專利名稱：質(zhì)子交換膜燃料電池堆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池堆，具體的說(shuō)是一種質(zhì)子交換膜燃料電池堆。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池堆是一種通過(guò)燃料和氧化劑的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的裝置。該裝置的核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡(jiǎn)稱MEA)，由兩張多孔性的氣體擴(kuò)散層和夾在中間的一片質(zhì)子交換膜組成。在質(zhì)子交換膜與氣體擴(kuò)散層(如碳紙)的界面上附著有電化學(xué)催化劑。
質(zhì)子交換膜燃料電池堆的另一重要部件是導(dǎo)流極板。兩面均與膜電極相連的導(dǎo)流極板，陽(yáng)極和陰極反應(yīng)分別在兩側(cè)同時(shí)發(fā)生，稱為雙極板。一面緊靠電流集電器的導(dǎo)流極板，只有另一面與膜電極相連，反應(yīng)只在一側(cè)發(fā)生，稱為單極板。雙極板或單極板上含有可供氣體(如氫氣或空氣)流通的通道和冷卻劑(如空氣或水)流通的通道。
由兩塊導(dǎo)流極板中間夾持一片膜電極構(gòu)成一個(gè)基本單元一單電池，在燃料電池堆中，都是采用多個(gè)單電池以串聯(lián)的方式組裝成一個(gè)單電池組，其中單電池組兩端最外側(cè)的導(dǎo)流極板為單極板，其它位于中間的導(dǎo)流極板都是雙極板。單電池在反應(yīng)中可提供的電壓低于1.0V，燃料電池堆的輸出電壓是燃料電池堆中所有膜電極電壓的總和?，F(xiàn)有燃料電池堆的結(jié)構(gòu)如圖1所示，在單電池組兩端分別依次設(shè)有電流集電器、氣體集流板和端板，連接桿穿過(guò)兩端的端板，并通過(guò)螺帽將兩端板夾緊，在端板上設(shè)有使反應(yīng)氣體(燃料和氧化劑)流入及流出單電池組的入口和出口。
當(dāng)燃料(如氫氣)由燃料電池堆的燃料入口進(jìn)入雙極板或單極板的導(dǎo)流槽后，透過(guò)氣體擴(kuò)散層(如碳紙)到達(dá)催化劑的表面。在催化劑的作用下，氫氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，氫原子失去電子成為正離子(質(zhì)子)。電子通過(guò)多孔性的氣體擴(kuò)散層(如碳紙)和導(dǎo)電雙極板/單極板到達(dá)用電器，再通過(guò)導(dǎo)電雙極板/單極板和氣體擴(kuò)散層(如碳紙)到達(dá)膜電極另一側(cè)的催化劑表面。在催化劑的作用下，電子與透過(guò)氣體擴(kuò)散層(如碳紙)到達(dá)催化劑表面的氧化劑(如氧氣)和通過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)催化劑表面的質(zhì)子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物。在氫燃料電池中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)可用以下的反應(yīng)方程式來(lái)表示陽(yáng)極反應(yīng)陰極反應(yīng)在現(xiàn)有的燃料電池堆中，電流集電器都位于氣體集流板的內(nèi)側(cè)。燃料電池堆在運(yùn)行過(guò)程中，首先對(duì)反應(yīng)氣體包括燃料(如氫氣)和氧化劑(如空氣)進(jìn)行濕化處理，之后依次經(jīng)過(guò)氣體集流板、電流集電器，再進(jìn)入單極板和雙極板的導(dǎo)流孔，到達(dá)膜電極參加反應(yīng)；而部分未參加反應(yīng)的燃料和氧化劑離開雙極板和單極板的導(dǎo)流孔后，經(jīng)過(guò)電流集電器，再經(jīng)過(guò)氣體集流板后離開燃料電池堆。由于電流集電器由金屬材料制成，被濕化的燃料和氧化劑與電流集電器長(zhǎng)時(shí)間的接觸，會(huì)造成電流集電器銹蝕，而銹蝕產(chǎn)生的金屬離子會(huì)污染反應(yīng)氣體，隨反應(yīng)氣體到達(dá)膜電極，直接影響到膜電極的反應(yīng)性能。此外，由于不同材料之間存在電勢(shì)差，單極板和與之相接觸的電流集電器之間即產(chǎn)生接觸電阻，該接觸電阻比其材料本身的電阻更高，該接觸電阻對(duì)接觸壓力非常敏感，接觸面越平整，接觸壓力越均勻，其接觸電阻越低，較低的接觸電阻有利于燃料電池堆中電流的輸出。這就要求單極板和電流集電器之間保持良好的接觸，但是現(xiàn)有燃料電池堆是通過(guò)收緊連接桿上的螺母，來(lái)達(dá)到壓緊端板固定整個(gè)燃料電池堆的目的，由于每根連接桿上螺母松緊程度不同，以及燃料電池堆工作中各部分溫度不同，導(dǎo)致在燃料電池堆截面上各部分的松緊程度不一致，從而使單極板和電流集電器之間接觸不均勻，致使兩者間的接觸電阻升高而影響了電流的輸出。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種使反應(yīng)氣體不與電流集電器接觸，避免反應(yīng)氣體被污染的質(zhì)子交換膜燃料電池堆，本發(fā)明的另一目的是使燃料電池堆中導(dǎo)流極板和電流集電器之間接觸更均勻，降低兩者間的接觸電阻。
