(fā)光元件。
本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于-
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案將導(dǎo)電性、氣密性、易加工性的要 求分配給不同的材料來(lái)承擔(dān)，可用塑料材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高成本碳或金屬材 料，并且簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)與裝配工藝，從而降低了大批量生產(chǎn)的成本；同時(shí)，也提高了膜電極的有效面積利用率；適合用于燃料電池，電解電池，再生式燃 料電池，和電化學(xué)氧氣發(fā)生器的生產(chǎn)。


圖1至圖4為本發(fā)明的組件的第一實(shí)施例的示意圖。
圖5為本發(fā)明的組件的第二實(shí)施例的示意圖。
圖6為本發(fā)明的組件的第三實(shí)施例的示意圖。
圖7為本發(fā)明的組件的第四實(shí)施例的示意圖。
圖8為本發(fā)明的電池模塊的第一實(shí)施例的示意圖。
圖9為本發(fā)明的電池模塊的第二實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式
一、組件實(shí)施例 實(shí)施例1
圖1所示為充當(dāng)一側(cè)多孔電流收集板的金屬板1，其中間區(qū)域布滿微小 的通孔，為反應(yīng)區(qū)域101，其無(wú)孔的外圈為非反應(yīng)區(qū)域102，其右側(cè)的柄狀 伸出為電引出區(qū)域103，電引出區(qū)域的端部為有一通孔，用于電氣連接。
圖2所示為加上了充當(dāng)一側(cè)氣體擴(kuò)散層的碳紙2，充當(dāng)密封材料的膠3 的中間產(chǎn)品；碳紙2的面積與金屬板1的反應(yīng)區(qū)域101基本對(duì)應(yīng)；膠3的位 置與金屬板1的非反應(yīng)區(qū)域102基本對(duì)應(yīng)。
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(yīng)區(qū)域401， 外圈為非反應(yīng)區(qū)域402。
膠3填充圖中所示的空間，固化后產(chǎn)生良好的密封作用；膠3固化后的 寬度為1.5mm，壓合裝配之后，多余的膠3會(huì)向周圍擴(kuò)張，可以將多余部分 切除。膠3是硅橡膠。
膜4為兩側(cè)涂覆了催化劑的質(zhì)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(shí)施例2
圖5是對(duì)例1所示組件的擴(kuò)充。增加了充當(dāng)另一側(cè)氣體擴(kuò)散層的碳紙5， 充當(dāng)另一側(cè)多孔電流收集板的金屬板6，充當(dāng)密封材料的膠7。
碳紙5、金屬板6、膠7的位置關(guān)系，反應(yīng)區(qū)域，非反應(yīng)區(qū)域和電引出 區(qū)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(jīng)足夠 清楚，不再針對(duì)各區(qū)域編號(hào)。
實(shí)施例3
圖6是對(duì)例1所示組件的擴(kuò)充。增加了充當(dāng)另一側(cè)多孔電流收集板的金 屬板6，充當(dāng)密封材料的膠7。由于該組件用于裝配電解電池模塊，電解電 池在運(yùn)行中具有較高的極化過(guò)電壓，為了避免電蝕，沒(méi)有碳紙5，因此膠7 很薄，在圖中幾乎無(wú)法看到。其他位置關(guān)系與例2相似。
實(shí)施例4
圖7是對(duì)例1所示組件的擴(kuò)充。增加了充當(dāng)另一側(cè)氣體擴(kuò)散層的碳紙5， 充當(dāng)另一側(cè)多孔電流收集板的金屬板6。由于碳紙5的面積與膜4相同，所 以沒(méi)有膠7。其他位置關(guān)系與例2相似。
二、模塊實(shí)施例
實(shí)施例1
圖8是一個(gè)燃料電池模塊，由前述實(shí)施例中的組件加上一側(cè)端板8，另 一側(cè)端板9，組成單電池。所述的單電池多個(gè)堆疊。 一側(cè)端板8與另一側(cè)端 板9采用PC材料，即聚碳酸酯。
實(shí)施例2
圖9是一個(gè)包括PCB10的燃料電池模塊，PCB10與各個(gè)單電池的金屬 板的電引出區(qū)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(fā)光二極管12。
權(quán)利要求
1、一種電化學(xué)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(cè)氣體擴(kuò)散層，一層一側(cè)的多孔的電流收集板，并依次疊合，其特征在于所述的膜有反應(yīng)區(qū)域和非反應(yīng)區(qū)域，所述的一側(cè)的多孔電流收集板有反應(yīng)區(qū)域，非反應(yīng)區(qū)域和電引出區(qū)域，所述的至少一層一側(cè)氣體擴(kuò)散層位于所述一側(cè)的多孔電流收集板及所述膜中間，其面積與所述一側(cè)的多孔電流收集板及所述膜的反應(yīng)區(qū)域相對(duì)應(yīng)；所述的至少一層一側(cè)氣體擴(kuò)散層的周邊側(cè)面，與所述一側(cè)的多孔電流收集板及所述膜的非反應(yīng)區(qū)域相對(duì)應(yīng)的空間，被密封材料所填充，固化。
