CN1527425A - 一种适合批量生产与装配的燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适合批量生产与装配的燃料电池堆，包括导流板、多孔性扩散层材料、膜电极、前端板、后端板，所述的导流板的导流槽一侧覆盖有一层多孔性扩散层材料，所述的膜电极由质子交换膜以及该质子交换膜二侧涂覆催化剂层组成，将两块相对的导流板中间压合一块膜电极进行叠合，并在两端设置前端板、后端板，即构成本发明燃料电池堆。与现有技术相比，本发明燃料电池堆可以拆成独立的三种部件，分别是导流板，多孔性扩散层材料以及膜电极，而这三种部件可以大量独立加工，从而可实现燃料电池堆的大规模工业化生产。

Description

一种适合批量生产与装配的燃料电池堆
技术领域
本发明涉及燃料电池堆，尤其涉及一种适合批量生产与装配的燃料电池堆。
背景技术
电化学燃料电池是一种能够将氢燃料及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学反应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。
在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。
在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。
在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：
阳极反应：
阴极反应：
在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导流电极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导流电极板可以是金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流电极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流极板与阴极氧化剂的导流极板。这些导流极板既作为电流集流母板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流极板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。
为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过上端板、下端板及拉杆紧固在一起成为一体。
一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或由甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组后进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。
质子交换膜燃料电池可用作一切车、船等运载工具的动力***，又可作手提式、移动式、固定式的发电装置。质子交换膜燃料电池发电***必须包括燃料电池堆、燃料氢气供应、空气供应、冷却散热、自动控制及电能输出等各个部分。
质子交换膜燃料电池发电***大规模产业化应用的关键是实现质子交换膜燃料电池堆的大规模生产与装配，而其他燃料电池堆的辅助运行各个部分的大规模产业化与装配是容易实现的。
目前质子交换膜燃料电池堆是由多块导流极板及多片“三合一”电极叠合组成燃料电池堆，再由母板、前端板、后端板及紧固件装配成一个完整的燃料电池堆。
如U.S.Patent 5,863,673中所指的典型的燃料电池单电池结构，如图1所示，燃料电池堆就是由多个这种单电池叠合在一起组成的，如图2所示。
燃料电池堆中的导流板与电流母板，前、后端及紧固件等都可以拆装的，但其中最关键的零部件“三合一”电极是一整体，该部件一般由质子交换膜及二张内层表面带有催化剂的多孔性扩散层材料通过热压工艺压制成功的。在大规模的燃料电池堆产业化生产时，必须实现“三合一”电极的大规模流水线生产。目前，这种由质子交换膜及二张内层表面带有催化剂的多孔性扩散层材料通过热压的生产工艺给“三合一”电极大规模流水线生产造成巨大的困难与不方便：
(1)流水线生产需要有卷材型的多孔性扩散层材料，而且内层表面必须已经涂有催化剂。但多孔性扩散层材料往往是较脆的碳纸材料，形成卷材型时会折断，特别是涂上催化剂后形成卷材时，催化剂易掉落。
