專利名稱：一種節(jié)能型燃料電池三合一膜電極密封裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及一種節(jié)能型燃料電池三合一膜電極密封裝置。
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(jiǎn)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達(dá)
陽(yáng)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)流極板上的流體孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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)以上的單電池通常可通過直疊的方式串聯(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(yáng)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。
美國(guó)專利(專利號(hào)US6,057,054)中有一燃料電池膜電極封裝方法，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，1’為膜電極，2’為橡膠邊框，3’為空氣進(jìn)口，4’為氫氣進(jìn)口，5’為空氣出口，6’為氫氣出口。
采用該方法的特點(diǎn)是在膜電極四周包一層彈性橡膠邊框，該彈性橡膠邊框從三合一電極膜電極邊緣延伸出來，延伸長(zhǎng)度約為1～10mm，厚度大于膜電極厚，經(jīng)過膜電極上、下兩塊雙極板裝配后，邊框與雙極板上的密封槽相對(duì)應(yīng)，從而達(dá)到密封效果。
但是神力公司專利“一種節(jié)能型燃料電池”(專利號(hào)02279853.6)中的導(dǎo)流極板的空氣導(dǎo)流槽為直通型。若采用美國(guó)專利上述膜電極密封方法會(huì)導(dǎo)致膜電極上方的橡膠邊框受擠壓，而進(jìn)入空氣導(dǎo)流槽，產(chǎn)生堵塞，直接影響燃料電池的正常發(fā)電。

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節(jié)能型燃料電池三合一膜電極密封裝置。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種節(jié)能型燃料電池三合一膜電極密封裝置，包括由質(zhì)子交換膜及其兩側(cè)的碳擴(kuò)散層材料組成的三合一膜電極、密封邊框，所述的三合一膜電極分為中間有效部分以及四周密封部分，其特征在于，所述的三合一膜電極的密封部分分為A、B兩個(gè)區(qū)域，在A區(qū)域，質(zhì)子交換膜及其兩側(cè)的碳擴(kuò)散層材料呈相等尺寸，且整齊平整，所述的密封邊框包覆在A區(qū)膜電極的兩側(cè)，在B區(qū)域，質(zhì)子交換膜及其兩側(cè)的碳擴(kuò)散層材料呈不相等尺寸，且在其中一側(cè)形成缺位，所述的密封邊框設(shè)在該缺位處。
所述的B區(qū)域，質(zhì)子交換膜一側(cè)的碳擴(kuò)散層材料與質(zhì)子交換膜呈相等尺寸，另一側(cè)的碳擴(kuò)散層材料的尺寸稍短而形成缺位，所述的密封邊框設(shè)在該缺位處。
所述的B區(qū)域，質(zhì)子交換膜一側(cè)的碳擴(kuò)散層材料與質(zhì)子交換膜呈相等尺寸，另一側(cè)的碳擴(kuò)散層材料的尺寸稍長(zhǎng)而形成缺位，所述的密封邊框設(shè)在該缺位處。
所述的密封邊框?yàn)閺椥韵鹉z材料邊框。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)該膜電極與上海神力專利(專利號(hào)02279853.6)中的節(jié)能型導(dǎo)流雙極板配合時(shí)，膜電極具有橡膠彈性材料邊緣的一側(cè)與導(dǎo)流雙極板上的密封槽相對(duì)應(yīng)，使該導(dǎo)流雙極板這一面的氫氣燃料不泄漏；該膜電極另一側(cè)B區(qū)域?yàn)閯傂圆蛔冃蔚奶紨U(kuò)散層材料，與導(dǎo)流雙極板的空氣槽相對(duì)應(yīng)，壓緊后使B區(qū)域不變形，從而避免橡膠邊框陷入空氣導(dǎo)流槽中。


圖1為現(xiàn)有燃料電池膜電極密封裝置示意圖；圖2為本發(fā)明的燃料電池膜電極密封裝置分區(qū)示意圖；圖3為本發(fā)明的燃料電池膜電極密封裝置A區(qū)側(cè)視剖面圖；圖4(a)為本發(fā)明的燃料電池膜電極密封裝置B區(qū)俯視剖面圖；
圖4(b)為本發(fā)明的燃料電池膜電極密封裝置另一種B區(qū)俯視剖面圖；圖5為采用中間供氫夾板集成的燃料電池堆示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