2、 如權(quán)利要求1所述的電化學(xué)電池的膜電極和電流收集板組件，其特 征在于還包括至少一層另一側(cè)氣體擴(kuò)散層，其與所述膜的背向所述一側(cè)氣 體擴(kuò)散層的面相貼；還包括一層另一側(cè)多孔的電流收集板，其與所述另一側(cè) 氣體擴(kuò)散層相貼；所述的另一側(cè)多孔的電流收集板有反應(yīng)區(qū)域，非反應(yīng)區(qū)域 和電引出區(qū)域；所述的至少一層另一側(cè)氣體擴(kuò)散層的面積與所述另一側(cè)多孔 電流收集板及所述膜的反應(yīng)區(qū)域相對(duì)應(yīng)。所述的至少一層另一側(cè)氣體擴(kuò)散層 的周邊側(cè)面，與所述另一側(cè)多孔電流收集板及所述膜的非反應(yīng)區(qū)域相對(duì)應(yīng)的 空間，被密封材料所填充，固化。
3、 如權(quán)利要求1所述的電化學(xué)龜池的膜電極和電流收集板組件，其特 征在于還包括一層另一側(cè)多孔的電流收集板，其與所述膜的背向所述一側(cè) 氣體擴(kuò)散層的面相貼；所述的另一側(cè)多孔電流收集板和所述膜的非反應(yīng)區(qū)域 的貼合部位被密封材料填充、粘結(jié)。
4、 如權(quán)利要求1所述的電化學(xué)電池的膜電極和電流收集板組件，其特 征在于還包括至少一層另一側(cè)氣體擴(kuò)散層，其與所述膜的背向所述一側(cè)氣 體擴(kuò)散層的面相貼；還包括一層另一側(cè)多孔的電流收集板，其與所述另一側(cè) 氣體擴(kuò)散層相貼；所述的至少一層另一側(cè)氣體擴(kuò)散層的面積等于所述膜的面積。
5、 如權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的電化學(xué)電池的膜電極和電流收集板組件，其特征在于所述的密封材料固化后的寬度為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(quán)利要求5所述的電化學(xué)電池的膜電極和電流收集板組件，其特征在于所述的密封材料為彈性聚合物中的硅橡膠。
7、 如權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的電化學(xué)電池的膜電極和電流收 集板組件，其特征在于，具有下述兩項(xiàng)特征中的至少一項(xiàng)所述的一層膜為 質(zhì)子交換膜；所述的一層膜的兩側(cè)，至少在所述的反應(yīng)區(qū)域內(nèi)有催化劑層。
8、 如權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的電化學(xué)電池的膜電極和電流收集板組件，其特征在于，具有下述兩項(xiàng)特征中的至少一項(xiàng)所述的各氣體擴(kuò)散層是碳纖維紙，或碳纖維布，或透氣石墨板，或金屬網(wǎng)，或多孔金屬板中的至少一種的導(dǎo)電透氣材料；所述的各氣體擴(kuò)散層靠近所述的膜的一側(cè)涂有催化劑層。
9、 如權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的電化學(xué)電池的膜電極和電流收集板組件，其特征在于所述的各個(gè)多孔的電流收集板，在反應(yīng)區(qū)域?yàn)槎嗫?透氣，在非反應(yīng)區(qū)域?yàn)轱@著的不透氣；所述的各個(gè)多孔的電流收集板為耐腐蝕，導(dǎo)電的金屬材料。
10、 一種電化學(xué)電池模塊，包括至少一個(gè)電化學(xué)單電池，其特征在于 所述的電化學(xué)單電池包括一側(cè)帶有氣體流道的端板， 一個(gè)如權(quán)利要求1至4 中任意一項(xiàng)所述的膜電極和電流收集板組件，另一側(cè)帶有氣體流道的端板； 所述三者依次疊合。
11、 如權(quán)利要求10所述的電化學(xué)電池模塊，其特征在于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(quán)利要求11所述的電化學(xué)電池模塊，其特征在于所述的聚合物材料為可注射成型的塑料材料。
13、 如權(quán)利要求10所述的電化學(xué)電池模塊，其特征在于所述的電化 學(xué)電池為燃料電池，或電解電池，或再生式燃料電池，或電化學(xué)氧氣發(fā)生器。
14、 如權(quán)利要求10所述的電化學(xué)電池模塊，其特征在于還包括一印 刷電路板；所述印刷電路板與所述各個(gè)多孔電流收集板的電引出區(qū)域直接焊接。
15、 如權(quán)利要求14所述的電化學(xué)電池模塊，其特征在于所述印刷電路板包括對(duì)所述電化學(xué)電池進(jìn)行控制的電路，或者發(fā)光元件。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種電化學(xué)電池的膜電極和電流收集板組件，包括一層膜，一側(cè)氣體擴(kuò)散層，一側(cè)的多孔的電流收集板，并依次疊合；一側(cè)氣體擴(kuò)散層位于一側(cè)的多孔電流收集板及膜中間；一側(cè)氣體擴(kuò)散層的周邊側(cè)面，被密封材料所填充，固化。本發(fā)明還公開(kāi)了一種電化學(xué)電池模塊，包括至少一個(gè)電化學(xué)單電池；電化學(xué)單電池包括一側(cè)帶有氣體流道的端板，一個(gè)所述的組件，另一側(cè)帶有氣體流道的端板；依次疊合。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)與裝配工藝，從而降低了大批量生產(chǎn)的成本；同時(shí)，也提高了膜電極的有效面積利用率；適合用于燃料電池，電解電池，再生式燃料電池，和電化學(xué)氧氣發(fā)生器的生產(chǎn)。
文檔編號(hào)H01M4/86GK101533915SQ200810034448
公開(kāi)日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2008年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月11日
發(fā)明者顧志軍 申請(qǐng)人:上海清能燃料電池技術(shù)有限公司