專利名稱：包括多個獨立電池子單元組的燃料電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于燃料電池技術領域，特別涉及獨立反應區(qū)域的燃料電池。
背景技術：
燃料電池通常由多個電池單元構成，每個電池單元包括兩個電極(雙極板)，該兩 個電極被電解質元件隔開，并且彼此串聯(lián)地組裝，形成燃料電池堆。通過給每個電極供給適 當?shù)姆磻铮唇o一個電極供給燃料而另一個供給氧化劑，實現(xiàn)電化學反應，從而在電極之 間形成電位差，并且因此產(chǎn)生電能。為提高滿足較大功率輸出的需要，通常采用增大每個電池單元的膜電極組件 (MEA)中反應區(qū)域(催化劑層)面積的方式實現(xiàn)。如圖1所示，圖1中質子交換模1的兩面 (圖1中只示出一側的正面)均設有催化劑層2，反應物從通道4中進入雙極板的流道，流 道中釋放反應物在膜電極組件(MEA)的催化劑層2上發(fā)生電化學反應。與之前的技術相比，雖然目前雙極板的流道設計已經(jīng)有了相當?shù)倪M步，但是隨著 膜電極組件(MEA)中反應區(qū)域面積的增加，在電化學反應過程中，雙極板上的流道不并能 保證其能夠均勻地輸送反應物。如圖1所示的膜電極組件(MEA)中，針對整個電池設定的流 道區(qū)域，從進口到出口，或者說，在不同的局部區(qū)域內，氣流分配是不均勻的。另外在這些總 體或局部的區(qū)域里，燃料和氧化劑的濃度也是不均勻的，在工作狀態(tài)下，反應物的供給的波 動所產(chǎn)生的電瞬態(tài)效應，其電壓V與縱向的同一個流道長度L的關系如圖2所示。在長度 L為的同一個流道中，在流道兩端可能產(chǎn)生較大的電壓差AV ；同理，在膜電極組件(MEA)反 應區(qū)域的橫向上也可能產(chǎn)生這種較大電壓差的現(xiàn)象，并且在流道之間也可能存在因反應物 不均勻釋放產(chǎn)生電壓差的現(xiàn)象，導致每個電池單元內部產(chǎn)生較大的橫向(Inplane)電流， 造成模電極的電化學腐蝕，這將極大地縮減燃料電池的使用壽命。并且反應物供給量大的 區(qū)域受限于反應物供給量小的區(qū)域，這種關聯(lián)效應還會導致反應物供給量大的區(qū)域輸出電 壓被拉低，影響燃料電池的輸出功率。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種包括多個獨立電池子單元組的燃料電池，以解決現(xiàn)有 燃料電池的每個電池單元易產(chǎn)生橫向電流導致燃料電池的腐蝕的技術問題。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案一種包括多個獨立電池子單元組的燃料電池，包括多個燃料電池單元，每個所述 燃料電池單元包括雙極板和位于所述雙極板之間的膜電極組件，所述膜電極組件包括質子 交換模和位于該質子交換模兩側的催化劑層，所述質子交換模兩側均對稱設有相互獨立的 催化劑層；對應于每個所述催化劑層的位置處設有一透氣層；所述雙極板包括非電化學反應區(qū)域和多個電化學反應區(qū)域，所述電化學反應區(qū)域 與所述催化劑層的位置相對應，所述電化學反應區(qū)域和非電化學反應區(qū)域拼接連接，所述非電化學反應區(qū)域的材料為非導電材料；每個所述燃料電池單元的催化劑層的位置相同，同一催化劑層位置處的質子交換 模、催化劑層、透氣層和雙極板成一個燃料電池子單元，多個所述燃料電池單元相同位置處 的燃料電池子單元串聯(lián)連接構成燃料電池子單元組，每個所述燃料電池子單元組與一二極 管串聯(lián)后并聯(lián)。