CN1319261A - 具有层叠结构分隔件的燃料电池堆叠物 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池堆叠物,它包括多个单元电池一个叠放在另一个上。每个单元电池包括电解质,一对放置在电解质两面且分别具有催化剂反应层的电极,一对具有各自向一个电极提供燃料气体的装置、向另一个电极提供氧化剂气体的装置的分隔件。该分隔件是由气密的导电板A和另一块导电板B层叠制成的,该导电板B具有至少一根从板的一边连续曲折地通到另一边的槽。本发明的技术用简单的方法组装即可得到紧密的燃料电池堆叠物。

Description

具有层叠结构分隔件的燃料电池堆叠物
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，尤其是聚合物电解质燃料电池，用于便携式电源、电动车辆电源和家用废热发电系统。
背景技术
燃料电池，尤其是聚合物电解质燃料电池，使燃料气体(如氢气)和氧化剂气体(如空气)在气体扩散电极处进行电化学反应，由此同时产生电能和热。
常规聚合物电解质燃料电池的结构如下。
图2是常规聚合物电解质燃料电池中的膜电极组件(membrane electrodeassembly，下文称为MEA)的剖面示意图。一对主要由炭粉和铂催化剂组成的催化剂反应层12紧密地附着在聚合物电解质膜11的两面上。一对具有透气性和导电性的扩散层13进一步放在所述该对催化剂反应层12各自的外表面上。聚合物电解质膜11、一对催化剂反应层12和一对扩散层13组成MEA14。
在MEA14的两个表面上放置一对导电性的分隔件15，使得多个MEA14可以互相串联。在分隔件15和MEA14之间形成气体流动通道15a，以便向电极提供燃料气体(如氢气)和氧化剂气体，同时使电化学反应产生的气体和残留的未反应燃料气体流出。气体流动通道可以独立于分隔件之外，但通常是在分隔件15的表面上形成一些槽用作气体流动通道15a。分隔件15的常规例子是从高温高压下烧结制得的玻璃化炭黑切割得到的一块板材。
在分隔件15的另一个表面上具有冷却用的流动通道，用以循环冷却水从而保持燃料电池的温度。冷却水的循环使得反应产生的热能得以利用，例如以热水的形式利用。
在聚合物电解质膜11两边环绕MEA14，放置着气密封垫和密封圈，为的是防止气体泄漏，或防止气体互相混合，同时防止冷却水泄漏。还可以在MEA周围放置由树脂或金属板组成的、具有与MEA大致相同厚度的密封垫，密封垫与分隔件之间的间隙可以用脂膏或粘合剂进行密封。
在大多数情况下，许多个单元电池可放置得构成堆叠结构的燃料电池组。每隔一个或两个单元电池，放置一块冷却板对燃料电池进行冷却。冷却板通常是其中有冷却水流动的金属薄板。另一个可能的结构是使分隔件本身可用作冷却板。在这种情况下，在每个单元电池中的分隔件背面形成水的通道。在该结构中也需要密封圈和密封垫来密封冷却水。密封用的密封圈应完全地压平或使其变平，以确保冷却板之间有足够的导电性。
在燃料电池堆叠物中，常规的放置方式是具有内部总管(manifold)，其中有进出各单元电池的气体和冷却水的供应入口和排出口位于电池内部。然而，在将重整气体用作燃料气体的情况下，各单元电池中燃料气体流动通道的下游区中CO浓度升高。这会导致电极由于CO而中毒，使得温度下降，从而又加速了电极的中毒。为了减轻电池性能的恶化，可以指出采用一种外部总管是较好的结构，它可增加总管和各单元电池之间供气和排气的长度。
无论是内部总管还是外部总管，当将具有气密性的密致碳板或玻璃化炭黑板用作分隔件的材料时，气体流动通道应通过切割工艺来形成。然而，采用切割工艺会阻碍燃料电池生产成本低的批量生产，这是不希望的。