2、技術(shù)方案為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第一個(gè)目的，本發(fā)明所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池堆，它包括單電池組、電流集電器、氣體集流板、端板、連接桿及螺母，所述單電池組包括位于其兩端的單極板，在單極板的外側(cè)依次層疊設(shè)置電流集電器、氣體集流板和端板，連接桿穿過(guò)兩側(cè)端板上的通孔，并通過(guò)旋緊連接桿上的螺母緊固各部件，所述單極板包括位于外表面中間位置的集電區(qū)，以及位于集電區(qū)周圍的反應(yīng)氣體通孔，其特征是所述電流集電器包括一塊金屬平板和一個(gè)位于金屬平板上的電流引出端子，氣體集流板相對(duì)電流集電器的一面設(shè)有一個(gè)凹腔，凹腔底部設(shè)有一個(gè)通孔，在氣體集流板的邊緣還設(shè)有與單極板上的反應(yīng)氣體通孔對(duì)應(yīng)的氣體通道，電流集電器的金屬平板設(shè)在凹腔中并緊貼單極板的集電區(qū)，電流引出端子穿過(guò)通孔伸出氣體集流板外，氣體集流板與單極板相接觸的部分將電流集電器和反應(yīng)氣體相互隔絕。
在氣體集流板位于相對(duì)電流集電器的一面設(shè)有一個(gè)凹腔，該凹腔的容積使其可以容納電流集電器上的金屬平板，金屬平板的一側(cè)表面與單極板集電區(qū)緊密接觸，凹腔底部的通孔則使電流引出端子伸出氣體集流板，并通過(guò)端板上的開口伸出燃料電池堆外，用以將從單電池組收集的電流引出。在氣體集流板上與單極板上的反應(yīng)氣體通孔對(duì)應(yīng)的位置設(shè)置氣體通道，這種結(jié)構(gòu)的目的一是使不同的反應(yīng)氣體通過(guò)氣體集流板上各自的氣體通道，有序的流進(jìn)或流出燃料電池堆，另一個(gè)目的是將電流集電器置于氣體集流板的凹腔中，使電流集電器僅僅與單極板的集電區(qū)接觸，而氣體集流板的凹腔及氣體通道周圍的平面直接與單極板緊密貼合，不僅密封反應(yīng)氣體的流通通道，同時(shí)將電流集電器和反應(yīng)氣體相互隔絕，使兩者不產(chǎn)生接觸。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第二個(gè)目的，在電流集電器的金屬平板與氣體集流板凹腔的底壁之間設(shè)置彈性墊片，彈性墊片上設(shè)有使電流引出端子穿過(guò)的端子通孔。這樣使得來(lái)自端板的壓力能由彈性墊片均勻的分配給電流集電器和單極板，從而使得兩者的接觸電阻最小。
3、有益效果本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)將電流集電器置于氣體集流板的凹腔中，使電流集電器僅僅與單極板的集電區(qū)接觸，而氣體集流板的凹腔及氣體通道周圍的平面直接與單極板緊密貼合，將電流集電器和反應(yīng)氣體相互隔絕，使兩者不產(chǎn)生接觸，避免了反應(yīng)氣體中的水份銹蝕電流集電器，同時(shí)銹蝕產(chǎn)生的金屬離子會(huì)污染反應(yīng)氣體的現(xiàn)象；(2)通過(guò)設(shè)置彈性墊片，使來(lái)自端板的壓力能由彈性墊片均勻的分配給電流集電器和單極板，從而使得兩者的接觸電阻最小。
四

圖1是質(zhì)子交換膜燃料電池堆的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明中單極板、電流集電器、氣體集流板及端板的分解示意圖；圖3是單極板與電流集電器的連接的示意圖；圖4是電流集電器、氣體集流板及端板結(jié)構(gòu)狀態(tài)的側(cè)面剖視圖。
