CN2588552Y

CN2588552Y - 一种燃料电池的膜电极结构

Info

Publication number: CN2588552Y
Application number: CN02283449U
Authority: CN
Inventors: 胡里清; 王祥生; 黄启华; 刘成刚; 董辉; 田丙伦
Original assignee: Shanghai Shen Li High Tech Co Ltd
Current assignee: Shanghai Shenli Technology Co Ltd
Priority date: 2002-12-23
Filing date: 2002-12-23
Publication date: 2003-11-26
Anticipated expiration: 2012-12-23

Abstract

本实用新型涉及一种燃料电池的膜电极结构，包括密封区和活性区，所述的密封区设在活性区的四周，所述的活性区包括质子交换膜、多孔性支撑材料、催化剂，该催化剂附着在多孔性支撑材料上并压合在质子交换膜两面，所述的密封区由活性区的质子交换膜或多孔性支撑材料向外延伸并填充渗透热熔胶塑料或热固性橡胶、树脂组成，该密封区的厚度与活性区的厚度相同。与现有技术相比，本实用新型具有密封可靠性高、工艺性好、有利于批量生产等优点。

Description

一种燃料电池的膜电极结构

技术领域

本实用新型涉及燃料电池的关键部件，尤其涉及一种燃料电池的膜电极结构。

背景技术

电化学燃料电池是一种能够将氢燃料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反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。这些导流电极板可以是金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流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母板，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、甲醇或由甲醇、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后进行散热；(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一切车、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。为了确保质子交换膜燃料电池中的燃料与氧化剂气体能够分布到整个膜电极两边表面上而又不产生混合，密封技术就非常关键。如果密封不好，可能会产生两种情况：一种情况是燃料气体与氧化剂气体在燃料电池内部混合，在采用氢与氧运行的燃料电池中，这种混合是非常致命的，一旦引发爆炸，破坏力非常大；另一种情况是燃料气体或氧化剂气体向燃料电池外部渗漏，这种情况不但会降低燃料电池的效率，而且一旦当燃料氢气在外界浓度积累达到一定程度时，就会发生爆炸。因此，要十分重视燃料电池密封技术。目前的燃料电池密封技术，主要有以下3种方法：

第1种方法：膜电极的制备采用质子交换膜的面积远比膜电极中的多孔性支撑材料，如碳纸的面积大得多，超出碳纸面积的膜不是电化学反应的活性区，而电化学活性区的膜两面分别有两张碳纸(中间压有催化剂层)压合在一起。这种做法的膜电极放在两块导流极板中间后，其中大于电化学活性的膜直接当作密封材料的基材，并起到防止相邻两块导流极板直接接触而短路的作用，如图1，它为现有膜电极的结构示意图，图中包括空气进气口1、冷却水进口2、氢气进气口3、质子交换膜4、涂有催化剂的活化部分5，图2为导流板及密封圈的结构示意图，图中包括空气进气口1、冷却水进口2、氢气进气口3、导流板6、导流槽7、密封圈8。

第2种方法：欧洲专利EP0604683A1所采用的密封装置如图3所示，该装置包括空气进气口1、密封圈8、膜电极10，图4是图3的剖面图，图中包括空气进气口1、质子交换膜4、密封圈8、碳纸9，其特点是将膜电极上的两边多孔性支撑材料，如两张碳纸9，大大延伸出膜电极的活性区，将密封材料8放在膜电极的质子交换膜4上，这样夹住膜电极的二块导流板上不需要再放置密封材料。

第3种方法：上海神力公司专利(专利号01238847.5)所采用的密封装置，如图5所示，其特点是将膜电极分为二个部分，图5中10部分为膜电极，是反应的活性部分，图5中11部分为膜电极的边框(仅虚线以外部分)。10部分与11部分是二种截然不同的材料，而且10、11二个部分的分界很明确，11部分一般由塑料或弹性橡胶、树脂组成，并通过粘接方法与10部分连成一体。电极整体与导流板之间的密封也可以采用密封圈放在边框上面或放在导流板上。

上述密封技术，虽然可达到密封燃料电池的目的，但存在以下缺陷：

一、对应于第1种方法的缺陷是由于质子交换膜一般是比较贵的材料，大量露出后，没有得到充分利用，浪费严重；质子交换膜是一种易老化、易破裂的材料，长期在压力下与密封材料直接接触，更易破裂，导致密封失败；质子交换膜是一种带强酸的腐蚀性材料，它与导流板上的密封材料长期接触，易使密封材料变性，导致密封失败。

