專利名稱：薄型質(zhì)子交換膜燃料電池堆及電解反應(yīng)堆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電化學(xué)領(lǐng)域，它涉及質(zhì)子交換膜燃料電池堆及電解反應(yīng)堆。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池堆及電解反應(yīng)堆以固體電解質(zhì)即質(zhì)子交換膜為質(zhì)子傳輸媒介，在質(zhì)子交換膜兩個(gè)表面分別附著一層催化劑，形成一個(gè)復(fù)合電極叫質(zhì)子交換膜電極，簡(jiǎn)稱MEA。燃料電池是通過陽極催化劑將導(dǎo)入的燃料如氫氣、甲醇等氧化，產(chǎn)生的電子通過外電路到達(dá)陰極，陰極氧氣得到電子被還原，同時(shí)，燃料氧化后產(chǎn)生的質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極并與氫氧離子復(fù)合形成水；而電解反應(yīng)的工作原理正好是燃料電池的逆過程，因此電解反應(yīng)堆可以利用同樣的電池結(jié)構(gòu)，只是選用的催化劑體系不同。
由于單電池產(chǎn)生的電壓很小，電力也不足，所以在實(shí)用時(shí)有必要將多個(gè)單電池串聯(lián)或并聯(lián)起來組成電池堆，電池堆是否能夠小型化成了當(dāng)今燃料電池能否實(shí)用的瓶頸之一。
有關(guān)燃料電池堆的研究很多，俞紅梅在文章“燃料電池組的氣體分配管道--電源技術(shù)Vol.25 No.6 2001年”中描述了電池堆的結(jié)構(gòu)，在電池堆中，包含有如下組件兩塊端板，兩個(gè)單極板，多個(gè)雙板板，多個(gè)膜電極，多個(gè)密封墊，連接桿以及外電路和輔助設(shè)備。它們按如下順序排列端板-單極板-粘接劑-剛性密封墊-粘接劑-質(zhì)子交換膜電極-粘接劑-剛性密封墊-粘接劑-雙極板-粘接劑-剛性密封墊-粘接劑-質(zhì)子交換膜電極-……-單極板-端板，由連接桿固定，組成電池堆，省略號(hào)表示重復(fù)單元，其中粘接劑與剛性密封墊為可選元件，雙極板作為電子和反應(yīng)物的傳輸通道并作為電池的支撐體，雙極板的厚度一般在2.5～5mm之間，材質(zhì)為石墨板或金屬板，雙極板上下表面均加工出流道，中間為阻隔層。
雙極板在電池中分別與相鄰單電池的陰極和陽極相連，結(jié)果形成一串聯(lián)電路。由于雙極板需要將氧化劑如氧氣和燃料分開，同時(shí)還要為它們提供足夠的運(yùn)行通道，所以雙極板不可能做得太薄，否則將產(chǎn)生很大的傳輸阻力，使得電池不能正常運(yùn)行。關(guān)于雙極板的結(jié)構(gòu)，有不少專利，例如史鵬飛在中國(guó)專利CN1416184A中描述了一種金屬復(fù)合雙極板，圖7a、圖7b是當(dāng)前燃料電池雙極板的一種典型結(jié)構(gòu)示意圖。由于雙極板的厚度直接影響了電池堆的大小，能夠?qū)⑵渥儽∈侨藗兛释芫枚趾茈y實(shí)現(xiàn)的事情。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種薄型質(zhì)子交換膜燃料電池堆及電解反應(yīng)堆。
為了實(shí)現(xiàn)電池堆及電解反應(yīng)堆的薄型化，主要采用了一種具有餡餅結(jié)構(gòu)的流道板，在此命名為三明治板5。如圖6所示，該三明治板5中層為絕緣連接片C，上下兩層導(dǎo)電片B為金屬片或石墨片，見圖6b。圖6a為其主視圖，圖6b為其側(cè)視圖。可以看出，三明治板的最明顯特征是中層的絕緣連接片C，將上下兩導(dǎo)電片層B隔開，不過三明治板的中間流道如圖6a中的A是上下貫通的。兩層導(dǎo)電片分別與兩個(gè)單電池質(zhì)子交換膜電極的催化劑層接觸，同時(shí)兩個(gè)導(dǎo)電片分別與鄰近單電池的相反極性電極導(dǎo)電片相接，如圖1所示，組成一個(gè)正負(fù)極相連的串聯(lián)電路。燃料或者氧化氣體在三明治板中間流道中通過時(shí)，將同時(shí)為兩個(gè)電極提供反應(yīng)物。由于在同樣的壓力下，氣體或液體的流量與流道尺寸的立方成正比，所以只要三明治板的厚度比同樣場(chǎng)合雙極板單流道厚度大不到30％，即可獲得與雙極板同樣的效果。