碳板通常是多孔的，因此气密性很差。所以，通常将用树脂浸渍过的碳板用作燃料电池的分隔件。然而，经固化的树脂几乎没有弹性，以致这种用树脂浸渍的碳板在形成气体流动通道的切割工艺之后会产生翘曲现象。因此，要求在碳板用树脂浸渍之后再形成气体流动通道。当酚树脂或有机硅树脂用作浸渍材料时，分隔件的耐酸性又不够。
另一种方法是将炭粉或金属粉与树脂混合，通过压塑或注塑制造分隔件。在这种情况下，所用树脂应具有足够的耐酸性。当如聚四氟乙烯这样的硬质材料用作分隔材料时，模塑得到的分隔件不具有足够的流动性。
当用作浸渍剂的树脂流动性差时，要求降低树脂的用量。这样，模塑得到的分隔件中需要气密性的特定部分应再次用树脂浸渍。
发明概述
本发明的目的是提供一种用简单方法制造的紧密的燃料电池堆叠物。
上述目的和其它相关目的，至少有一部分是通过包括多个单元电池的燃料电池堆叠物来实现的。每个单元电池包括聚合物电解质膜，一对放置在聚合物电解质膜两面且分别具有催化剂反应层的电极，一对分隔件，其中一个分隔件具有向一个电极提供燃料气体的装置，另一个分隔件具有向另一个电极提供氧化剂气体的装置。分隔件具有层叠结构，包括一块气密的导电板A和另一块具有至少一根从板的一边连续曲折地通到另一边的槽的导电板B。
根据本发明的一种较佳的应用，层叠结构包括至少一块气密的导电板A和至少两块导电板B，气密的导电板A位于燃料电池堆叠物的两个最外层。
在本发明的一个较佳实施方案中，在导电板B的一个平面上所述槽的一端对外不敞开，燃料电池堆叠物具有内部总管，可使气体进出每个单元电池。
在本发明的另一个较佳实施方案中，在导电板B的一个平面上所述槽的一端对外敞开，燃料电池堆叠物在其侧面上装有外部总管，可使气体进出每个单元电池。
在本发明的另一个较佳实施方案中，导电板B具有由所述槽的一端形成的凸出部，燃料电池堆叠物在其侧面上装有外部总管，可使气体进出每个单元电池。
在此结构中，较好的是凸出部位于外部总管的内部。
较好的是，电解质为质子导电性的聚合物电解质。
较好的还有，燃料电池堆叠物中分隔件的侧面用气密材料进行密封。
较好的是，燃料电池堆叠物中分隔件的层叠表面用气密材料进行密封。
较好的还有，导电板B是冲压的金属板。
附图的简要说明
图1是本发明聚合物电解质燃料电池中MEA的剖面示意图。
图2是常规的聚合物电解质燃料电池中MEA的剖面示意图。
图3是本发明分隔件中所用导电板的透视示意图，所述导电板具有至少一根从导电板的一边连续曲折地通到另一边的槽。
图4是本发明分隔件中所用另一种导电板的透视示意图，所述导电板具有一根槽。
图5是本发明一个实施方案的外部总管型燃料电池堆叠物的透视示意图。
图6是本发明用于外部总管构型的分隔件的导电板的透视示意图，所述导电板具有一根槽。
图7是本发明用于外部总管构型的分隔件的另一种导电板的透视示意图，所述导电板具有一根槽。
实施发明的最佳方式
本发明提供一种燃料电池堆叠物，它包括多个单元电池，每个单元电池包括聚合物电解质膜、一对放置在聚合物电解质膜两边且分别具有催化剂反应层的电极，一对分隔件，其中一个分隔件具有向一个电极提供燃料气体的装置，另一个分隔件具有向另一个电极提供氧化剂气体的装置。分隔件具有层叠结构，包含气密的导电板A和另一块导电板B，该导电板B具有至少一根从板的一边连续曲折地通到另一边的槽。
本发明的特征是具体的放置方式，即分隔件具有由一块气密的导电板A和另一块导电板B组成的层叠结构，所述导电板B具有至少一根从板的一边连续曲折地通到另一边的槽。也就是说，本发明的分隔件主要包括两块不同的导电板。一块是具有气密性的导电平板A，另一块是导电板B，该导电板B具有至少一根从导电板B的一边连续蜿蜒曲折地通到另一边的槽。换句话说槽是蛇形的。
导电板A和B可由不锈钢、金属(如铝)、玻璃状炭黑或导电性树脂组成。导电板A是没有孔隙、洞或沟槽，因此是气密性很好的平板。
