CN2849995Y - 一种节能型燃料电池三合一膜电极密封装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种节能型燃料电池三合一膜电极密封装置，包括由质子交换膜及其两侧的碳扩散层材料组成的三合一膜电极、密封边框，所述的三合一膜电极分为中间有效部分以及四周密封部分，所述的三合一膜电极的密封部分分为(A)、(B)两个区域，在(A)区域，质子交换膜及其两侧的碳扩散层材料呈相等尺寸，且整齐平整，所述的密封边框包覆在(A)区膜电极的两侧，在(B)区域，质子交换膜及其两侧的碳扩散层材料呈不相等尺寸，且在其中一侧形成缺位，所述的密封边框设在该缺位处。与现有技术相比，本实用新型具有密封好、不易堵塞等优点。

Description

一种节能型燃料电池三合一膜电极密封装置

技术领域

本实用新型涉及燃料电池，尤其涉及一种节能型燃料电池三合一膜电极密封装置。

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。这些导流极板上的流体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。

美国专利(专利号：US6,057,054)中有一燃料电池膜电极封装方法，其结构如图1所示，1’为膜电极，2’为橡胶边框，3’为空气进口，4’为氢气进口，5’为空气出口，6’为氢气出口。

采用该方法的特点是：在膜电极四周包一层弹性橡胶边框，该弹性橡胶边框从三合一电极膜电极边缘延伸出来，延伸长度约为1～10mm，厚度大于膜电极厚，经过膜电极上、下两块双极板装配后，边框与双极板上的密封槽相对应，从而达到密封效果。

但是神力公司专利“一种节能型燃料电池”(专利号：02279853.6)中的导流极板的空气导流槽为直通型。若采用美国专利上述膜电极密封方法会导致膜电极上方的橡胶边框受挤压，而进入空气导流槽，产生堵塞，直接影响燃料电池的正常发电。

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节能型燃料电池三合一膜电极密封装置。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种节能型燃料电池三合一膜电极密封装置，包括由质子交换膜及其两侧的碳扩散层材料组成的三合一膜电极、密封边框，所述的三合一膜电极分为中间有效部分以及四周密封部分，其特征在于，所述的三合一膜电极的密封部分分为A、B两个区域，在A区域，质子交换膜及其两侧的碳扩散层材料呈相等尺寸，且整齐平整，所述的密封边框包覆在A区膜电极的两侧，在B区域，质子交换膜及其两侧的碳扩散层材料呈不相等尺寸，且在其中一侧形成缺位，所述的密封边框设在该缺位处。

所述的B区域，质子交换膜一侧的碳扩散层材料与质子交换膜呈相等尺寸，另一侧的碳扩散层材料的尺寸稍短而形成缺位，所述的密封边框设在该缺位处。

所述的B区域，质子交换膜一侧的碳扩散层材料与质子交换膜呈相等尺寸，另一侧的碳扩散层材料的尺寸稍长而形成缺位，所述的密封边框设在该缺位处。

所述的密封边框为弹性橡胶材料边框。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

该膜电极与上海神力专利(专利号：02279853.6)中的节能型导流双极板配合时，膜电极具有橡胶弹性材料边缘的一侧与导流双极板上的密封槽相对应，使该导流双极板这一面的氢气燃料不泄漏；该膜电极另一侧B区域为刚性不变形的碳扩散层材料，与导流双极板的空气槽相对应，压紧后使B区域不变形，从而避免橡胶边框陷入空气导流槽中。

附图说明

图1为现有燃料电池膜电极密封装置示意图；

图2为本实用新型的燃料电池膜电极密封装置分区示意图；

图3为本实用新型的燃料电池膜电极密封装置A区侧视剖面图；

图4(a)为本实用新型的燃料电池膜电极密封装置B区俯视剖面图；

图4(b)为本实用新型的燃料电池膜电极密封装置另一种B区俯视剖面图；

图5为采用中间供氢夹板集成的燃料电池堆示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，对本实用新型作进一步说明。

如图2、图3所示，一种节能型燃料电池三合一膜电极密封装置，包括由质子交换膜3及其两侧的碳扩散层材料2组成的三合一膜电极1、密封边框4，所述的三合一膜电极1分为中间有效部分以及四周密封部分，所述的三合一膜电极1的密封部分分为A、B两个区域，在A区域，质子交换膜3及其两侧的碳扩散层材料2呈相等尺寸，且整齐平整，所述的密封边框4包覆在A区膜电极的两侧，在B区域，质子交换膜3及其两侧的碳扩散层材料2呈不相等尺寸，且在其中一侧形成缺位，所述的密封边框4设在该缺位处。

如图4(a)所示，所述的B区域，质子交换膜3一侧的碳扩散层材料2与质子交换膜3呈相等尺寸，另一侧的碳扩散层材料2的尺寸稍短而形成缺位，所述的弹性橡胶材料边框4设在该缺位处。(实施例1)

如图4(b)所示，所述的(B)区域，质子交换膜3一侧的碳扩散层材料2与质子交换膜3呈相等尺寸，另一侧的碳扩散层材料2的尺寸稍长而形成缺位，所述的弹性橡胶材料边框4设在该缺位处。(实施例2)

如图5所示，在采用中间供氢夹板集成的燃料电池堆中，单电池数目80片，燃料电池堆的尺寸275×132×63mm，功率100～300W，试验结果表明，膜电极氢气一侧未发生泄漏，膜电极的空气一侧未发生空气堵塞现象。

Claims (4)

1.一种节能型燃料电池三合一膜电极密封装置，包括由质子交换膜及其两侧的碳扩散层材料组成的三合一膜电极、密封边框，所述的三合一膜电极分为中间有效部分以及四周密封部分，其特征在于，所述的三合一膜电极的密封部分分为(A)、(B)两个区域，在(A)区域，质子交换膜及其两侧的碳扩散层材料呈相等尺寸，且整齐平整，所述的密封边框包覆在(A)区膜电极的两侧，在(B)区域，质子交换膜及其两侧的碳扩散层材料呈不相等尺寸，且在其中一侧形成缺位，所述的密封边框设在该缺位处。

2.根据权利要求1所述的一种节能型燃料电池三合一膜电极密封装置，其特征在于，所述的(B)区域，质子交换膜一侧的碳扩散层材料与质子交换膜呈相等尺寸，另一侧的碳扩散层材料的尺寸稍短而形成缺位，所述的密封边框设在该缺位处。

3.根据权利要求1所述的一种节能型燃料电池三合一膜电极密封装置，其特征在于，所述的(B)区域，质子交换膜一侧的碳扩散层材料与质子交换膜呈相等尺寸，另一侧的碳扩散层材料的尺寸稍长而形成缺位，所述的密封边框设在该缺位处。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种节能型燃料电池三合一膜电极密封装置，其特征在于，所述的密封边框为弹性橡胶材料边框。

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