CN100395911C - 燃料电池极板 - Google Patents
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Abstract
燃料电池极板，在膜电极的两侧，各有一块双极板，用于电流收集、气体分布以及热管理；在双极板上，都刻有气体反应流道，并设有气体输入和排出通道，燃料电池外部反应气体通过气体输入通道，均匀分流到每个单电池的双极板，其特征是距离两块板的边缘3mm-10mm处，向下制作第一凹槽。第一凹槽的深度约0.2-3mm；凹槽内设有密封圈、密封垫或其它密封材料，将其置于第一凹槽上。氢气和氧气/空气反应板上，在距离所述的凹槽边缘约5-10mm处，向下制作第二凹槽，第二凹槽的深度和膜电极氢气和氧气/空气电极的厚度一致。
Description
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池及其双极板以及气体密封结构。
背景技术
燃料电池技术是将氢气和氧气在发生电化学反应时所产生的电能、热能和水予以利用的一种清洁的、可再生的能源技术。燃料电池根据电介质不同，可以分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池等。而质子交换膜燃料电池由于其功率密度大、工作温度低、电池结构简单、对压力变化不敏感等特点，已经在全球范围内得到了普遍的关注，其产品也逐渐进入市场。
质子交换膜燃料电池的电解质为质子交换膜，目前广泛使用的是杜邦公司生产的Nafion系列全氟磺酸膜。膜的作用是双重的，作为电解质提供氢离子通道，作为隔膜隔离两极反应气体。优化膜的离子和水传输性能及适当的水管理，是保证电池性能的关键。在隔膜的两侧，各有一层催化剂层。催化剂主要是由Pt/C组成，在催化层中再加入Nafion溶液，以增加质子传导性能以及催化层与电解质的接触性能。催化层是燃料电池气体区域。在催化层的两侧，各有一层气体扩散层，主要作用是作为催化层的支撑体、电池内部的导电、气体在电极表面的分布、反应产物的排出等。目前，扩散层的材料主要是碳纸、碳布或者金属网。扩散层的孔隙率、疏水特性、厚度以及组分对燃料电池性能有很大的影响。扩散层的这几个变量都是互相关联地影响燃料电池的性能。孔隙率大有利于气体的扩散，可是过大则气体分布不均、容易发生堵水现象。一般来说疏水性高较好，可是过高就会使孔分布不均、加工成本过高。电解质膜、催化层和气体扩散层共同组成膜电极(MEA)。
在膜电极的两侧，各有一块双极板，其作用是电流收集和传送、气体分布以及热管理。目前主要用石墨为材料，但是其价格高、密度大，而且由于石墨的脆性，不能做得很薄，增加了电堆的重量和体积。所以各研究者也在寻求石墨的替代品，比如导电塑料、不锈钢等。在双极板上，都刻有气体流道，目的是使反应气体能够均匀分布于整个电极表面。气体流道的形状很多，比较常见的是蛇行流道(见美国专利号6099984)。在双极板上还必须有气体输入通道，燃料电池外部反应气体通过气体输入通道，均匀分流到每个单电池的双极板；电池反应结束后，剩余的尾气要从各自的单电池进入气体排出通道，再排到燃料电池外部而排放或者进行循环利用，再次通过气体输入通道进入双极板的流道而参与反应。