为了构成一个单元电池，将一对分隔件(每个分隔件包括至少一块导电板A和至少一块导电板B)放在MEA的两面上。具体来说，一块导电板A和两块放置在导电板A两面的导电板B的层叠物位于单元电池中两个相邻的MEA中间。包括导电板A和导电板B的层叠物放在燃料电池堆叠物或单元电池的两个最外层上。
以下说明导电板B，它是本发明最重要的特征。
参考图3和图4说明用于内部总管型燃料电池堆叠物的导电板B。
图3是导电板B的透视示意图，导电板B具有至少一根从导电板的一边连续曲折地通到另一边的槽。图3所示的导电板B用来使本发明燃料电池堆叠物的分隔件中气体得以流动。
参见图3，导电板B26具有两个槽31，这两个槽从导电板B26的一纵向边连续曲折地通到其另一纵向边。槽31是燃料气体或氧化剂气体的流动通道。
该导电板B是用于内部总管型燃料电池堆叠物的，在该导电板上形成有气体总管通孔32和冷却水总管通孔33。槽31的两端位于导电板B的对角上，对外不敞开，用以形成配合为气体总管的通孔34。另一方面，在外部总管型燃料电池堆叠物的情况下，导电板B不具有这些总管通孔，具有两端都对外敞开的槽，下文会加以说明。
图3所示的槽31具有两个弯道35，但弯道数可按需要变化。
图4示出了导电板B的另一个例子，该导电板B使分隔件中的冷却水得以流动。
在图4所示的导电板B40中，从导电板B40的一边连续弯曲地通到另一边的槽具有端部41，端部41大致位于导电板B40两边的中间。导电板B40也具有气体总管通孔42和冷却水总管通孔43。
在图4所示的例子中，槽具有6个弯道44，用来提高冷却效果，但弯道数可按需要变化。
以下参考图6和图7，说明用于图5所示的外部总管型燃料电池堆叠物的导电板B。
图6所示的导电板B具有从导电板B的一边连续曲折地通到另一边的槽60。与图3和图4所示的导电板B不同，图6所示的导电板B没有用于气体流动和冷却水流动的总管通孔。
在图6所示的导电板B中，槽60对导电板B的外界敞开，是由两块板62a和62b拼合构成的。冲压成梳状的两块板62a和62b结合在一起就形成槽60。
图7所示的导电板B72解决了图6所示的导电板B的问题，即导电板B被分隔成两个部分。槽70具有一端71，它是位于导电板B72外面的凸出部71，不对外敞开。这种结构避免了导电板B被隔成两个部分，有助于燃料电池堆叠物的组装。
在外部总管型的燃料电池堆叠物中，较好的是用于各单元电池进气和排气的外部总管位于燃料电池堆叠物的侧面。在图7所示的导电板B72的情况下，槽70的末端71较好是位于外部总管内部。这将有利地使燃料电池堆叠物更为紧密。
本发明分隔件中所包含的导电板B是从上述金属板上冲压下来的。
较好的是，包括导电板B的分隔层叠物具有用气密性材料密封的侧面和/或层叠面。
以下给出了本发明的一些例子，尽管本发明根本不限于这些例子。
实施例1
将粒径不大于数微米的炭粉浸入氯铂酸的水溶液中。通过水溶液的还原作用铂颗粒负载在炭粉表面上。碳与其上所负载的铂的重量比为1∶1。然后，将载有铂催化剂的炭粉分散在聚合物电解质的醇溶液中，得到浆液。
另一方面，将厚400微米的炭纸(作为电极的支承材料)用氟碳树脂(DAIKININDUSTRIES,LTD.制造的Neoflon ND-1)的水分散液浸渍。干燥后，将经浸渍的炭纸于400℃加热30分钟，以使炭纸具有拒水性。
参见图1，将含有炭粉的浆液均匀地施加在拒水性炭纸21的一面上，形成厚20微米的催化剂层22，得到电极23。
将一对具有催化剂层22的炭纸电极23放置在厚25微米的聚合物电解质膜24的两面，使得电极23的相应催化剂层22与聚合物电解质膜24接触，然后干燥得到MEA25。聚合物电解质膜24是由全氟化碳磺酸酯聚合物组成的质子导电性的聚合物电解质。将构成分隔件的一对导电板B26分别放置在MEA25的两面，而构成分隔件的一对导电板A27放置在导电板B26的两个外表面上。这样完成了一个单元电池。