(2)流水线生产“三合一”电极，必须有精确控制温度、压力的热压滚筒，以保证每一片“三合一”电极的性能一致性，而实施这么高精度要求的温度、压力控制的热压滚筒是非常困难的。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构合理、加工方便的适合批量生产与装配的燃料电池堆。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种适合批量生产与装配的燃料电池堆，包括导流板、多孔性扩散层材料、膜电极、前端板、后端板，其特征在于，所述的导流板的导流槽一侧覆盖有一层多孔性扩散层材料，所述的膜电极由质子交换膜以及该质子交换膜二侧涂覆催化剂层组成，所述的导流板、多孔性扩散层材料以及带催化剂的质子交换膜的周边设有密封弹性体，将两块相对的覆盖有多孔性扩散层材料的导流板中间压合一块带催化剂的质子交换膜构成单电池，将多组该单电池叠合，并在两端设置前端板、后端板，即构成适合批量生产与装配的燃料电池堆。
所述的多孔性扩散层材料为多孔性碳纸，或其它多孔性材料，其周边设有密封弹性体。
所述的密封弹性体为密封胶粘剂，或密封橡胶。
所述的导流板、多孔性扩散层材料以及带催化剂的质子交换膜为三种独立的装配组件。
由于本发明燃料电池堆的导流板、多孔性扩散层材料、带催化剂的质子交换膜为三种独立的部件，均可以反复拆装，并通过压紧或粘结后具有较好的气密性，因此，这种燃料电池堆的大规模生产与装配就是对三种独立的部件导流板、多孔性扩散层材料、带催化剂的质子交换膜的生产与组装，从而避免了“三合一”电极的热压生产工艺，使燃料电池堆的大规模生产与装配容易实现。
附图说明
图1为现有燃料电池堆单电池的结构示意图；
图2为现有燃料电池堆的结构示意图；
图3为本发明燃料电池堆单电池的结构示意图；
图4为本发明燃料电池堆导流板的结构示意图；
图5为本发明燃料电池堆多孔性扩散层材料的结构示意图；
图6为本发明燃料电池堆带催化剂质子交换膜的结构示意图；
图7为本发明燃料电池堆单电池的分解结构示意图；
图8为本发明燃料电池堆的分解结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图3所示，一种适合批量生产与装配的燃料电池堆，包括导流板1、多孔性碳纸2、膜电极3、前端板(图未示)、后端板(图未示)，所述的导流板1的导流槽11一侧覆盖有一层多孔性碳纸2，所述的膜电极3由质子交换膜31以及该质子交换膜二侧涂覆催化剂层32组成，所述的导流板1、多孔性碳纸2以及带催化剂的质子交换膜3的周边设有密封弹性体4，将两块相对的覆盖有多孔性扩散层材料的导流板1中间压合一块带催化剂的质子交换膜3构成单电池，将多组该单电池叠合，并在两端设置前端板、后端板，即构成适合批量生产与装配的燃料电池堆。
所述的导流板1的虚线以外的部分涂上气密性好的弹性体或胶粘剂4，如图4所示，所述的多孔性碳纸2的虚线以外的碳纸充填气密性非常好的弹性体或胶粘剂4，如图5所示，所述的膜电极3质子交换膜31的虚线以内部分二侧涂加催化剂32，虚线以外的膜上涂上气密性好的弹性体或胶粘剂4，如图6所示，按照上述部件装配成的燃料电池堆单电池如图7所示；将数个这样的燃料电池堆单电池可以装成一个燃料电池堆，如图8所示。
这种燃料电池堆可以反复全部拆成独立的三种部件，分别是导流板1，多孔性碳纸2，膜电极3(带催化剂的质子交换膜)，由大量这三种部件实行流水性装配可制成燃料电池堆，而每一种单独的部件导流板1，多孔性碳纸2，膜电极3可以大量独立加工，从而可实现燃料电池堆的大规模工业化生产。

Claims (4)

1.一种适合批量生产与装配的燃料电池堆，包括导流板、多孔性扩散层材料、膜电极、前端板、后端板，其特征在于，所述的导流板的导流槽一侧覆盖有一层多孔性扩散层材料，所述的膜电极由质子交换膜以及该质子交换膜二侧涂覆催化剂层组成，所述的导流板、多孔性扩散层材料以及带催化剂的质子交换膜的周边设有密封弹性体，将两块相对的覆盖有多孔性扩散层材料的导流板中间压合一块带催化剂的质子交换膜构成单电池，将多组该单电池叠合，并在两端设置前端板、后端板，即构成适合批量生产与装配的燃料电池堆。
2.根据权利要求1所述的适合批量生产与装配的燃料电池堆，其特征在于，所述的多孔性扩散层材料为多孔性碳纸，或其它多孔性材料，其周边设有密封弹性体。
3.根据权利要求1所述的适合批量生产与装配的燃料电池堆，其特征在于，所述的密封弹性体为密封胶粘剂，或密封橡胶。
4.根据权利要求1所述的适合批量生产与装配的燃料电池堆，其特征在于，所述的导流板、多孔性扩散层材料以及带催化剂的质子交换膜为三种独立的装配组件。
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