电池单元及具有其的电堆的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种电池单元及具有其的电堆。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,pemfc)是一种以氢气和空气或氢气和氧气为燃料来进行发电的燃料电池，它不需要经过氢氧的燃烧反应，而是以质子交换膜为电解质，直接将氢氧的化学能转化为电能，无需将气体压缩或升温。燃料电池主要有端板、集流板、膜电极、双极板等零部件组成，其中膜电极和双极板构成了燃料电池发电的基本单元-单电池；金属双极板是由两张经过精密冲压的阴极板和阳极板，以激光焊接的方式组合在一起/石墨双极板是由两张经过雕刻或模压的石墨板粘接而成，起到分隔反应气体并通过流场将反应气体均匀导入膜电极、收集并传导电流和支撑膜电极(mea)的作用，同时还承担电池系统的排水和散热功能。膜电极(mea)可以催化双极板导入的氢气和空气，发生电化学反应，产生电流，并向外释放水和热。
3.单片膜电极的电压很低，要达到实现燃料电池应用的功能，需要将多片膜电极与双极板串联起来形成电堆，以便向各单电池(一片膜电极 一片双极板)均匀分配燃料和氧化剂。因此膜电极与双极板间的匹配尤为重要，在进行膜电极和双极板匹配时，膜电极搭接区域(膜电极气体扩散层与密封边框重叠区域)结构和尺寸与反应区不同，匹配不合格时，会影响膜电极反应区气体扩散层(gdl)与双极板反应区的接触电阻和堵塞双极板分配区流道，影响双极板的气体分配，导致单电池性能降低，以及膜电极反应区匹配到没有双极板流道区域时，流道区的中部容易发生欠气问题，影响燃料电池寿命。


技术实现要素：

4.本实用新型的主要目的在于提供一种电池单元及具有其的电堆，以解决现有技术中的电池单元的双极板上的流道容易发生欠气的问题。
5.为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种电池单元，包括相互贴合的极板和膜电极，电池单元还包括：流道区，设置在极板上；第一连接部，设置在极板上，第一连接部设置在流道区的侧方；第二连接部，设置在膜电极上，第二连接部与第一连接部相互嵌合；过渡部，设置在极板上，过渡部位于第一连接部与流道区之间，过渡部与第一连接部之间具有第一台阶结构。
6.进一步地，膜电极包括与过渡部贴合的搭接区和与流道区贴合的反应区；搭接区的厚度小于反应区的厚度；和/或，流道区的两侧分别设置有第一连接部。
7.进一步地，第一连接部为配合凹槽，配合凹槽相对于极板的板面凹陷；第二连接部为配合凸起，配合凸起的至少部分嵌合至配合凹槽内。
8.进一步地，配合凹槽的槽壁面相对于配合凹槽的槽底面倾斜设置。
9.进一步地，过渡部包括过渡端面，过渡端面与配合凹槽的槽底面之间具有第一台
阶结构。
10.进一步地，膜电极包括：依次连接的连接区、搭接区和反应区，第二连接部设置在连接区内，搭接区的至少部分与过渡部贴合，反应区与流道区贴合；催化剂层，设置在反应区内。
11.进一步地，搭接区具有与过渡部搭接的搭接端面，反应区具有与流道区贴合的反应端面；搭接端面和反应端面位于同一平面上，搭接端面与第二连接部之间具有与第一台阶结构相嵌合的第二台阶结构。
12.进一步地，膜电极还包括：质子交换膜，质子交换膜的两侧分别设置有阳极气体扩散层和阴极气体扩散层，第二连接部设置在阳极气体扩散层和/或阴极气体扩散层上；质子交换膜与阴极气体扩散层和阳极气体扩散层之间分别设置有催化剂层，催化剂层与流道区相对。
13.进一步地，过渡部位于流道区的第一侧，过渡部沿极板的长度方向延伸，电池单元还包括：分配区，设置在极板上并位于流道区的第二侧，分配区与流道区连通，分配区沿极板的宽度方向延伸。
14.根据本实用新型的另一方面，提供了一种电堆，包括多个电池单元，多个电池单元串联，电池单元为上述的电池单元。
15.应用本实用新型的技术方案，电池单元包括相互贴合的极板和膜电极，其中，极板上设置有流道区、第一连接部和过渡部，第一连接部设置在流道区的侧方，过渡部位于第一连接部与流道区之间，过渡部与第一连接部之间具有第一台阶结构；膜电极上设置有第二连接部，第二连接部与第一连接部相互嵌合。这样设置能够利用第一连接部与第二连接部之间的相互嵌合以及过渡部与第一连接部之间的第一台阶结构，来阻挡流道区内与膜电极反应的气体流入到极板的四周，从而避免了流道区的中部发生欠气的问题，提高了电池单元的使用性能以及电堆的使用寿命。
附图说明
16.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
17.图1示出了根据本实用新型的电池单元的实施例的结构剖视图；
18.图2示出了根据本实用新型的电池单元的极板的俯视图；
19.图3示出了根据图2的电池单元的c-c面截面图；
20.图4示出了根据本实用新型的膜电极的结构剖视图。
21.其中，上述附图包括以下附图标记：
22.100、极板；200、膜电极；10、流道区；11、第一连接部；110、配合凹槽；12、过渡部；120、过渡端面；13、分配区；20、第二连接部；201、配合凸起；21、连接区；22、搭接区；23、反应区；24、催化剂层；220、搭接端面；230、反应端面；25、质子交换膜；26、阳极气体扩散层；27、阴极气体扩散层；28、粘胶层。
具体实施方式
23.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