导电板B26包含厚度为1毫米的SUS316。如图3所示，在导电板B26的表面上用激光加工形成供气体流动用的宽2毫米的槽31。该导电板B26还具有位于其周边上的气体总管通孔32和冷却水总管通孔33。将MEA25插入一对导电板B26之间时，将外尺寸与导电板B26相同的密封垫环绕电极23放置。这些密封垫是将一对乙烯-丙烯-二烯三元共聚物板粘合在一块聚对苯二甲酸乙二醇酯板的两面上而获得的。
在两个所述单元电池层叠之后，将一对导电板B40(具有用于构成冷却水流体通道的槽)如图4所示，放置在经层叠的单元电池的两个外表面。这样就完成一个单元电池层叠物。
燃料电池堆叠物如下组装，将50个单元电池层叠物(每个层叠物包括两个单元电池)一个叠放在另一个上，然后在电池层叠物的两面上依次放置一对金属集电器、一对绝缘板和一对端板。端板用穿过电池层叠物的螺栓和螺母来固定。这样就完成了包括100个单元电池的燃料电池堆叠物。
[评定]
当氢气和空气流入燃料电池堆叠物，并且冷却水在其中循环时，进行电池试验。在氢气利用率为70％、氧气利用率为20％、加湿的氢气鼓泡器温度为85℃、加湿的氧气鼓泡器温度为75℃和电池温度为75℃的条件下，电池的输出功率测得为1020W(30A-35V)。
如上所述，实施例1中将邻接的单元电池互相隔开的分隔件都包括气密的导电板A和具有用于流体流动的槽的导电板B。与常规的碳分隔件相比，这一安装方式能有利地降低分隔件的厚度，从而降低生产成本。
实施例2
在实施例2中，按实施例1相同的方法制造共有100个单元电池的燃料电池堆叠物，用气密性橡胶密封其侧面。此处所用的气密性橡胶是酚树脂。将酚树脂溶液涂覆在燃料电池堆叠物的侧面上，干燥后就密封了燃料电池堆叠物的侧面。
[评定]
在与实施例1相同的条件下对如此得到的燃料电池堆叠物进行电池组试验。测得燃料电池堆叠物的输出功率为1080W(30A-36V)。
还进行该燃料电池堆叠物的渗漏试验。在该试验中，将冷却水的出口封住，从冷却水的入口施加水压。在1千克力/厘米2(kgf/cm2)的水压下未发现水渗漏。这证明了足够的密封能力。由此结果可以证实，燃料电池堆叠物侧面进行密封的这个方式能极有效地提高燃料电池堆叠物的密封效果。
实施例2的方法是将密封用的橡胶施加到燃料电池堆叠物的侧面上，所述燃料电池堆叠物是先前通过叠放多个单元电池并将电池堆叠物与端板固定在一起而得到的。与在单元电池一个叠放到另一个上时将密封用橡胶铺到每个单元电池侧面上的常规方法相比，实施例2的方法明显减少了制造步骤。
实施例3
在实施例3中，如图5所示，由按实施例1制造的那些单元电池组装成外部总管型燃料电池堆叠物。
先从按实施例1制造的单元电池上切去对应于内部总管的那些部分，使气体和冷却水的入口和出口露在单元电池的侧面。
将用作密封用橡胶的酚树脂涂在燃料电池堆叠物的侧面上，然后干燥密封好燃料电池堆叠物的侧面。在此实施例中，气体和冷却水的入口和出口通道未被密封用橡胶密封。要小心地涂覆酚树脂溶液以得到平整的将与外部总管连接的密封表面。
如图5所示，将不锈钢的外部总管51装在单元电池8的侧面，覆盖住一系列外露空气入口。用类似方式装上外部总管覆盖住空气的出口、氢气的入口和出口、以及冷却水的入口和出口。这些外部总管用端板的螺丝固定。
将一块具有密闭孔的乙烯-丙烯-二烯三元共聚物片材切割成对应于外部总管密封表面的预定形状，得到密封垫。将该密封垫用来密封外部总管和覆盖电池层叠物侧面的密封材料之间的间隙。
[评定]
在与实施例1相同的条件下对如此得到的燃料电池堆叠物进行电池组试验。测得电池堆叠物的输出功率为1080W(30A-36V)。用漏气试验检查外部总管的密封。未观察到泄漏，这证明密封效果良好。