二、对应于第2种方法的缺陷是由于密封圈材料放在膜电极的扩散层材料(碳纸)上，特别在膜电极二侧的扩散层材料(碳纸上)设置密封圈材料难度很大。因为扩散层材料(碳纸)往往厚度很薄，主要是为了加强燃料气体与氧化剂空气的快速扩散，所以在这样薄的材料上放置密封圈，密封圈的厚度必然很薄，而薄的密封圈极易变形，另外，电极二侧都设置密封圈，密封圈下面的质子交换膜承受巨大的集中压力，容易被压变形，长期受压即易破裂而导致密封失败。

三、对应于第3种方法的缺陷是由于膜电极分割为10、11二部分，由于10、11二部分的材料不一样，互相粘接的技术要求很高，而且10、11二部分粘接后的交接带厚度与原来10、11二部分厚度几乎相同，这样又增加了粘接的难度，而且这种高难度粘接技术不利于大规模地生产膜电极。

实用新型内容

本实用新型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密封可靠性高、工艺性好、有利于批量生产的燃料电池的膜电极结构。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池的膜电极结构，包括密封区和活性区，所述的密封区设在活性区的四周，所述的活性区包括质子交换膜、多孔性支撑材料、催化剂，该催化剂附着在多孔性支撑材料上并压合在质子交换膜两面，其特征在于，所述的密封区由活性区的质子交换膜或多孔性支撑材料向外延伸并填充渗透热熔胶塑料或热固性橡胶、树脂组成，该密封区的厚度与活性区的厚度相同。

所述的质子交换膜向外延伸较少，为部分向外延伸，所述的热熔胶塑料或热固性橡胶、树脂为三层，其中中间层为衬垫层，它与延伸的质子交换膜端部对接，该中间层两面附着密封层，该密封层与多孔性支撑材料端部对接并产生渗透，三层密封材料融为一体。

所述的质子交换膜向外延伸为该质子交换膜延伸至密封区的外边框边缘，所述的热熔胶塑料或热固性橡胶、树脂为两层，该两层热熔胶塑料或热固性橡胶、树脂附着在延伸的质子交换膜两面，并与多孔性支撑材料端部对接并产生渗透。

所述的多孔性支撑材料向外延伸至密封区的外边框边缘，所述的热熔胶塑料或热固性橡胶、树脂为三层，其中中间层设在延伸的多孔性支撑材料中间，另外两层设在延伸的多孔性支撑材料两外面，并通过热压的方式将该两层热熔胶塑料或热固性橡胶、树脂渗透入多孔性支撑材料内部，三层密封材料融为一体。

所述的密封区与活性区采用一次性热压成型。

所述的热熔胶塑料可采用聚酯类工程塑料，所述的热固性橡胶、树脂可采用未固化的橡胶、树脂。

所述的多孔性支撑材料为碳纸或碳纤维材料。

本实用新型是利用一种热熔性高分子工程塑料或热固性橡胶、树脂，如聚酯类工程塑料，这种工程高分子塑料或橡胶、树脂的特点是与膜电极制作的热压条件下相似(一定温度与压力下)，熔化时可以将质子交换膜覆盖并保护性地粘接起来，这样膜电极向外延伸的外边框可以是以下实施例所列举的多种情况。与现有技术相比，本实用新型密封可靠性高，工艺性好，有利于批量性地生产。

附图说明

图1为现有膜电极的结构示意图；

图2为现有导流板及密封圈的结构示意图；

图3为现有欧洲专利的膜电极的结构示意图；

图4为图3的A-A剖视图；

图5为另一种现有的膜电极的结构示意图；

图6为本实用新型的整体结构示意图；

图7为本实用新型实施例1的结构示意图；

图8为本实用新型实施例2的结构示意图；

图9为本实用新型实施例3热压成型之前的结构示意图；

图10为本实用新型实施例3热压成型之后的结构示意图；

图11为本实用新型实施例3的整体结构示意图；

图12为本实用新型应用于燃料电池的安装结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例，对本实用新型作进一步说明。

实施例1

如图6、图7所示，一种燃料电池的膜电极结构，包括活性区5和密封区13，所述的活性区5包括质子交换膜4、附着催化剂的碳纸9，所述的密封区13设在该活性区5的四周，该密封区13上下二端设有空气进气口1、冷却水进口2、氢气进气口3，所述的密封区13由活性区5的质子交换膜4或碳纸9向外延伸并填充渗透热熔胶塑料12组成，该密封区13的厚度与活性区5的厚度相同。

本实施例是一种质子交换膜4仅比膜电极活性区5向外稍延伸一点，膜电极向外延伸的外边框由三层热熔胶塑料层12构成，与膜电极热压时一次热压成型，这样稍向外延伸一点的质子交换膜上、下端接衬垫层121，该衬垫层121两面附着有二层热熔胶塑料层122，这三层塑料层热压后的厚度与膜电极厚度完全一样。