24.请参考图1至图4，本实用新型提供了一种电池单元，包括相互贴合的极板100和膜电极200，电池单元还包括：流道区10，设置在极板100上；第一连接部11，设置在极板100上，第一连接部11设置在流道区10的侧方；第二连接部20，设置在膜电极200上，第二连接部20与第一连接部11相互嵌合；过渡部12，设置在极板100上，过渡部12位于第一连接部11与流道区10之间，过渡部12与第一连接部11之间具有第一台阶结构。
25.根据本实用新型提供的电池单元，包括相互贴合的极板100和膜电极200，其中，极板100上设置有流道区10、第一连接部11和过渡部12，第一连接部11设置在流道区10的侧方，过渡部12位于第一连接部11与流道区10之间，过渡部12与第一连接部11之间具有第一台阶结构；膜电极200上设置有第二连接部20，第二连接部20与第一连接部11相互嵌合。这样设置能够利用第一连接部11与第二连接部20之间的相互嵌合以及过渡部12与第一连接部11之间的第一台阶结构，来阻挡流道区10内与膜电极200反应的气体流入到极板100的四周，从而避免了流道区10的中部发生欠气的问题，提高了电池单元的使用性能以及电堆的使用寿命。
26.具体地，膜电极200包括与过渡部12贴合的搭接区22和与流道区10贴合的反应区23；搭接区22的厚度小于反应区23的厚度。这样设置能够减小膜电极200与极板100连接区域的厚度，避免了压装时膜电极200或极板100受力不均导致的流道区10与反应区23接触力的问题。
27.在实际使用过程中，流道区10的两侧分别设置有第一连接部11，第一连接部11沿极板100的长度方向延伸，膜电极200上对应设置有两个第二连接部20，以保证膜电极200与极板100连接稳定。
28.在具体实施时，第一连接部11为配合凹槽110，配合凹槽110相对于极板100的板面凹陷；第二连接部20为配合凸起201，配合凸起201的至少部分嵌合至配合凹槽内。这样设置的结构简单且便于实施，通过配合凸起201与配合凹槽110相嵌合的方式，使电池单元的整体结构更加紧凑。
29.优选地，配合凹槽110的槽壁面相对于配合凹槽110的槽底面倾斜设置。这样设置能够在压装过程中，保证配合凸起201与配合凹槽110之间受力均匀，避免了膜电极200在配合凹槽110内发生弯曲褶皱。
30.其中，过渡部12包括过渡端面120，过渡端面120与配合凹槽110的槽底面之间具有第一台阶结构。这样设置利用过渡端面120阻挡流道区10与反应区23之间产生的气体溢流至配合凹槽110内，避免了位于膜电极200的中部的催化剂欠气的问题。
31.在具体实施的过程中，膜电极200包括：依次连接的连接区21、搭接区22和反应区23，第二连接部20设置在连接区21内，搭接区22的至少部分与过渡部12贴合，反应区23与流道区10贴合；催化剂层24，设置在反应区23内。通过只在反应区23内设置催化剂层24，减小了过渡部12所对应的膜电极200的厚度，同时避免了在膜电极200的搭接区22产生气体，解决了搭接区域过压影响气体分配的问题。
32.具体地，搭接区22具有与过渡部12搭接的搭接端面220，反应区23具有与流道区10
贴合的反应端面230；搭接端面220和反应端面230位于同一平面上，搭接端面220与第二连接部20之间具有与第一台阶结构相嵌合的第二台阶结构。通过第一台阶结构与第二台阶结构之间相互嵌合，即使配合凸起201嵌设到配合凹槽110内，使膜电极200与极板100之间配合紧密。
33.在本实用新型提供的实施例中，膜电极200还包括：质子交换膜25，质子交换膜25上具有依次连接的搭接区22和反应区23，搭接区22的至少部分与过渡部12贴合，反应区23与流道区10贴合；质子交换膜25的两侧端面上分别设置有催化剂层24，催化剂层24位于反应区23内。通过只在质子交换膜25的反应区23设置催化剂层24，使催化剂层24只存在于匹配反应区23对应的流道区10内，提高了气体分配的均匀性。
34.进一步地，质子交换膜25的两侧分别设置有阳极气体扩散层26和阴极气体扩散层27，第二连接部20设置在阳极气体扩散层26和/或阴极气体扩散层27上；质子交换膜25与阴极气体扩散层27和阳极气体扩散层26之间分别设置有催化剂层24，催化剂层24与流道区10相对。其中，质子交换膜25上对应连接区21的区域还设置有粘胶层28。
35.在具体实施时，过渡部12位于流道区10的第一侧，过渡部12沿极板100的长度方向延伸，电池单元还包括：分配区13，设置在极板100上并位于流道区10的第二侧，分配区13与流道区10连通，分配区13沿极板100的宽度方向延伸。通过分配区13向流道区10内分配气体。
36.在使用过程中，膜电极200的两侧分别设置有极板100，膜电极200分别与两个极板100压装。
37.本实用新型还提供了一种电堆，包括多个电池单元，多个电池单元串联，电池单元为上述的电池单元。
38.从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述的实施例实现了如下技术效果：
39.根据本实用新型提供的电池单元，包括相互贴合的极板100和膜电极200，其中，极板100上设置有流道区10、第一连接部11和过渡部12，第一连接部11设置在流道区10的侧方，过渡部12位于第一连接部11与流道区10之间，过渡部12与第一连接部11之间具有第一台阶结构；膜电极200上设置有第二连接部20，第二连接部20与第一连接部11相互嵌合。这样设置能够利用第一连接部11与第二连接部20之间的相互嵌合以及过渡部12与第一连接部11之间的第一台阶结构，来阻挡流道区10内与膜电极200反应的气体流入到极板100的四周，从而避免了流道区10的中部发生欠气的问题，提高了电池单元的使用性能以及电堆的使用寿命。
40.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。