與現(xiàn)有的盡可能使反應物在整個反應區(qū)域分配均勻的單個燃料電池堆的設 計理念不同的是，本發(fā)明采用將整體燃料電池分割成多個獨立燃料電池子單元組，消除了 反應區(qū)域之間的關聯(lián)性，分割并減小了可能出現(xiàn)的電壓差的幅度，減少了電化學腐蝕現(xiàn)象 的發(fā)生，最大限度地發(fā)揮了自個獨立燃料電池子單元乃至整個燃料電池的效能。進一步地，所述質子交換模的兩側橫向對稱設有多個相互分隔的催化劑層。進一步地，所述質子交換模的兩側縱向對稱設有多個相互分隔的催化劑層。進一步地，同一個所述燃料電池單元內的所述催化劑層之間的間隙和透氣層之間 的間隙處設有絕緣的填充物。進一步地，所述填充物與所述非電化學反應區(qū)域為一體結構。本發(fā)明將燃料電池的模電極組件中的催化劑層設計成多個獨立的區(qū)域，并進一步 地將透氣層、雙板等等相應地分開設計，這樣可以有效地避免分別在催化劑層、透氣層以及 雙極板上產(chǎn)生較大的橫向電流，大大延緩了燃料電池的腐蝕現(xiàn)象，提高了燃料電池的壽命。 并且通過增加的二極管，有效避免了因電壓差而在燃料電池子單元組之間有害電流的產(chǎn) 生，進一步提高了燃料電池的壽命，最大限度地發(fā)揮了自個獨立燃料電池子單元乃至整個 燃料電池的效能。以下結合附圖及實施例進一步說明本發(fā)明。
圖1為現(xiàn)有燃料電池的膜電極組件的結構示意圖；圖2為現(xiàn)有燃料電池的膜電極組件在同一個流道長度L上的電壓V關系圖；圖3為本發(fā)明包括多個獨立電池子單元組的燃料電池實施例中的膜電極組件的 結構示意圖；圖4是本發(fā)明包括多個獨立電池子單元組的燃料電池實施例中的雙極板的結構 示意圖；圖5為本發(fā)明包括多個獨立電池子單元組的燃料電池實施例中在圖3膜電極組件 A-A處的剖視圖；圖6為本發(fā)明包括多個獨立電池子單元組的燃料電池實施例中的膜電極組件在 同一個流道長度L上的電壓V關系圖；圖7為本發(fā)明包括多個獨立電池子單元組的燃料電池實施例結構示意圖。
具體實施例方式如圖5所示，一種包括多個獨立電池子單元組的燃料電池，包括多個燃料電池單 元，所述燃料電池單元包括雙極板10和位于所述雙極板10之間的膜電極組件20，所述膜電 極組件20包括質子交換模22和位于該質子交換模兩側的催化劑層21，其中，所述質子交換 模22兩側的催化劑層21為多個相互獨立的催化劑層21。即催化劑層21相互分開設計，與現(xiàn)有的催化劑層2為一整張的設計相區(qū)別，避免在催化劑層21上產(chǎn)生較大的橫向電流。其中，所述質子交換模22兩側的催化劑層21對稱設置。其中，對應于每個所述催化劑層21的位置處設有一透氣層24。即透氣層24也采 用催化劑層21的這種分開設計的方式。這樣同樣可以避免在透氣層24上產(chǎn)生較大的橫向 電流。其中，所述雙極板10包括非電化學反應區(qū)域12和多個電化學反應區(qū)域11，所述電化學反應區(qū)域11與所述催化劑層21的位置相對應，所述電化學反應區(qū)域11和非電化學反 應區(qū)域12拼接連接。其中，所述非電化學反應區(qū)域12的材料為非導電材料。其中，如圖5所示，每個所述燃料電池單元的催化劑層21的位置相同，同一催化劑 層21位置處的質子交換模22、催化劑層21、透氣層24和雙極板10構成一個燃料電池子 單元，多個所述燃料電池單元相同位置處的燃料電池子單元串聯(lián)連接構成燃料電池子單元 組，每個所述燃料電池子單元組與一二極管串聯(lián)后并聯(lián)，如圖7所示。同一個燃料電池單元 中各個燃料電池子單元相互獨立，各個子單元之間不會產(chǎn)生橫向電流，并且各個燃料電池 子單元組單元之間也不會因電壓的差異而產(chǎn)生電流，因此可有效地提高燃料電池的使用壽 命。這樣，在同一個所述燃料電池單元上即使由于流道提供的反應物氣流不均勻，而 產(chǎn)生瞬態(tài)效應，也不會產(chǎn)生較大的電壓差。