燃料电池反应氢气和氧气/空气在气体输入/输出通道中、以及在双极板上的反应区中都不能向电池/电堆外泄漏，所以在双极板上有各种形状的密封件，比如由硅橡胶或特富龙橡胶为材料的密封圈、密封垫，或者是各种耐腐蚀的密封胶。膜电极中，质子交换膜比电极有效面积大，一般每个边长大约10-20mm。在组装电池时，极板上的密封圈或密封垫、密封胶在质子交换膜边缘两侧，并将电池置于特定的平板压力机上，在一定的压力下，对电池进行安装。在实际压缩过程中，压力不能太小，否则密封圈、密封垫或密封胶起不到密封作用，同时也会影响膜电极的寿命。如果压力太大，不仅仅会加大密封圈、密封垫或密封胶的压缩变形，从而影响密封效果，而且还会损伤膜电极，使其透气性下降，从而降低燃料电池性能。所以，组装压力必需设定在一定的值，可是由于生产时膜电极的厚度误差、密封材料的厚度误差以及电池壳体的长度误差等，使得每次组装时其压力都不会一样，这样就降低了燃料电池组装工艺可靠性，并且加大了生产成本。
本发明就是提出一种新型板型结构，不仅能够具有密封作用，而且还免除了组装压力的不确定性，有利于燃料电池的批量生产。
发明内容
本发明的目的是：提出一种质子交换膜燃料电池的双极板以及气体密封结构。还包括双极板加工工艺方法，可以将膜电极组装压制在双极板里面，其压缩量直接由双极板的设计深度决定，而不是由难以控制的压力机的压力来决定。
本发明具体内容如下：燃料电池用极板，在膜电极的两侧，各有一块双极板，用于电流收集、气体分布以及热管理。在双极板上，都刻有气体反应流道，并设有气体输入和排出通道，燃料电池外部反应气体通过气体输入通道，均匀分流到每个单电池的双极板，经过气体流道后通过气体输出通道排放到燃料电池外部；在双极板上，都刻有散热流道，用于电池散热介质的传输。双极板的外侧均设有用于电池散热介质传输的散热板；氢气和氧气/空气反应板上，距离两块板的边缘3mm-10mm处，向下制作第一凹槽。第一凹槽的深度约0.2-3mm；凹槽内设有密封圈、密封垫或其它密封材料，将其置于第一凹槽上。
在所述的氢气和氧气/空气反应板上，在距离所述的凹槽边缘约5-10mm处，向下制作第二凹槽，第二凹槽的深度和膜电极氢气和氧气/空气电极的厚度一致。
制作一种密封圈、密封垫或其它密封材料，将其置于第一凹槽与所述的第二凹槽所形成的台阶上，从而形成密封层，控制密封材料的压缩量。
设计制作氢气、氧气/空气膜电极，将氢气、氧气/空气膜电极置于由所述的第二个凹槽中。由此可以控制膜电极的压缩量。
所述的氢气、氧气/空气反应板上，在其边缘处设计一种硬质密封材料(比如橡胶、特富龙、石墨等)。复合方法为胶粘、电镀或真空覆膜等，密封层的厚度为1-3mm。
所述的氢气、氧气/空气反应板上，距离其边缘约5mm-10mm处，向下制作一个凹槽，凹槽的深度和膜电极的厚度一致。
氢气散热板可以是石墨板、金属板或者尼龙板。
根据上述设计制作一种密封圈、密封垫或其它密封材料，将其置于由上述的第一个凹槽与第二个凹槽所形成的台阶上，从而形成密封层，控制密封材料的压缩量，保证反应气体不会串气和外漏。
附图说明
图1是由一个单电池组成的电堆的截面图。
图2是电堆的横向截面图，设计有2个凹槽。
图3是电堆的横向截面图，设计有1个凹槽。
图4是单电池的横向截面图。
图5是氢气散热板截面图。
图6是氢气反应板反应面图。
图7是氢气反应板截面图。
图8是氧气/空气反应板反应面。
氢气散热板1、用于散热介质的传输。氢气反应板2、膜电极氢气侧的密封材料3、膜电极4、膜电极氧气/空气侧的密封材料5、氧气/空气反应板6、氧气/空气散热板7、氧气/空气散热板的背面是散热流道8、氧气/空气的反应流道9、散热流道10，氢气的反应流道11、密封材料12、密封圈13、反应板凹槽14、16、20、21、22、23、第二凹槽15、17、硬质密封材料18、孔25。
具体实施方式