五具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明如圖1-圖4所示所示，本發(fā)明所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池堆，它包括單電池組1、電流集電器2、氣體集流板3、端板4、連接桿5及螺母6，所述單電池組1包括位于其兩端的單極板7，在單極板7的外側(cè)依次層疊設(shè)置電流集電器2、氣體集流板3和端板4，連接桿5穿過(guò)兩側(cè)端板4上的通孔，并通過(guò)旋緊連接桿上的螺母6緊固各部件，單極板7與電流集電器接觸的一側(cè)包括位于中間位置的集電區(qū)71，以及位于集電區(qū)71周圍的反應(yīng)氣體通孔72，電流集電器2包括一塊金屬平板21和一個(gè)位于金屬平板21上的電流引出端子22，氣體集流板3相對(duì)電流集電器2的一面設(shè)有一個(gè)凹腔31，凹腔31底部設(shè)有一個(gè)通孔32，在氣體集流板3的邊緣還設(shè)有與單極板7上的反應(yīng)氣體通孔72對(duì)應(yīng)的氣體通道33，其中包括燃料供應(yīng)管33a，氧化劑供應(yīng)管33b。組裝燃料電池堆時(shí)，氣體集流板3的氣體通道33要和單極板7上的反應(yīng)氣體通孔72重疊一致，以便反應(yīng)氣體能進(jìn)入及排放。氣體集流板3由不透氣的、化學(xué)穩(wěn)定性好且不導(dǎo)電的材料制成，如塑料、尼龍或玻璃纖維。電流集電器2的金屬平板21設(shè)在凹腔31中并緊貼單極板的集電區(qū)71，電流引出端子22穿過(guò)通孔32伸出氣體集流板外，氣體集流板3與單極板7相接觸的部分將電流集電器2和反應(yīng)氣體相互隔絕。在電流集電器2的金屬平板21與氣體集流板凹腔31的底壁之間設(shè)有彈性墊片8，所述彈性墊片8上設(shè)有使電流引出端子22穿過(guò)的端子通孔81。彈性墊片8的厚度要比電流集電器2與凹腔底壁之間的距離大一些，以確保壓緊后的單極板7和電流集電器2之間有較好的接觸。通過(guò)設(shè)置彈性墊片8，使來(lái)自端板4的壓力能由彈性墊片8均勻的分配給電流集電器2和單極板7，從而使得兩者的接觸電阻最小。
權(quán)利要求
1.一種質(zhì)子交換膜燃料電池堆，它包括單電池組(1)、電流集電器(2)、氣體集流板(3)、端板(4)、連接桿(5)及螺母(6)，所述單電池組(1)包括位于其兩端的單極板(7)，在單極板(7)的外側(cè)依次層疊設(shè)置電流集電器(2)、氣體集流板(3)和端板(4)，連接桿(5)穿過(guò)兩側(cè)端板(4)上的通孔，并通過(guò)旋緊連接桿上的螺母(6)緊固各部件，所述單極板(7)與電流集電器接觸的一側(cè)包括位于中間位置的集電區(qū)(71)，以及位于集電區(qū)(71)周圍的反應(yīng)氣體通孔(72)，其特征是所述電流集電器(2)包括一塊金屬平板(21)和一個(gè)位于金屬平板(21)上的電流引出端子(22)，氣體集流板(3)相對(duì)電流集電器(2)的一面設(shè)有一個(gè)凹腔(31)，凹腔(31)底部設(shè)有一個(gè)通孔(32)，在氣體集流板(3)的邊緣還設(shè)有與單極板(7)上的反應(yīng)氣體通孔(72)對(duì)應(yīng)的氣體通道(33)，電流集電器(2)的金屬平板(21)設(shè)在凹腔(31)中并緊貼單極板的集電區(qū)(71)，電流引出端子(22)穿過(guò)通孔(32)伸出氣體集流板外，氣體集流板(3)與單極板(7)相接觸的部分將電流集電器(2)和反應(yīng)氣體相互隔絕。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池堆，其特征是在電流集電器(2)的金屬平板(21)與氣體集流板凹腔(31)的底壁之間設(shè)有彈性墊片(8)，所述彈性墊片(8)上設(shè)有使電流引出端子(22)穿過(guò)的端子通孔(81)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種質(zhì)子交換膜燃料電池堆，燃料電池堆的電流集電器包括一塊金屬平板和電流引出端子，氣體集流板設(shè)有一個(gè)凹腔，凹腔底部設(shè)有一個(gè)通孔，在氣體集流板的邊緣還設(shè)有與單極板上的反應(yīng)氣體通孔對(duì)應(yīng)的氣體通道，電流集電器的金屬平板設(shè)在凹腔中并緊貼單極板的集電區(qū)，電流引出端子穿過(guò)通孔伸出氣體集流板外，氣體集流板與單極板相接觸的部分將電流集電器和反應(yīng)氣體相互隔絕，避免了反應(yīng)氣體中的水份銹蝕電流集電器并污染反應(yīng)氣體的現(xiàn)象；在金屬平板與氣體集流板凹腔的底壁之間設(shè)置彈性墊片，通過(guò)設(shè)置彈性墊片，使來(lái)自端板的壓力能由彈性墊片均勻的分配給電流集電器和單極板，從而使得兩者的接觸電阻最小。
文檔編號(hào)H01M8/10GK1828990SQ200610038520
公開日2006年9月6日 申請(qǐng)日期2006年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月27日
發(fā)明者喬永進(jìn), 沈建躍, 曲平, 康新 申請(qǐng)人:南京博能燃料電池有限責(zé)任公司