CN1571201A - 一种改进型燃料电池堆组件及其制造方法 - Google Patents

一种改进型燃料电池堆组件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种改进型燃料电池堆组件及其制造方法，该组件包括导流极板或双极板、膜电极，所述的导流极板或双极板与膜电极通过胶接密封产生一个完整的组件；该方法包括粘结双极板、粘结组件等工艺步骤。与现有技术相比，本发明具有组装方便、密封性好等优点。

Description

一种改进型燃料电池堆组件及其制造方法
技术领域
本发明涉及燃料电池堆及其制造方法，尤其涉及一种改进型燃料电池堆组件及其制造方法。
背景技术
电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。
在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。
在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。
在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：
阳极反应：
阴极反应：
在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导流极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导流极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。
为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。
一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。
质子交换膜燃料电池可用作车、船等运载工具的动力系统，又可用作手提式、移动式、固定式的发电装置。
目前典型的质子交换膜燃料电池单电池一般由一张膜电极(MEA)与二块导流极板组成。膜电极一般均放在二块导电的极板中间，每块导电极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导电极板可以是金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导电极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流极板与阴极氧化剂的导流极板。这些导流极板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流极板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。
为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定的方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。
所以目前的燃料电池组装配技术一般都可以使燃料电池组拆分成许多块导流极板(或双极板)及膜电极(三合体MEA)。例如：Us Patent 5804326、Us Patent 6066409上面所描述的多种燃料电池堆每个重复单电池单元都由导流极板(或双极板)及膜电极(三合体MEA)装配而成，而且导流极板(或双极板)及膜电极都是独立的部分，且可以反复拆装成电池堆。
燃料电池堆的这种组装技术对燃料电池堆的密封提出了非常高的要求。为了让燃料电池堆中的氢气、空气、冷却流体各自按自己的流体通道进、出，互相不渗漏，每块极板(或双极板)与膜电极之间都要求有很好的密封装置。
例如：上海神力科技有限公司的专利“燃料电池单元的密封装置”(专利申请号：ZL01238847.5)就是采用膜电极周边套接具有密封功能的边框，而在导流极板上设有密封槽与密封圈，当装配成燃料电池堆时，膜电极上的边框与极板上的密封圈材料紧密接触，产生并达到密封的效果。目前这种燃料电池堆组装技术以及相应所要求的密封技术有许多技术缺陷：
燃料电池堆中的每块导流极板(或双极板)，膜电极都必须单独分体生产，导致组装燃料电池堆时的零部件较多，从而造成组装上较多的麻烦。
每块导流极板(或双极板)的正反面与膜电极的正反面都必须要有密封装置，这就大大增加了密封的难度，容易产生泄漏。倘若产生氢气泄漏将会产生致命的危险。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种组装方便、密封性好的改进型燃料电池堆组件及其制造方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种改进型燃料电池堆组件，包括导流极板或双极板、膜电极，其特征在于，所述的导流极板或双极板与膜电极通过胶接密封产生一个完整的组件。
所述的导流双极板剖面的中间是导冷却流体槽，二边分别是导氢气流槽和导空气流槽，所述的导氢气流槽的槽面与膜电极的阳极面胶接密封，从而构成一燃料电池堆组件。
一种改进型燃料电池堆组件的制造方法，其特征在于，该方法包括以下工艺步骤，首先粘结双极板，将二面分别开有导氢气流槽、导冷却水槽的第一极板与一面开有导空气流槽另一面为光面的第二极板互相胶接密封，具体是将第一极板的导冷却流体槽面与第二极板的光面胶接密封，构成一双极板，该双极板剖面的中间是导冷却流体槽，二边分别是导氢气流槽和导空气流槽；然后粘结组件，将上述双极板与膜电极通过胶接密封产生一个完整的组件，具体是将双极板的导氢气流槽的槽面与膜电极的阳极面胶接密封，从而构成一燃料电池堆组件。
所述的导流极板或双极板与膜电极采用压盖模具进行胶接密封。
本发明从本质上说是将导流极板(或双极板)与膜电极通过胶接密封产生一个完整的部件。这样，在燃料电池堆组装时只要将许多块这种一样的部件重复叠装在一起就可以了，这样的组装就更简单、更快速了。另外，更重要的是将膜电极与导流极板(或双极板)一起通过胶接密封产生一个完整的部件，有以下二个优势：
1.在生产这种整体部件时，可以综合考虑膜电极、导流极板的设计与生产，使它们可以很容易通过特殊的互相匹配的胶接密封产生一个较完美的整体部件。
2.导流极板一面，特别是导氢气的这一面最容易泄漏，而与膜电极通过特殊的相匹配的胶接密封成为一个整体部件后，该部件的胶接密封属于永久性的不可拆装的密封，就不容易产生泄漏。
附图说明
图1为双极板导氢气流面结构示意图；
图2为双极板导空气流面结构示意图；
图3为双极板剖面结构示意图；
图4为质子交换膜的结构示意图；
图5为膜电极的结构示意图；
图6为本发明电池堆组件的结构示意图；
图7为本发明胶接方法示意图；
图8为本发明燃料电池堆的组装示意图。
具体实施方式
一种改进型燃料电池堆组件，如图6，包括导流极板或双极板3、膜电极7，所述的导流极板或双极板3与膜电极7通过胶接密封产生一个完整的组件；所述的导流双极板3剖面的中间是导冷却流体槽312，二边分别是导氢气流槽311和导空气流槽321，所述的导氢气流槽311的槽面与膜电极7的阳极面采用胶合材料8胶接密封，从而构成一燃料电池堆组件。
一种改进型燃料电池堆组件的制造方法，该方法包括以下工艺步骤，首先粘结双极板，如图3，将二面分别开有导氢气流槽、导冷却水槽的第一极板31与一面开有导空气流槽另一面为光面的第二极板32互相胶接密封，具体是将第一极板31的导冷却流体槽面与第二极板32的光面胶接密封，构成一双极板3，该双极板剖面的中间是导冷却流体槽312，二边分别是导氢气流槽311和导空气流槽321；然后粘结组件，如图6，将上述双极板3与膜电极7通过胶接密封产生一个完整的组件，具体是将双极板3的导氢气流槽311的槽面与膜电极7的阳极面采用密封胶8胶接密封，从而构成一燃料电池堆组件。如图7，所述的导流极板或双极板3与膜电极7采用压盖模具9进行胶接密封，该压盖模具9设有模腔10。
如图1、图2所示，1为双极板的导氢气流槽面、2导空气流槽面；如图4、图5所示，5为质子交换膜，6为三合一膜电极，7为相对应导流极板工作面的膜电极(有效工作面)。将一块双极板(双极板中间有冷却流体通道)与一张膜电极通过上述技术胶接密封在一起成为一个单独、完整的组件(如图6)，该组件的双极板导氢气面与膜电极的阳极胶接密封在一起。
图6为胶接密封后的完整组件图，图中3为双极板，4为胶合材料，5为质子交换膜，7为相对应导流极板工作面的膜电极(有效工作面)，8为胶接密封用的密封胶。胶接方法如图7所示，图中3为双极板，5为质子交换膜，7为相对应导流极板工作面的膜电极(有效工作面)，9为模具，10为压盖模具模腔。将膜电极、导流板(双极板)及压盖模具紧固装配在一起，并在压盖模具中用高压泵泵入未硫化的流动性的橡胶体，如硅橡胶等，等固化后流入导流孔的橡胶可以剥离出去。最后当许多块这样的整体组件叠合在一起时就构成了一个燃料电池堆，如图8所示，该图是由许多整体组件构成的燃料电池堆，图中5为质子交换膜，7为相对应导流极板工作面的膜电极(有效工作面)。

