專利名稱：設有多個獨立反應區(qū)域的燃料電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于燃料電池技術領域，特別涉及的燃料電池的反應區(qū)域設計。
背景技術：
燃料電池通常由多個電池單元構(gòu)成，每個電池單元包括兩個電極(雙極板)，該兩個電極被電解質(zhì)元件隔開，并且彼此串聯(lián)地組裝，形成燃料電池堆。通過給每個電極供給適 當?shù)姆磻?，即給一個電極供給燃料而另一個供給氧化劑，實現(xiàn)電化學反應，從而在電極之 間形成電位差，并且因此產(chǎn)生電能。為提高滿足較大功率輸出的需要，通常采用增大每個電池單元的膜電極組件 (MEA)中反應區(qū)域(催化劑層)面積的方式實現(xiàn)。如圖1所示，圖1中質(zhì)子交換模1的兩面 (圖1中只示出一側(cè)的正面)均設有催化劑層2，反應物從通道4中進入雙極板的流道，流 道中釋放反應物在膜電極組件(MEA)的催化劑層2上發(fā)生電化學反應。與之前的技術相比，雖然目前雙極板的流道設計已經(jīng)有了相當?shù)倪M步，但是隨著 膜電極組件(MEA)中反應區(qū)域面積的增加，在電化學反應過程中，雙極板上的流道不并能 保證其能夠均勻地輸送反應物。如圖1所示的膜電極組件(MEA)中，針對整個電池設定的流 道區(qū)域，從進口到出口，或者說，在不同的局部區(qū)域內(nèi)，氣流分配是不均勻的。另外在這些總 體或局部的區(qū)域里，燃料和氧化劑的濃度也是不均勻的，在工作狀態(tài)下，反應物的供給的波 動所產(chǎn)生的電瞬態(tài)效應，其電壓V與縱向的同一個流道長度L的關系如圖2所示。在長度 L為的同一個流道中，在流道兩端可能產(chǎn)生較大的電壓差ΔΥ ；同理，在膜電極組件(MEA)反 應區(qū)域的橫向上也可能產(chǎn)生這種較大電壓差的現(xiàn)象，并且在流道之間也可能存在因反應物 不均勻釋放產(chǎn)生電壓差的現(xiàn)象，導致每個電池單元內(nèi)部產(chǎn)生較大的橫向(Inplane)電流， 造成模電極的電化學腐蝕，這將極大地縮減燃料電池的使用壽命。并且反應物供給量大的 區(qū)域受限于反應物供給量小的區(qū)域，這種關聯(lián)效應還會導致反應物供給量大的區(qū)域輸出電 壓被拉低，影響燃料電池的輸出功率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種設有多個獨立反應區(qū)域的燃料電池，以解決現(xiàn)有燃料 電池的每個電池單元易產(chǎn)生橫向電流導致燃料電池的腐蝕的技術問題。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案—種設有多個獨立反應區(qū)域的燃料電池，包括多個燃料電池單元，每個所述燃料 電池單元包括雙極板和位于所述雙極板之間的膜電極組件，所述膜電極組件包括質(zhì)子交換 模和位于該質(zhì)子交換模兩側(cè)的催化劑層，至少所述質(zhì)子交換模一側(cè)的催化劑層為多個相互 獨立的催化劑層。與現(xiàn)有的盡可能使反應物在整個反應區(qū)域分配均勻的設計理念不同的 是，本發(fā)明采用將整體電池分割成多個獨立的反應區(qū)域，消除反應區(qū)域之間的關聯(lián)性，分割 并減小了可能出現(xiàn)的電壓差的幅度，減少了電化學腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，最大限度地發(fā)揮了自 個獨立區(qū)域乃至整個燃料電池的效能。
進一步地，所述質(zhì)子交換模兩側(cè)均對稱設有相互獨立的催化劑層。進一步地，對應于每個所述催化劑層的位置處設有一透氣層。進一步地，所述雙極板包括非電化學反應區(qū)域和多個電化學反應區(qū)域，所述電化 學反應區(qū)域與所述催化劑層的位置相對應，所述電化學反應區(qū)域和非電化學反應區(qū)域拼接 連接。進一步地，所述非電化學反應區(qū)域的材料為非導電材料。進一步地，每個所述燃料電池單元的催化劑層的位置相同，同一催化劑層位置處 的質(zhì)子交換模、催化劑層、透氣層和雙極板成一個燃料電池子單元，多個所述燃料電池單元 相同位置處的燃料電池子單元串聯(lián)連接構(gòu)成燃料電池子單元組，所述燃料電池子單元組之 間并聯(lián)連接。進一步地，所述質(zhì)子交換模的兩側(cè)橫向?qū)ΨQ設有多個相互分隔的催化劑層。進一步地，所述質(zhì)子交換模的兩側(cè)縱向?qū)ΨQ設有多個相互分隔的催化劑層。進一步地，同一個所述燃料電池單元內(nèi)的所述催化劑層之間的間隙和透氣層之間 的間隙處設有絕緣的填充物。進一步地，所述填充物與所述非電化學反應區(qū)域為一體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明將燃料電池的模電極組件中的催化劑層設計成多個獨立的區(qū)域，并進一步 地將透氣層、雙板等等相應地分開設計，這樣可以有效地避免分別在催化劑層、透氣層以及 雙極板上產(chǎn)生較大的橫向電流，有效減輕了燃料電池的腐蝕，提高了燃料電池的壽命。最大 限度地發(fā)揮了自個獨立區(qū)域乃至整個燃料電池的效能。以下結(jié)合附圖及實施例進一步說明本發(fā)明。


