專利名稱：一種改進(jìn)型燃料電池堆組件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池堆及其制造方法，尤其涉及一種改進(jìn)型燃料電池堆組件及其制造方法。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)浼把趸瘎┺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)發(fā)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(huì)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)流極板可以上金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導(dǎo)流極板上的導(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(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個(gè)膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導(dǎo)流板與陰極氧化劑的導(dǎo)流板。這些導(dǎo)流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機(jī)械支撐，導(dǎo)流板上的導(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(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個(gè)或兩個(gè)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(gè)膜電極的陽極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個(gè)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(gè)電池組。電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)端板上或兩個(gè)端板上。
質(zhì)子交換膜燃料電池可用作車、船等運(yùn)載工具的動(dòng)力系統(tǒng)，又可用作手提式、移動(dòng)式、固定式的發(fā)電裝置。
目前典型的質(zhì)子交換膜燃料電池單電池一般由一張膜電極(MEA)與二塊導(dǎo)流極板組成。膜電極一般均放在二塊導(dǎo)電的極板中間，每塊導(dǎo)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)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)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(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個(gè)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(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個(gè)或兩個(gè)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(gè)膜電極的陽極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個(gè)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的方式連在一起而組成一個(gè)電池組。電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
所以目前的燃料電池組裝配技術(shù)一般都可以使燃料電池組拆分成許多塊導(dǎo)流極板(或雙極板)及膜電極(三合體MEA)。例如Us Patent 5804326、Us Patent 6066409上面所描述的多種燃料電池堆每個(gè)重復(fù)單電池單元都由導(dǎo)流極板(或雙極板)及膜電極(三合體MEA)裝配而成，而且導(dǎo)流極板(或雙極板)及膜電極都是獨(dú)立的部分，且可以反復(fù)拆裝成電池堆。
燃料電池堆的這種組裝技術(shù)對(duì)燃料電池堆的密封提出了非常高的要求。為了讓燃料電池堆中的氫氣、空氣、冷卻流體各自按自己的流體通道進(jìn)、出，互相不滲漏，每塊極板(或雙極板)與膜電極之間都要求有很好的密封裝置。