Claims (4)

1.一种改进型燃料电池堆组件，包括导流极板或双极板、膜电极，其特征在于，所述的导流极板或双极板与膜电极通过胶接密封产生一个完整的组件。
2.根据权利要求1所述的改进型燃料电池堆组件，其特征在于，所述的导流双极板剖面的中间是导冷却流体槽，二边分别是导氢气流槽和导空气流槽，所述的导氢气流槽的槽面与膜电极的阳极面胶接密封，从而构成一燃料电池堆组件。
3.一种改进型燃料电池堆组件的制造方法，其特征在于，该方法包括以下工艺步骤，首先粘结双极板，将二面分别开有导氢气流槽、导冷却水槽的第一极板与一面开有导空气流槽另一面为光面的第二极板互相胶接密封，具体是将第一极板的导冷却流体槽面与第二极板的光面胶接密封，构成一双极板，该双极板剖面的中间是导冷却流体槽，二边分别是导氢气流槽和导空气流槽；然后粘结组件，将上述双极板与膜电极通过胶接密封产生一个完整的组件，具体是将双极板的导氢气流槽的槽面与膜电极的阳极面胶接密封，从而构成一燃料电池堆组件。
4.根据权利要求3所述的改进型燃料电池堆组件的制造方法，其特征在于，所述的导流极板或双极板与膜电极采用压盖模具进行胶接密封。
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