專利名稱：一種適合批量生產(chǎn)與裝配的燃料電池堆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池堆，尤其涉及一種適合批量生產(chǎn)與裝配的燃料電池堆。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)淙剂霞把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導(dǎo)電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細(xì)小分散的引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)過程中生成的電子，通過外電路引出，構(gòu)成電流回路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質(zhì)子交換膜，到達(dá)膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負(fù)離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質(zhì)子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負(fù)離子，并與陽極區(qū)遷移過來的氫正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達(dá)
陽極反應(yīng)陰極反應(yīng)在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導(dǎo)電的極板中間，每塊導(dǎo)流電極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機(jī)械銑刻，形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)流電極板可以是金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導(dǎo)流電極板上的導(dǎo)流孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導(dǎo)流極板與陰極氧化劑的導(dǎo)流極板。這些導(dǎo)流極板既作為電流集流母板，也作為膜電極兩邊的機(jī)械支撐，導(dǎo)流極板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進(jìn)入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運(yùn)行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通?？赏ㄟ^直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過上端板、下端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進(jìn)出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池組后進(jìn)行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時(shí)，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進(jìn)出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
質(zhì)子交換膜燃料電池可用作一切車、船等運(yùn)載工具的動力系統(tǒng)，又可作手提式、移動式、固定式的發(fā)電裝置。質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)必須包括燃料電池堆、燃料氫氣供應(yīng)、空氣供應(yīng)、冷卻散熱、自動控制及電能輸出等各個部分。
質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池堆的大規(guī)模生產(chǎn)與裝配，而其他燃料電池堆的輔助運(yùn)行各個部分的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化與裝配是容易實(shí)現(xiàn)的。
目前質(zhì)子交換膜燃料電池堆是由多塊導(dǎo)流極板及多片“三合一”電極疊合組成燃料電池堆，再由母板、前端板、后端板及緊固件裝配成一個完整的燃料電池堆。
如U.S.Patent 5,863,673中所指的典型的燃料電池單電池結(jié)構(gòu)，如圖1所示，燃料電池堆就是由多個這種單電池疊合在一起組成的，如圖2所示。
燃料電池堆中的導(dǎo)流板與電流母板，前、后端及緊固件等都可以拆裝的，但其中最關(guān)鍵的零部件“三合一”電極是一整體，該部件一般由質(zhì)子交換膜及二張內(nèi)層表面帶有催化劑的多孔性擴(kuò)散層材料通過熱壓工藝壓制成功的。在大規(guī)模的燃料電池堆產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)時(shí)，必須實(shí)現(xiàn)“三合一”電極的大規(guī)模流水線生產(chǎn)。目前，這種由質(zhì)子交換膜及二張內(nèi)層表面帶有催化劑的多孔性擴(kuò)散層材料通過熱壓的生產(chǎn)工藝給“三合一”電極大規(guī)模流水線生產(chǎn)造成巨大的困難與不方便(1)流水線生產(chǎn)需要有卷材型的多孔性擴(kuò)散層材料，而且內(nèi)層表面必須已經(jīng)涂有催化劑。但多孔性擴(kuò)散層材料往往是較脆的碳紙材料，形成卷材型時(shí)會折斷，特別是涂上催化劑后形成卷材時(shí)，催化劑易掉落。
(2)流水線生產(chǎn)“三合一”電極，必須有精確控制溫度、壓力的熱壓滾筒，以保證每一片“三合一”電極的性能一致性，而實(shí)施這么高精度要求的溫度、壓力控制的熱壓滾筒是非常困難的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種結(jié)構(gòu)合理、加工方便的適合批量生產(chǎn)與裝配的燃料電池堆。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種適合批量生產(chǎn)與裝配的燃料電池堆，包括導(dǎo)流板、多孔性擴(kuò)散層材料、膜電極、前端板、后端板，其特征在于，所述的導(dǎo)流板的導(dǎo)流槽一側(cè)覆蓋有一層多孔性擴(kuò)散層材料，所述的膜電極由質(zhì)子交換膜以及該質(zhì)子交換膜二側(cè)涂覆催化劑層組成，所述的導(dǎo)流板、多孔性擴(kuò)散層材料以及帶催化劑的質(zhì)子交換膜的周邊設(shè)有密封彈性體，將兩塊相對的覆蓋有多孔性擴(kuò)散層材料的導(dǎo)流板中間壓合一塊帶催化劑的質(zhì)子交換膜構(gòu)成單電池，將多組該單電池疊合，并在兩端設(shè)置前端板、后端板，即構(gòu)成適合批量生產(chǎn)與裝配的燃料電池堆。