例如上海神力科技有限公司的專利“燃料電池單元的密封裝置”(專利申請(qǐng)?zhí)朲L01238847.5)就是采用膜電極周邊套接具有密封功能的邊框，而在導(dǎo)流極板上設(shè)有密封槽與密封圈，當(dāng)裝配成燃料電池堆時(shí)，膜電極上的邊框與極板上的密封圈材料緊密接觸，產(chǎn)生并達(dá)到密封的效果。目前這種燃料電池堆組裝技術(shù)以及相應(yīng)所要求的密封技術(shù)有許多技術(shù)缺陷燃料電池堆中的每塊導(dǎo)流極板(或雙極板)，膜電極都必須單獨(dú)分體生產(chǎn)，導(dǎo)致組裝燃料電池堆時(shí)的零部件較多，從而造成組裝上較多的麻煩。
每塊導(dǎo)流極板(或雙極板)的正反面與膜電極的正反面都必須要有密封裝置，這就大大增加了密封的難度，容易產(chǎn)生泄漏。倘若產(chǎn)生氫氣泄漏將會(huì)產(chǎn)生致命的危險(xiǎn)。

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組裝方便、密封性好的改進(jìn)型燃料電池堆組件及其制造方法。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種改進(jìn)型燃料電池堆組件，包括導(dǎo)流極板或雙極板、膜電極，其特征在于，所述的導(dǎo)流極板或雙極板與膜電極通過膠接密封產(chǎn)生一個(gè)完整的組件。
所述的導(dǎo)流雙極板剖面的中間是導(dǎo)冷卻流體槽，二邊分別是導(dǎo)氫氣流槽和導(dǎo)空氣流槽，所述的導(dǎo)氫氣流槽的槽面與膜電極的陽極面膠接密封，從而構(gòu)成一燃料電池堆組件。
一種改進(jìn)型燃料電池堆組件的制造方法，其特征在于，該方法包括以下工藝步驟，首先粘結(jié)雙極板，將二面分別開有導(dǎo)氫氣流槽、導(dǎo)冷卻水槽的第一極板與一面開有導(dǎo)空氣流槽另一面為光面的第二極板互相膠接密封，具體是將第一極板的導(dǎo)冷卻流體槽面與第二極板的光面膠接密封，構(gòu)成一雙極板，該雙極板剖面的中間是導(dǎo)冷卻流體槽，二邊分別是導(dǎo)氫氣流槽和導(dǎo)空氣流槽；然后粘結(jié)組件，將上述雙極板與膜電極通過膠接密封產(chǎn)生一個(gè)完整的組件，具體是將雙極板的導(dǎo)氫氣流槽的槽面與膜電極的陽極面膠接密封，從而構(gòu)成一燃料電池堆組件。
所述的導(dǎo)流極板或雙極板與膜電極采用壓蓋模具進(jìn)行膠接密封。
本發(fā)明從本質(zhì)上說是將導(dǎo)流極板(或雙極板)與膜電極通過膠接密封產(chǎn)生一個(gè)完整的部件。這樣，在燃料電池堆組裝時(shí)只要將許多塊這種一樣的部件重復(fù)疊裝在一起就可以了，這樣的組裝就更簡單、更快速了。另外，更重要的是將膜電極與導(dǎo)流極板(或雙極板)一起通過膠接密封產(chǎn)生一個(gè)完整的部件，有以下二個(gè)優(yōu)勢1.在生產(chǎn)這種整體部件時(shí)，可以綜合考慮膜電極、導(dǎo)流極板的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，使它們可以很容易通過特殊的互相匹配的膠接密封產(chǎn)生一個(gè)較完美的整體部件。
2.導(dǎo)流極板一面，特別是導(dǎo)氫氣的這一面最容易泄漏，而與膜電極通過特殊的相匹配的膠接密封成為一個(gè)整體部件后，該部件的膠接密封屬于永久性的不可拆裝的密封，就不容易產(chǎn)生泄漏。


圖1為雙極板導(dǎo)氫氣流面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為雙極板導(dǎo)空氣流面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為雙極板剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為質(zhì)子交換膜的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明電池堆組件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明膠接方法示意圖；圖8為本發(fā)明燃料電池堆的組裝示意圖。
具體實(shí)施例方式
一種改進(jìn)型燃料電池堆組件，如圖6，包括導(dǎo)流極板或雙極板3、膜電極7，所述的導(dǎo)流極板或雙極板3與膜電極7通過膠接密封產(chǎn)生一個(gè)完整的組件；所述的導(dǎo)流雙極板3剖面的中間是導(dǎo)冷卻流體槽312，二邊分別是導(dǎo)氫氣流槽311和導(dǎo)空氣流槽321，所述的導(dǎo)氫氣流槽311的槽面與膜電極7的陽極面采用膠合材料8膠接密封，從而構(gòu)成一燃料電池堆組件。