图1是电堆的横向截面图。图中，1是氢气散热板，也可以是端板，材料可以是金属、石墨或尼龙等。氢气散热板的背面是散热流道10，用于散热介质的传输。2是氢气反应板，可以是碳板或不锈钢等金属板，靠近膜电极一侧，11是氢气的反应流道。3是膜电极氢气侧的密封材料，可以是硅橡胶或特富龙材料的密封圈、密封垫或其它密封材料。4是膜电极。5是膜电极氧气/空气侧的密封材料。6是氧气/空气反应板，靠近膜电极一侧，9是氧气/空气的反应流道。7是氧气/空气散热板，也可以是端板，可以由不锈钢等金属板、石墨板或尼龙板组成。氧气/空气散热板的背面是散热流道8，用于散热介质的传输。
图2是电堆的横向截面图。1和7分别是氢气和氧气/空气散热板。2是氢气反应板。反应板的材料可以是金属、石墨等耐电化学腐蚀以及耐热腐蚀的材料。12是密封圈、密封垫或其它密封材料。在反应板2的反应面，加工了第一个凹槽14，深度可以是0.2-2mm，宽度可以是5-10mm。密封圈、密封垫或其它密封材料12放置在凹槽14上，用于膜电极氢气一侧的密封。密封圈12的厚度比凹槽14的深度小0.02-0.15mm，其宽度比凹槽的宽度小0.5-1.5mm。再在反应板2上设计第二个凹槽15，凹槽的深度为膜电极氢气电极的厚度加上膜厚度的一半(即h＝dH2+1/2dM)。在此情况下，在组装电池时，加在端板1和7两端的压力可以不需要控制，可以加到最大值，而无需担心膜电极会被压坏，同时还保证氢气的不泄漏。在凹槽15下面，设计氢气反应流道11。
同样，6是氧气/空气反应板。反应板的材料可以是金属、石墨等耐电化学腐蚀以及耐热腐蚀的材料。13是密封圈、密封垫或其它密封材料。在反应板6的反应面，加工了第一个凹槽16，深度可以是0.2-2mm，宽度可以是5-10mm。密封圈、密封垫或其它密封材料13放置在凹槽16上，用于膜电极氧气/空气一侧的密封。密封圈13的厚度比凹槽16的深度小0.02-0.15mm，其宽度比凹槽的宽度小0.5-1.5mm。再在反应板6上设计第二个凹槽17，凹槽的深度为膜电极氧气/空气电极的厚度加上膜厚度的一半(即h＝dO2+1/2dM)。在此情况下，在组装电池时，加在端板7的压力可以不需要控制，可以加到最大值，而无需担心膜电极会被压坏，同时还保证氧气/空气的不泄漏。在凹槽17下面，设计氧气/空气反应流道9。
图3是另一种设计方案。2是氢气反应板，其材料可以是金属、石墨等耐电化学腐蚀以及耐热腐蚀的材料。18是一种硬质密封材料(比如橡胶、特富龙、石墨等)，和氢气反应板2完全融合在一起。复合方法为胶粘、电镀或真空覆膜等。密封层18的厚度为1-3mm。在氢板2的反应面，加工一凹槽20，凹槽的深度为膜电极氢气电极的厚度(即h＝dH2)。在此情况下，在组装电池时，加在端板1的压力可以不需要控制，可以加到最大值，而无需担心膜电极会被压坏，同时还保证氢气的不泄漏。在凹槽20下面，设计氢气反应流道11。6是氧气/空气气反应板，其材料可以是金属、石墨等耐电化学腐蚀以及耐热腐蚀的材料。19和18一样，是一种硬质密封材料(比如橡胶、特富龙、石墨等)，和氧气/空气气反应板6完全融合在一起。复合方法为胶粘、电镀或真空覆膜等。密封层19的厚度为1-3mm。在氧板6的反应面，加工一凹槽21，凹槽的深度为膜电极氧气/空气电极的厚度(即h＝dO2)。在此情况下，在组装电池时，加在端板7的压力可以不需要控制，可以加到最大值，而无需担心膜电极会被压坏，同时还保证氧气/空气的不泄漏。在凹槽21下面，设计氧气/空气反应流道9。