如上所述，将密封用橡胶涂在聚合物电解质燃料电池的整个外侧面，就使得能够采用外部总管结构，通常用于熔融碳酸盐燃料电池。
实施例3的结构方式使得总管和电池能够分开制造。这使得具有相同形状的分隔件和MEA的单元电池能够批量生产，而不论用途和输出功率如何。这就有利地降低了生产成本。
实施例4
实施例4的方法是采用图6所示用于分隔件的具有气体和冷却水流动通道的导电板B，通过叠放按实施例3制造的单元电池来组装外部总管型燃料电池堆叠物。
[评定]
在与实施例1相同的条件下对如此得到的燃料电池堆叠物进行电池组试验。测得电池堆叠物的输出功率为1080W(30A-36V)。
用于分隔件的导电板B具有在其厚度方向上贯通的槽。该贯通的槽从导电板B的一边连续曲折地通到另一边，有利地减少了制造成本。
实施例5
实施例5的方法是采用图7所示用于分隔件的具有气体和冷却水流动通道的导电板B，通过叠放按实施例4制造的单元电池来组装外部总管型燃料电池堆叠物。
[评定]
在与实施例1相同的条件下对燃料电池堆叠物进行电池组试验。测得电池堆叠物的输出功率为1080W(30A-36V)。
实施例4的导电板B是用两块分开的部件制得的，因此组装时需要费一些时间。而实施例5的导电板B仅为一个部件，因此改进了组装性能。在实施例5的分隔件中，槽的两端延伸到导电板B的轮廓外面。然而这种结构不会阻碍外部总管毫无困难地与电池连接。
具有图7所示形状的导电板B是通过蚀刻和压制法制得的。这种导电板在电池组试验中得到大致相同的结果。
实用性
如上所述，本发明的技术简化了燃料电池堆叠物的组装，提供了在外部总管和电池堆叠物的侧面之间气密性有所改进的燃料电池堆叠物。本发明的技术特别适合于聚合物电解质燃料电池堆叠物的制造。

Claims (10)

1．一种燃料电池堆叠物，它包括多个单元电池，每个所述单元电池包括聚合物电解质膜，一对放置在所述聚合物电解质膜两面且分别具有催化剂反应层的电极，一对分隔件，其中一个分隔件具有向一个所述电极提供燃料气体的装置，另一个分隔件具有向另一个所述电极提供氧化剂气体的装置，
所述分隔件具有层叠结构，包括气密的导电板A和另一块导电板B，该导电板B上具有至少一根从板的一边连续曲折地通到另一边的槽。
2．如权利要求1所述的燃料电池堆叠物，其特征在于所述层叠结构包括至少一块气密的导电板A和至少两块导电板B，所述气密的导电板A位于所述燃料电池堆叠物的两个最外层。
3．如权利要求2所述的燃料电池堆叠物，其特征在于所述槽在所述导电板B的一个平面上的一端对外不敞开，所述燃料电池堆叠物具有内部总管使气体进出每个所述单元电池。
4．如权利要求2所述的燃料电池堆叠物，其特征在于所述槽在所述导电板B的一个平面上的一端对外敞开，所述燃料电池堆叠物具有位于所述燃料电池堆叠物侧面的外部总管，使气体进出每个所述单元电池。
5．如权利要求2所述的燃料电池堆叠物，其特征在于所述导电板B具有由所述槽的一端形成的凸出部，所述燃料电池堆叠物具有位于所述燃料电池堆叠物侧面的外部总管，使气体进出每个所述单元电池。
6．如权利要求5所述的燃料电池堆叠物，其特征在于所述凸出部位于所述外部总管的内部。
7．如权利要求1所述的燃料电池堆叠物，其特征在于所述电解质是质子导电性的聚合物电解质。
8．如权利要求1所述的燃料电池堆叠物，其特征在于所述分隔件的侧面用气密材料进行密封。
9．如权利要求1所述的燃料电池堆叠物，其特征在于所述分隔件的层叠表面用气密材料进行密封。
10．如权利要求1所述的燃料电池堆叠物，其特征在于所述导电板B是冲压制成的金属板。
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