一種改進(jìn)型燃料電池堆組件的制造方法，該方法包括以下工藝步驟，首先粘結(jié)雙極板，如圖3，將二面分別開有導(dǎo)氫氣流槽、導(dǎo)冷卻水槽的第一極板31與一面開有導(dǎo)空氣流槽另一面為光面的第二極板32互相膠接密封，具體是將第一極板31的導(dǎo)冷卻流體槽面與第二極板32的光面膠接密封，構(gòu)成一雙極板3，該雙極板剖面的中間是導(dǎo)冷卻流體槽312，二邊分別是導(dǎo)氫氣流槽311和導(dǎo)空氣流槽321；然后粘結(jié)組件，如圖6，將上述雙極板3與膜電極7通過膠接密封產(chǎn)生一個(gè)完整的組件，具體是將雙極板3的導(dǎo)氫氣流槽311的槽面與膜電極7的陽極面采用密封膠8膠接密封，從而構(gòu)成一燃料電池堆組件。如圖7，所述的導(dǎo)流極板或雙極板3與膜電極7采用壓蓋模具9進(jìn)行膠接密封，該壓蓋模具9設(shè)有模腔10。
如圖1、圖2所示，1為雙極板的導(dǎo)氫氣流槽面、2導(dǎo)空氣流槽面；如圖4、圖5所示，5為質(zhì)子交換膜，6為三合一膜電極，7為相對(duì)應(yīng)導(dǎo)流極板工作面的膜電極(有效工作面)。將一塊雙極板(雙極板中間有冷卻流體通道)與一張膜電極通過上述技術(shù)膠接密封在一起成為一個(gè)單獨(dú)、完整的組件(如圖6)，該組件的雙極板導(dǎo)氫氣面與膜電極的陽極膠接密封在一起。
圖6為膠接密封后的完整組件圖，圖中3為雙極板，4為膠合材料，5為質(zhì)子交換膜，7為相對(duì)應(yīng)導(dǎo)流極板工作面的膜電極(有效工作面)，8為膠接密封用的密封膠。膠接方法如圖7所示，圖中3為雙極板，5為質(zhì)子交換膜，7為相對(duì)應(yīng)導(dǎo)流極板工作面的膜電極(有效工作面)，9為模具，10為壓蓋模具模腔。將膜電極、導(dǎo)流板(雙極板)及壓蓋模具緊固裝配在一起，并在壓蓋模具中用高壓泵泵入未硫化的流動(dòng)性的橡膠體，如硅橡膠等，等固化后流入導(dǎo)流孔的橡膠可以剝離出去。最后當(dāng)許多塊這樣的整體組件疊合在一起時(shí)就構(gòu)成了一個(gè)燃料電池堆，如圖8所示，該圖是由許多整體組件構(gòu)成的燃料電池堆，圖中5為質(zhì)子交換膜，7為相對(duì)應(yīng)導(dǎo)流極板工作面的膜電極(有效工作面)。
權(quán)利要求
1.一種改進(jìn)型燃料電池堆組件，包括導(dǎo)流極板或雙極板、膜電極，其特征在于，所述的導(dǎo)流極板或雙極板與膜電極通過膠接密封產(chǎn)生一個(gè)完整的組件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)型燃料電池堆組件，其特征在于，所述的導(dǎo)流雙極板剖面的中間是導(dǎo)冷卻流體槽，二邊分別是導(dǎo)氫氣流槽和導(dǎo)空氣流槽，所述的導(dǎo)氫氣流槽的槽面與膜電極的陽極面膠接密封，從而構(gòu)成一燃料電池堆組件。
3.一種改進(jìn)型燃料電池堆組件的制造方法，其特征在于，該方法包括以下工藝步驟，首先粘結(jié)雙極板，將二面分別開有導(dǎo)氫氣流槽、導(dǎo)冷卻水槽的第一極板與一面開有導(dǎo)空氣流槽另一面為光面的第二極板互相膠接密封，具體是將第一極板的導(dǎo)冷卻流體槽面與第二極板的光面膠接密封，構(gòu)成一雙極板，該雙極板剖面的中間是導(dǎo)冷卻流體槽，二邊分別是導(dǎo)氫氣流槽和導(dǎo)空氣流槽；然后粘結(jié)組件，將上述雙極板與膜電極通過膠接密封產(chǎn)生一個(gè)完整的組件，具體是將雙極板的導(dǎo)氫氣流槽的槽面與膜電極的陽極面膠接密封，從而構(gòu)成一燃料電池堆組件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的改進(jìn)型燃料電池堆組件的制造方法，其特征在于，所述的導(dǎo)流極板或雙極板與膜電極采用壓蓋模具進(jìn)行膠接密封。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)型燃料電池堆組件及其制造方法，該組件包括導(dǎo)流極板或雙極板、膜電極，所述的導(dǎo)流極板或雙極板與膜電極通過膠接密封產(chǎn)生一個(gè)完整的組件；該方法包括粘結(jié)雙極板、粘結(jié)組件等工藝步驟。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有組裝方便、密封性好等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01M8/00GK1571201SQ0314181
公開日2005年1月26日 申請(qǐng)日期2003年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月25日
發(fā)明者胡里清 申請(qǐng)人:上海神力科技有限公司