图4是另一种设计方案。2是氢气反应板，其材料可以是金属、石墨等耐电化学腐蚀以及耐热腐蚀的材料。在氢板2的反应面，在膜电极4下方，加工一凹槽22，凹槽的深度为膜电极氢气电极的厚度(即h＝dH2)。在此情况下，在组装电池时，由于2和6都是硬质材料，如金属、石墨等，所以加在端板的压力不需要控制，可以加到最大值，而无需担心膜电极会被压坏，同时还保证氢气的不泄漏。在凹槽22下面，设计氢气反应流道11。同样，在氧气/空气一侧，加工凹槽23，深度为膜电极氧气/空气电极的厚度(即h＝dO2)。在凹槽23下面，设计氧气/空气反应流道9。
图5是氢气散热板的截面图。图中，10为散热流道，其形状和直径由散热介质的种类和流量决定。形状可以是直通式、蛇行或其它。散热介质可以是空气、水会或其它冷却液体。
图6是氢气反应板的反应面。面上设计有反应流道，流道形状可以是蛇行、直通型或其它，大小由氢气的流量和行程的压差决定。14是第一级凹槽，深度为0.2-2mm，宽度为5-10mm，此凹槽用于放置特制的密封材料。12是气体输入/输出通道。15是第二级凹槽，凹槽的深度为膜电极氢气电极的厚度加上膜厚度的一半(即h＝dH2+1/2dM)，其形状和膜电极的形状保持一致。
图7是氢气反应板的横向截面图。10是散热流道，11是反应流道。14和15分别是第一和第二级凹槽。
图8是氧气/空气反应板的反应面。面上设计有反应流道9，流道形状可以是蛇行、直通型或其它。大小由氧气/空气的流量和行程的压差决定。16是第一级凹槽，深度为0.2-2mm，宽度为5-10mm，此凹槽用于放置特制的密封材料。17是第二级凹槽，凹槽的深度为膜电极氢气电极的厚度加上膜厚度的一半(即h＝dH2+1/2dM)，其形状和膜电极的形状保持一致。
实施例：
设计制作氢气膜电极，将氢气膜电极置于由上述发明内容所述的第二个凹槽中。由此可以控制膜电极的压缩量。
于氧气/空气板反应流道的正面，距离氢气板边缘约5mm-10mm处，向下制作一个凹槽。凹槽的深度约0.2-2mm。在距离此凹槽边缘约5-10mm处，向下制作另一个凹槽，凹槽的深度和膜电极氢气电极的厚度一致。
根据氧气/空气板和氢气板的结构，设计制作一种密封圈、密封垫或其它密封材料，将其置于由上述的第一个凹槽与第二个凹槽所形成的台阶上，从而形成密封层，控制密封材料的压缩量，保证反应气体不会串气和外漏。
将氧气/空气膜电极置于第二个凹槽中。由此可以控制膜电极的压缩量。
Claims (3)
1.燃料电池极板，在膜电极的两侧，各有一块双极板，用于电流收集、气体分布以及热管理；在双极板上，都刻有气体反应流道，并设有气体输入和排出通道，燃料电池外部反应气体通过气体输入通道，均匀分流到每个单电池的双极板，其特征是距离两块板的边缘3mm-10mm处，向下制作第一凹槽，第一凹槽的深度0.2-3mm；凹槽内设有密封圈或密封垫，将其置于第一凹槽上；在氢气和氧气/空气反应板上，在距离所述的第一凹槽边缘的5-10mm处，向下制作第二凹槽，第二凹槽的深度和膜电极氢气和氧气/空气电极的厚度一致；所述的密封圈或密封垫置于第一凹槽与所述的第二凹槽所形成的台阶上，形成密封层，控制密封材料的压缩量。
2.根据权利要求1所述的燃料电池极板，其特征是所述的氢气和氧气/空气反应板上设有反应流道，形状是蛇行或直通型，流道大小由反应氢气的流量决定。
3.根据权利要求1所述的燃料电池极板，其特征是第二凹槽的深度为膜电极氢气或氧气/空气电极的厚度加上膜厚度的一半，凹槽形状和膜电极的形状保持一致。
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