CN1862853A - 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 (8)
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;其特征是在双极板上,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。
2、根据权利要求1所述的燃料电池极板,其特征是第一凹槽的深度约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。
3、根据权利要求1或2所述的燃料电池极板,其特征是氢气和氧气/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。
4、根据权利要求2所述的燃料电池极板,其特征是所述的密封圈、密封垫或其它密封材料,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。
5、根据权利要求1或2所述的燃料电池极板,其特征是所述的氢气、氧气/空气反应板上,设有反应流道,形状可以是蛇行、直通型,流道大小由反应氢气的流量决定。
6、根据权利要求1或2所述的燃料电池用极板,其特征是在所述的氢气、氧气/空气反应板上,在其边缘处设有橡胶、特富龙或石墨硬质密封材料。
7、根据权利要求6所述的燃料电池极板,其特征是硬质密封材料以胶粘、电镀或真空覆膜密封,密封层的厚度为1-3mm。
8、根据权利要求1或2所述的燃料电池极板,其特征是第二级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,即h=dH2/O2+1/2dM,凹槽形状和膜电极的形状保持一致。
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