如圖2、圖3所示，一種節(jié)能型燃料電池三合一膜電極密封裝置，包括由質(zhì)子交換膜3及其兩側(cè)的碳擴(kuò)散層材料2組成的三合一膜電極1、密封邊框4，所述的三合一膜電極1分為中間有效部分以及四周密封部分，所述的三合一膜電極1的密封部分分為A、B兩個(gè)區(qū)域，在A區(qū)域，質(zhì)子交換膜3及其兩側(cè)的碳擴(kuò)散層材料2呈相等尺寸，且整齊平整，所述的密封邊框4包覆在A區(qū)膜電極的兩側(cè)，在B區(qū)域，質(zhì)子交換膜3及其兩側(cè)的碳擴(kuò)散層材料2呈不相等尺寸，且在其中一側(cè)形成缺位，所述的密封邊框4設(shè)在該缺位處。
如圖4(a)所示，所述的B區(qū)域，質(zhì)子交換膜3一側(cè)的碳擴(kuò)散層材料2與質(zhì)子交換膜3呈相等尺寸，另一側(cè)的碳擴(kuò)散層材料2的尺寸稍短而形成缺位，所述的彈性橡膠材料邊框4設(shè)在該缺位處。(實(shí)施例1)如圖4(b)所示，所述的(B)區(qū)域，質(zhì)子交換膜3一側(cè)的碳擴(kuò)散層材料2與質(zhì)子交換膜3呈相等尺寸，另一側(cè)的碳擴(kuò)散層材料2的尺寸稍長(zhǎng)而形成缺位，所述的彈性橡膠材料邊框4設(shè)在該缺位處。(實(shí)施例2)如圖5所示，在采用中間供氫夾板集成的燃料電池堆中，單電池?cái)?shù)目80片，燃料電池堆的尺寸275×132×63mm，功率100～300W，試驗(yàn)結(jié)果表明，膜電極氫氣一側(cè)未發(fā)生泄漏，膜電極的空氣一側(cè)未發(fā)生空氣堵塞現(xiàn)象。
權(quán)利要求
1.一種節(jié)能型燃料電池三合一膜電極密封裝置，包括由質(zhì)子交換膜及其兩側(cè)的碳擴(kuò)散層材料組成的三合一膜電極、密封邊框，所述的三合一膜電極分為中間有效部分以及四周密封部分，其特征在于，所述的三合一膜電極的密封部分分為(A)、(B)兩個(gè)區(qū)域，在(A)區(qū)域，質(zhì)子交換膜及其兩側(cè)的碳擴(kuò)散層材料呈相等尺寸，且整齊平整，所述的密封邊框包覆在(A)區(qū)膜電極的兩側(cè)，在(B)區(qū)域，質(zhì)子交換膜及其兩側(cè)的碳擴(kuò)散層材料呈不相等尺寸，且在其中一側(cè)形成缺位，所述的密封邊框設(shè)在該缺位處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種節(jié)能型燃料電池三合一膜電極密封裝置，其特征在于，所述的(B)區(qū)域，質(zhì)子交換膜一側(cè)的碳擴(kuò)散層材料與質(zhì)子交換膜呈相等尺寸，另一側(cè)的碳擴(kuò)散層材料的尺寸稍短而形成缺位，所述的密封邊框設(shè)在該缺位處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種節(jié)能型燃料電池三合一膜電極密封裝置，其特征在于，所述的(B)區(qū)域，質(zhì)子交換膜一側(cè)的碳擴(kuò)散層材料與質(zhì)子交換膜呈相等尺寸，另一側(cè)的碳擴(kuò)散層材料的尺寸稍長(zhǎng)而形成缺位，所述的密封邊框設(shè)在該缺位處。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種節(jié)能型燃料電池三合一膜電極密封裝置，其特征在于，所述的密封邊框?yàn)閺椥韵鹉z材料邊框。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種節(jié)能型燃料電池三合一膜電極密封裝置，包括由質(zhì)子交換膜及其兩側(cè)的碳擴(kuò)散層材料組成的三合一膜電極、密封邊框，所述的三合一膜電極分為中間有效部分以及四周密封部分，所述的三合一膜電極的密封部分分為(A)、(B)兩個(gè)區(qū)域，在(A)區(qū)域，質(zhì)子交換膜及其兩側(cè)的碳擴(kuò)散層材料呈相等尺寸，且整齊平整，所述的密封邊框包覆在(A)區(qū)膜電極的兩側(cè)，在(B)區(qū)域，質(zhì)子交換膜及其兩側(cè)的碳擴(kuò)散層材料呈不相等尺寸，且在其中一側(cè)形成缺位，所述的密封邊框設(shè)在該缺位處。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有密封好、不易堵塞等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01M2/08GK1949567SQ20051003041
公開日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2005年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月12日
發(fā)明者胡里清, 李麗, 郭偉良, 胡卓滔 申請(qǐng)人:上海神力科技有限公司