如圖6所示，在膜電極組件20縱向的同一個流 道中，由于反應物氣流分配的不均勻，而產(chǎn)生瞬態(tài)效應，其電壓V與縱向的同一個流道長度 L的關系。在長度L為的同一個流道中，通過將催化劑層21設計成多個獨立的區(qū)域，在流 場條件不變的情況下，其在流道兩端可能產(chǎn)生電壓差△ V只有現(xiàn)有模電極組件的幾分之一 (具體數(shù)值取決于縱向同一流道上催化劑層21的個數(shù))，這大大減小了流場中電壓或電流 的變化幅度。同理，在反應區(qū)域21的橫向上產(chǎn)生電壓差也只有現(xiàn)有MEA的幾分之一(具體 數(shù)值取決于橫向同一流道上催化劑層21的個數(shù))，這也大大減小了每個燃料電池單元內部 產(chǎn)生橫向電流，并且將產(chǎn)生的微小橫向電流限制在分的單個的燃料電池子單元內，避免了 整個燃料電池的腐蝕，極大地提高燃料電池的使用壽命。圖3中，通道接口 14與對應雙極 板10上的通道14(圖4所示)連通。其中，所述催化劑層21的數(shù)量可以需求靈活設計，如從2個到200個，其排布方式 也可以有多種。較好的設計方式是盡可能均勻分布，在不影響性能的前提下，盡可能提高膜 電極組件的利用率。如，在所述質子交換模22的兩側橫向對稱設有多個相互分隔的催化劑 層21，和/或在所述質子交換模22的兩側縱向對稱設有多個相互分隔的催化劑層21。本實施例中是以四個催化劑層21進行說明的，應當理解的是，該實施例并不構成 對本發(fā)明的限制。圖5為組裝成燃料電池在圖3所示的模電極組件A-A處的剖視圖。其中，所述同 一個燃料電池單元內的所述催化劑層21之間的間隙和透氣層24之間的間隙處設有絕緣的 填充物120。該填充物120用于填充該部分空隙并使催化劑層21之間絕緣交流并且透氣層 24之間絕緣。該填充物120也可以是所述雙極板10的非電化學反應區(qū)域12的一部分，即 該填充物120與所述非電化學反應區(qū)域12為一體結構。這樣可以簡化燃料電池的加工和 組裝。其中，所述雙極板10的電化學反應區(qū)域1是指供給燃料和氧化劑發(fā)生反應的區(qū)域，而非電化學反應區(qū)域12是指不發(fā)生電化學反應的區(qū)域。該非電化學反應區(qū)域12用于 支撐所述電化學反應區(qū)域11，承受外界的作用力。通過將雙極板的電化學反應區(qū)域11和 非電化學反應區(qū)域12分開設計，可有效降低設計難度。例如，所述電化學反應區(qū)域11的雙 極板材料可采用滿足燃料電池雙極板的材料制成，如采用碳板、金屬板等。而所述非電化學 反應區(qū)域12的雙極板材料可采用具有一定強度和耐熱性能的廉價易于加工成型的材料制 成，組裝時電化學反應區(qū)域1拼接連接在該非電化學反應區(qū)域12中即可。其中，所述非電化學反應區(qū)域12的材料為絕緣材料。例如ABS(由苯乙烯-丁二烯-丙烯腈為基的三元共聚體)、PVC(聚氯乙烯材料)等材料。該非電化學反應區(qū)域12可 以一體結構，也可以是由多塊拼接而成?，F(xiàn)有燃料電池的雙極板中反應區(qū)域和其周邊的非 反應區(qū)域均為同一種導電材料，這使得反應產(chǎn)生的部分電流從其周邊的非反應區(qū)域通過， 形成渦流，造成電流的梯度偏差，導致電流損耗現(xiàn)象的發(fā)生，這種有害的電流現(xiàn)象容易造成 燃料電池堆使用壽命的縮減。本發(fā)明通過將雙極板的電化學反應區(qū)域11和非電化學反應 區(qū)域12分開設計，并采用絕緣材料制作所述非電化學反應區(qū)域12，這樣可使電流均勻地從 電化學反應區(qū)域12中通過，避免了渦流的產(chǎn)生，提高了燃料電池的使用壽命。并且，由于所 述非電化學反應區(qū)域12為絕緣材料制成，這種連接方式可進一步避免橫向電流的發(fā)生。