实施例2

如图6、图8所示，一种燃料电池的膜电极结构，包括活性区5和密封区13，所述的活性区5包括质子交换膜4、附着催化剂的碳纸9，所述的密封区13设在该活性区5的四周，该密封区13上下二端设有空气进气口1、冷却水进口2、氢气进气口3，所述的密封区13由活性区5的质子交换膜4或碳纸9向外延伸并填充渗透热熔胶塑料12组成，该密封区13的厚度与活性区5的厚度相同。

本实施例是一种质子交换膜4完全由膜电极活性区继续向外延伸到外边框边缘，其上下二层热熔胶塑料层12在热压膜电极时一道被热压覆盖在质子膜上，其厚度也与膜电极厚度完全一样。

实施例3

如图6、图9、图10、图11所示，一种燃料电池的膜电极结构，包括活性区5和密封区13，所述的活性区5包括质子交换膜4、附着催化剂的碳纸9，所述的密封区13设在该活性区5的四周，该密封区13上下二端设有空气进气口1、冷却水进口2、氢气进气口3，所述的密封区13由活性区5的质子交换膜4或碳纸9向外延伸并填充渗透热熔胶塑料12组成，该密封区13的厚度与活性区5的厚度相同。

本实施例是一种非常不同的方法，它是膜电极活性区5以外由二侧扩散层材料(碳纸9)继续向外延伸少部分，其中间衬垫多层热熔胶塑料层12，其中最外面二层把质子膜覆盖住，如图9，在膜电极热压条件下热压时，多层热熔胶塑料12熔化后被迫挤进多孔性扩散层材料(碳纸9)，其中最外面二层把小部分延伸的质子交换膜覆盖住。这样，热压膜电极与外延边框热压一起完成，而且多层热熔胶塑料的厚度恰好在热压条件熔化被挤进多孔性扩散层材料(碳纸9)，扩散层材料(碳纸9)表面也被塑化，使膜电极厚度与外延边框厚度一样，如图10、图11。

上述所有方法都是利用热熔胶塑料在热压电极时一次性完成膜电极及其边框，边框的厚度与膜电极相等，边框表面是平整的高分子弹性体。这种膜电极应用安装于燃料电池时，如图12所示，当导流板6与膜电极装配成燃料电池时可以在导流板6上设密封圈8(刚性的或伸缩性弹性体)达到密封目的。

Claims

1、一种燃料电池的膜电极结构，包括密封区和活性区，所述的密封区设在活性区的四周，所述的活性区包括质子交换膜、多孔性支撑材料、催化剂，该催化剂附着在多孔性支撑材料上并压合在质子交换膜两面，其特征在于，所述的密封区由活性区的质子交换膜或多孔性支撑材料向外延伸并填充渗透热熔胶塑料或热固性橡胶、树脂组成，该密封区的厚度与活性区的厚度相同。

2、根据权利要求1所述的燃料电池的膜电极结构，其特征在于，所述的质子交换膜向外延伸较少，为部分向外延伸，所述的热熔胶塑料或热固性橡胶、树脂为三层，其中中间层为衬垫层，它与延伸的质子交换膜端部对接，该中间层两面附着密封层，该密封层与多孔性支撑材料端部对接并产生渗透，三层密封材料融为一体。

3、根据权利要求1所述的燃料电池的膜电极结构，其特征在于，所述的质子交换膜向外延伸为该质子交换膜延伸至密封区的外边框边缘，所述的热熔胶塑料或热固性橡胶、树脂为两层，该两层热熔胶塑料或热固性橡胶、树脂附着在延伸的质子交换膜两面，并与多孔性支撑材料端部对接并产生渗透。

4、根据权利要求1所述的燃料电池的膜电极结构，其特征在于，所述的多孔性支撑材料向外延伸至密封区的外边框边缘，所述的热熔胶塑料或热固性橡胶、树脂为三层，其中中间层设在延伸的多孔性支撑材料中间，另外两层设在延伸的多孔性支撑材料两外面，并通过热压的方式将该两层热熔胶塑料或热固性橡胶、树脂渗透入多孔性支撑材料内部，三层密封材料融为一体。

5、根据权利要求1或2或3或4所述的燃料电池的膜电极结构，其特征在于，所述的密封区与活性区采用一次性热压成型。

6、根据权利要求1或2或3或4所述的燃料电池的膜电极结构，其特征在于，所述的热熔胶塑料可采用聚酯类工程塑料，所述的热固性橡胶、树脂可采用未固化的橡胶、树脂。

7、根据权利要求1或2或3或4所述的燃料电池的膜电极结构，其特征在于，所述的多孔性支撑材料为碳纸或碳纤维材料。