這樣就減少了將近一個(gè)流道的厚度及雙極板中間阻隔層的厚度，從而三明治板的厚度至少可在現(xiàn)有雙極板厚度的二分之一以下。整體燃料電池的體積和重量將減小一半左右。根據(jù)電池反應(yīng)面積的大小可以調(diào)整三明治板的厚度，例如對(duì)于2×2平方厘米的電池，三明治板可以薄到0.5毫米，單電池MEA的厚度在1毫米以下是可以實(shí)現(xiàn)的。構(gòu)成的燃料電池堆或電解反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)如下端板1-單極板2-粘接劑-X-粘接劑-單極板2-端板1，由連接桿6通過連接孔10固定，組成電池堆。X表示重復(fù)單元。重復(fù)單元X的組成為“剛性密封墊3-粘接劑-質(zhì)子交換膜電極4-粘接劑-剛性密封墊3-粘接劑-三明治板5”。若干重復(fù)單元X組成燃料電池堆或電解反應(yīng)堆。粘接劑與剛性密封墊為可選元件，它們主要起輔助支撐與封閉作用。在導(dǎo)電片與質(zhì)子交換膜電極的催化劑層之間還可以增加一層起支撐作用的金屬多孔網(wǎng)。反應(yīng)物由端板的物料口7進(jìn)入電池堆，通過單極板的孔8、物料通道11進(jìn)入各個(gè)單電池，由三明治板的一端13輸入，通過三明治板中間的流道A，由另一端13流出到物料通道11，再經(jīng)由單極板的孔8、端口板7流出電池堆或電解反應(yīng)堆。
本實(shí)用新型所描述的電池堆及電解反應(yīng)堆的大小由組合的單電池?cái)?shù)量確定，而單電池的面積大小可以小到0.5平方厘米，可以大到1平方米，由實(shí)際的用途決定。單電池的厚度主要由三明治板的厚度決定。根據(jù)反應(yīng)面積的大小，三明治板的厚度可以在0.2-6毫米之間調(diào)整，比較適合的三明治板厚度為1-3毫米。三明治板中間絕緣片C的厚度為0.1毫米至三明治板總厚度的99％以下，它的主要作用是隔開兩導(dǎo)電片B并參與構(gòu)筑流道A。三明治板中間的流道A寬度和流道之間的寬度，在0.2-2毫米之間，通常為1-1.5毫米，流道A一般加工成直流道，加工成其它曲線流道也是可以的。三明治板的物料通道11的寬度一致，也與端板的物料出口7的尺寸一致。電池堆的其它部件的尺寸與三明治板的大小是相符合的。端板的連接孔10的大小依據(jù)電池堆的大小變化，其直徑可以為0.4-1厘米。連接桿6通過連接孔10將電池堆固定，由螺帽12擰緊。連接桿6的直徑與連接孔10的大小相一致。


圖1是薄型質(zhì)子交換膜燃料電池堆裝配圖的示意圖。也是說明書摘要附圖。
圖2是薄型質(zhì)子交換膜燃料電池堆端板的示意圖。
圖3是薄型質(zhì)子交換膜燃料電池堆單極板的示意圖。
圖4是薄型質(zhì)子交換膜燃料電池堆剛性密封墊的示意圖。
圖5是薄型質(zhì)子交換膜燃料電池堆MEA的示意圖。
圖6a、圖6b是薄型質(zhì)子交換膜燃料電池堆三明治板5的示意圖。圖6a為其主視圖，圖6b為其側(cè)視圖。
圖7a、圖7b是當(dāng)前燃料電池雙極板的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7a是主視圖，圖7b是側(cè)視圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的實(shí)施方式結(jié)合附圖描述如下圖1是薄型質(zhì)子交換膜燃料電池堆及電解反應(yīng)堆的示意圖，由端板1、單極板2、連接桿6及多個(gè)重復(fù)單元組成。
圖2是薄型質(zhì)子交換膜燃料電池堆端板的示意圖，端板1主要由金屬如不銹鋼制成，其表面鉆有多個(gè)連接孔10，用連接桿6穿過連接孔10將電池堆固定，連接桿6兩端用螺帽12緊固，端板1表面鉆有進(jìn)出物料孔7。端板1的進(jìn)出物料孔7分別與單極板的進(jìn)出物料孔8相對(duì)應(yīng)。
圖3是薄型質(zhì)子交換膜燃料電池堆單極板的示意圖，單極板2由耐腐金屬材料或石墨制成，其一個(gè)表面加工出流道，流道未與另一表面貫通，另一表面與端板相貼，并有進(jìn)出物料孔8，物料8為通孔，與端板進(jìn)出物料孔7對(duì)應(yīng)，9為物料分配槽，分配槽未與單極板另一表面貫通，11為物料通道。