其中，所述電化學反應區(qū)域11位于中部，所述非電化學反應區(qū)域12位于所述電化 學反應區(qū)域11周邊。其中，所述非電化學反應區(qū)域12設有的與所述電化學反應區(qū)域12的流道相通的 反應物輸送通道14可采用現(xiàn)有雙極板的多種相關技術實現(xiàn)，在此省略對該部分的詳細描 述。其中，所述電化學反應區(qū)域1與所述非電化學反應區(qū)域2的拼接可采用多種方式 實現(xiàn)，如粘接、熱壓、擠壓后拼接，或者將相拼接的部分設為一定形狀，如臺階形，鋸齒形、凹 槽、凸起以及通過環(huán)狀密封條密封拼接等多種方式實現(xiàn)。以上所述的實施例僅用于說明本發(fā)明的技術思想及特點，其目的在于使本領域內 的技術人員能夠了解本發(fā)明的內容并據(jù)以實施，不能僅以本實施例來限定本發(fā)明的專利范 圍，即凡依本發(fā)明所揭示的精神所作的同等變化或修飾，仍落在本發(fā)明的專利范圍內。
權利要求
一種包括多個獨立電池子單元組的燃料電池，包括多個燃料電池單元，每個所述燃料電池單元包括雙極板和位于所述雙極板之間的膜電極組件，所述膜電極組件包括質子交換模和位于該質子交換模兩側的催化劑層，其特征在于所述質子交換模兩側均對稱設有相互獨立的催化劑層；對應于每個所述催化劑層的位置處設有一透氣層；所述雙極板包括非電化學反應區(qū)域和多個電化學反應區(qū)域，所述電化學反應區(qū)域與所述催化劑層的位置相對應，所述電化學反應區(qū)域和非電化學反應區(qū)域拼接連接，所述非電化學反應區(qū)域的材料為非導電材料；每個所述燃料電池單元的催化劑層的位置相同，同一催化劑層位置處的質子交換模、催化劑層、透氣層和雙極板成一個燃料電池子單元，多個所述燃料電池單元相同位置處的燃料電池子單元串聯(lián)連接構成燃料電池子單元組，每個所述燃料電池子單元組與一二極管串聯(lián)后并聯(lián)。
2.根據(jù)權利要求1所述的包括多個獨立電池子單元組的燃料電池，其特征在于所述質子交換模的兩側橫向對稱設有多個相互分隔的催化劑層。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的包括多個獨立電池子單元組的燃料電池，其特征在于所述質子交換模的兩側縱向對稱設有多個相互分隔的催化劑層。
4.根據(jù)權利要求3所述的包括多個獨立電池子單元組的燃料電池，其特征在于同一個所述燃料電池單元內的所述催化劑層之間的間隙和透氣層之間的間隙處設有 絕緣的填充物。
5.根據(jù)權利要求4所述的包括多個獨立電池子單元組的燃料電池，其特征在于所述填充物與所述非電化學反應區(qū)域為一體結構。
全文摘要
包括多個獨立電池子單元組的燃料電池，包括多個燃料電池單元，每個所述燃料電池單元包括雙極板和膜電極組件，所述膜電極組件包括質子交換模和位于該質子交換模兩側的催化劑層，所述質子交換模兩側均對稱設有相互獨立的催化劑層；同一催化劑層位置處的質子交換模、催化劑層、透氣層和雙極板成一個燃料電池子單元，多個所述燃料電池單元相同位置處的燃料電池子單元串聯(lián)連接構成燃料電池子單元組，每個所述燃料電池子單元組與一二極管串聯(lián)后并聯(lián)。本發(fā)明采用將整體燃料電池分割成多個獨立燃料電池子單元組，消除了反應區(qū)域之間的關聯(lián)性，分割并減小了可能出現(xiàn)的電壓差的幅度，減少了電化學腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。
文檔編號H01M8/10GK101807708SQ201010154610
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月30日 優(yōu)先權日2010年3月30日
發(fā)明者高勇 申請人:上海恒勁動力科技有限公司