所述的多孔性擴(kuò)散層材料為多孔性碳紙，或其它多孔性材料，其周邊設(shè)有密封彈性體。
所述的密封彈性體為密封膠粘劑，或密封橡膠。
所述的導(dǎo)流板、多孔性擴(kuò)散層材料以及帶催化劑的質(zhì)子交換膜為三種獨(dú)立的裝配組件。
由于本發(fā)明燃料電池堆的導(dǎo)流板、多孔性擴(kuò)散層材料、帶催化劑的質(zhì)子交換膜為三種獨(dú)立的部件，均可以反復(fù)拆裝，并通過壓緊或粘結(jié)后具有較好的氣密性，因此，這種燃料電池堆的大規(guī)模生產(chǎn)與裝配就是對三種獨(dú)立的部件導(dǎo)流板、多孔性擴(kuò)散層材料、帶催化劑的質(zhì)子交換膜的生產(chǎn)與組裝，從而避免了“三合一”電極的熱壓生產(chǎn)工藝，使燃料電池堆的大規(guī)模生產(chǎn)與裝配容易實(shí)現(xiàn)。


圖1為現(xiàn)有燃料電池堆單電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有燃料電池堆的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明燃料電池堆單電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明燃料電池堆導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明燃料電池堆多孔性擴(kuò)散層材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明燃料電池堆帶催化劑質(zhì)子交換膜的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明燃料電池堆單電池的分解結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本發(fā)明燃料電池堆的分解結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
如圖3所示，一種適合批量生產(chǎn)與裝配的燃料電池堆，包括導(dǎo)流板1、多孔性碳紙2、膜電極3、前端板(圖未示)、后端板(圖未示)，所述的導(dǎo)流板1的導(dǎo)流槽11一側(cè)覆蓋有一層多孔性碳紙2，所述的膜電極3由質(zhì)子交換膜31以及該質(zhì)子交換膜二側(cè)涂覆催化劑層32組成，所述的導(dǎo)流板1、多孔性碳紙2以及帶催化劑的質(zhì)子交換膜3的周邊設(shè)有密封彈性體4，將兩塊相對的覆蓋有多孔性擴(kuò)散層材料的導(dǎo)流板1中間壓合一塊帶催化劑的質(zhì)子交換膜3構(gòu)成單電池，將多組該單電池疊合，并在兩端設(shè)置前端板、后端板，即構(gòu)成適合批量生產(chǎn)與裝配的燃料電池堆。
所述的導(dǎo)流板1的虛線以外的部分涂上氣密性好的彈性體或膠粘劑4，如圖4所示，所述的多孔性碳紙2的虛線以外的碳紙充填氣密性非常好的彈性體或膠粘劑4，如圖5所示，所述的膜電極3質(zhì)子交換膜31的虛線以內(nèi)部分二側(cè)涂加催化劑32，虛線以外的膜上涂上氣密性好的彈性體或膠粘劑4，如圖6所示，按照上述部件裝配成的燃料電池堆單電池如圖7所示；將數(shù)個這樣的燃料電池堆單電池可以裝成一個燃料電池堆，如圖8所示。
這種燃料電池堆可以反復(fù)全部拆成獨(dú)立的三種部件，分別是導(dǎo)流板1，多孔性碳紙2，膜電極3(帶催化劑的質(zhì)子交換膜)，由大量這三種部件實(shí)行流水性裝配可制成燃料電池堆，而每一種單獨(dú)的部件導(dǎo)流板1，多孔性碳紙2，膜電極3可以大量獨(dú)立加工，從而可實(shí)現(xiàn)燃料電池堆的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
權(quán)利要求
1.一種適合批量生產(chǎn)與裝配的燃料電池堆，包括導(dǎo)流板、多孔性擴(kuò)散層材料、膜電極、前端板、后端板，其特征在于，所述的導(dǎo)流板的導(dǎo)流槽一側(cè)覆蓋有一層多孔性擴(kuò)散層材料，所述的膜電極由質(zhì)子交換膜以及該質(zhì)子交換膜二側(cè)涂覆催化劑層組成，所述的導(dǎo)流板、多孔性擴(kuò)散層材料以及帶催化劑的質(zhì)子交換膜的周邊設(shè)有密封彈性體，將兩塊相對的覆蓋有多孔性擴(kuò)散層材料的導(dǎo)流板中間壓合一塊帶催化劑的質(zhì)子交換膜構(gòu)成單電池，將多組該單電池疊合，并在兩端設(shè)置前端板、后端板，即構(gòu)成適合批量生產(chǎn)與裝配的燃料電池堆。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適合批量生產(chǎn)與裝配的燃料電池堆，其特征在于，所述的多孔性擴(kuò)散層材料為多孔性碳紙，或其它多孔性材料，其周邊設(shè)有密封彈性體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適合批量生產(chǎn)與裝配的燃料電池堆，其特征在于，所述的密封彈性體為密封膠粘劑，或密封橡膠。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適合批量生產(chǎn)與裝配的燃料電池堆，其特征在于，所述的導(dǎo)流板、多孔性擴(kuò)散層材料以及帶催化劑的質(zhì)子交換膜為三種獨(dú)立的裝配組件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適合批量生產(chǎn)與裝配的燃料電池堆，包括導(dǎo)流板、多孔性擴(kuò)散層材料、膜電極、前端板、后端板，所述的導(dǎo)流板的導(dǎo)流槽一側(cè)覆蓋有一層多孔性擴(kuò)散層材料，所述的膜電極由質(zhì)子交換膜以及該質(zhì)子交換膜二側(cè)涂覆催化劑層組成，將兩塊相對的導(dǎo)流板中間壓合一塊膜電極進(jìn)行疊合，并在兩端設(shè)置前端板、后端板，即構(gòu)成本發(fā)明燃料電池堆。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明燃料電池堆可以拆成獨(dú)立的三種部件，分別是導(dǎo)流板，多孔性擴(kuò)散層材料以及膜電極，而這三種部件可以大量獨(dú)立加工，從而可實(shí)現(xiàn)燃料電池堆的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號H01M8/10GK1527425SQ0311569
公開日2004年9月8日 申請日期2003年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月7日
發(fā)明者胡里清 申請人:上海神力科技有限公司