圖4是薄型質(zhì)子交換膜燃料電池堆剛性密封墊的示意圖，剛性密封墊3可由金屬或耐熱塑料制成。
圖5是薄型質(zhì)子交換膜燃料電池堆MEA的示意圖，質(zhì)子交換膜電極MEA4的基本結(jié)構(gòu)為多孔導(dǎo)電支持層-催化劑層-質(zhì)子交換膜-催化劑層-多孔導(dǎo)電支持層。中間部份14為電池反應(yīng)區(qū)。
圖6a、圖6b是薄型質(zhì)子交換膜燃料電池堆及電解反應(yīng)堆三明治板5的示意圖，圖6a為其主視圖，A是上下貫通的流道，13為物料流入流出端。11為物料通道。圖6b為其側(cè)視圖，中間層C由絕緣材料制成，上下兩層導(dǎo)電層B由耐腐金屬片或石墨片制成。
圖7a是當(dāng)前燃料電池雙極板的結(jié)構(gòu)示意圖。一般由石墨或不銹鋼材料制成。圖7b是其側(cè)視圖。它的上下兩邊均加工有流道，上下兩邊流道是互不相通的。
實(shí)施例1制造端板1、單極板2、剛性密封墊3、質(zhì)子交換膜電極4、三明治板5、連接桿6；選擇適當(dāng)粘接劑。然后，按照如下順序組裝成燃料電池堆或電解反應(yīng)堆端板1-單極板2-粘接劑-重復(fù)單元X-粘接劑-單極板2-端板1，由連接桿6穿過兩個(gè)端板1上的連接孔10，在連接桿6兩端用螺帽12緊固。
當(dāng)然，可以根據(jù)實(shí)際需要選擇重復(fù)單元X數(shù)量來制造燃料電池堆及電解反應(yīng)堆。
權(quán)利要求1.一種薄型質(zhì)子交換膜燃料電池堆及電解反應(yīng)堆有兩個(gè)端板、兩個(gè)單極板、多個(gè)膜電極、多個(gè)密封墊、連接桿以及外電路和輔助設(shè)備，其特征是還包括一種餡餅結(jié)構(gòu)的流道板即三明治板；該電池堆的各個(gè)元件按如下順序排列端板-單極板-粘接劑-X-粘接劑-單極板-端板，由連接桿固定組成電池堆；反應(yīng)物由端板孔(7)導(dǎo)入電池堆，通過單極板的一端的孔(8)、物料通道(11)進(jìn)入各個(gè)單電池，由三明治板的一端(13)輸入，通過三明治板中間的流道A，由另一端(13)到物料通道(11)，再經(jīng)由單極板另一端的孔(8)及對(duì)應(yīng)的端板孔(7)流出電池堆；X為重復(fù)單元，重復(fù)單元X的組成為“剛性密封墊3-粘接劑-質(zhì)子交換膜電極4-粘接劑-剛性密封墊3-粘接劑-三明治板5”。
2.如權(quán)利要求1所述的薄型質(zhì)子交換膜燃料電池堆及電解反應(yīng)堆，其特征在于三明治板的中層為絕緣墊片，上下兩層為導(dǎo)電片；導(dǎo)電片與質(zhì)子交換膜電極的催化劑層相接觸，在導(dǎo)電片與質(zhì)子交換膜電極的催化劑層之間還可以增加一層起支撐作用的金屬多孔網(wǎng)；該三明治板的中間加工有上下貫通的流道，當(dāng)反應(yīng)物流過流道時(shí)，將同時(shí)為上下兩個(gè)催化劑層提供反應(yīng)物，并帶走產(chǎn)物；該三明治板的兩個(gè)導(dǎo)電片分別與鄰近單電池的相反極性電極導(dǎo)電片相接，組成一個(gè)正負(fù)極相連的串聯(lián)電路。
專利摘要本實(shí)用新型屬于電化學(xué)領(lǐng)域，涉及一種質(zhì)子交換膜燃料反應(yīng)堆及電解反應(yīng)堆。采用獨(dú)特的餡餅結(jié)構(gòu)的流道板，該流道板中層為絕緣連接片，上下為導(dǎo)電片如金屬片或石墨片，并同為相鄰單電池的陰極或陽極，這兩個(gè)電極并不直接相連，但共用一個(gè)流道，結(jié)果流道板可以做得很薄，以致單電池厚度甚至可以做到1mm以下，為現(xiàn)有單電池厚度的二分之一左右，因此這一設(shè)計(jì)可以大幅減少燃料電池堆或電解反應(yīng)堆的體積，為燃料電池堆及電解反應(yīng)堆的實(shí)用化提供更有利的技術(shù)支撐。
文檔編號(hào)H01M8/24GK2814685SQ20052002852
公開日2006年9月6日 申請(qǐng)日期2005年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月18日
發(fā)明者廖建輝, 邢巍, 周小春, 劉長(zhǎng)鵬, 蘇怡, 陸天虹 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所