圖1為現(xiàn)有燃料電池的膜電極組件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有燃料電池的膜電極組件在同一個流道長度L上的電壓V關系圖；圖3為本發(fā)明燃料電池實施例中的膜電極組件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明燃料電池實施例中的雙極板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明燃料電池實施例中在圖3膜電極組件A-A處的剖視圖；圖6為本發(fā)明燃料電池實施例中的膜電極組件在同一個流道長度L上的電壓V關 系具體實施例方式如圖5所示，一種設有多個獨立反應區(qū)域的燃料電池，包括多個燃料電池單元，每 個所述燃料電池單元包括雙極板10和位于所述雙極板10之間的膜電極組件20，所述膜電 極組件20包括質(zhì)子交換模22和位于該質(zhì)子交換模兩側(cè)的催化劑層21，其中，所述質(zhì)子交換 模22兩側(cè)的催化劑層21為多個相互獨立的催化劑層21。即催化劑層21相互分開設計，與 現(xiàn)有的催化劑層2為一整張的設計相區(qū)別，避免在催化劑層21上產(chǎn)生較大的橫向電流。與現(xiàn)有的盡可能使反應物在整個反應區(qū)域分配均勻的設計理念不同的是，本發(fā)明 采用將整體電池分割成多個獨立的反應區(qū)域，消除了反應區(qū)域之間的關聯(lián)性，分割并減小 了可能出現(xiàn)的電壓差的幅度，從而減少了模電極電化學腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，最大限度地發(fā)揮了自個獨立區(qū)域乃至整個燃料電池的效能。其中，所述質(zhì)子交換模22兩側(cè)的催化劑層21對稱設置。其中，對應于每個所述催化劑層21的位置處設有一透氣層24。即透氣層24也采 用催化劑層21的這種分開設計的方式。這樣同樣可以避免在透氣層24上產(chǎn)生較大的橫向 電流。其中，所述雙極板10包括非電化學反應區(qū)域12和多個電化學反應區(qū)域11，所述電 化學反應區(qū)域11與所述催化劑層21的位置相對應，所述電化學反應區(qū)域11和非電化學反 應區(qū)域12拼接連接。
其中，所述非電化學反應區(qū)域12的材料為非導電材料。其中，如圖5所示，每個所述燃料電池單元的催化劑層21的位置相同，同一催化劑 層21位置處的質(zhì)子交換模22、催化劑層21、透氣層24和雙極板10構(gòu)成一個燃料電池子 單元，多個所述燃料電池單元相同位置處的燃料電池子單元串聯(lián)連接構(gòu)成燃料電池子單元 組，所述燃料電池子單元組之間并聯(lián)連接。同一個燃料電池單元中各個燃料電池子單元相 互獨立，各個子單元之間不會產(chǎn)生橫向電流，因此可有效地提高燃料電池的使用壽命。這樣，在同一個所述燃料電池單元上即使由于流道提供的反應物氣流不均勻，而 產(chǎn)生瞬態(tài)效應，也不會產(chǎn)生較大的電壓差。如圖6所示，在膜電極組件20縱向的同一個流 道中，由于反應物氣流分配的不均勻，而產(chǎn)生瞬態(tài)效應，其電壓V與縱向的同一個流道長度 L的關系。在長度L為的同一個流道中，通過將催化劑層21設計成多個獨立的區(qū)域，在流 場條件不變的情況下，其在流道兩端可能產(chǎn)生電壓差△ V只有現(xiàn)有模電極組件的幾分之一 (具體數(shù)值取決于縱向同一流道上催化劑層21的個數(shù))，這大大減小了流場中電壓或電流 的變化幅度。由于反應區(qū)域的獨立性，互不影響，使得各個反應區(qū)域能夠最大限度地發(fā)揮了 其效能。同理，在反應區(qū)域21的橫向上產(chǎn)生電壓差也只有現(xiàn)有MEA的幾分之一(具體數(shù)值 取決于橫向同一流道上催化劑層21的個數(shù))，這也大大減小了每個燃料電池單元內(nèi)部產(chǎn)生 橫向電流，并且將產(chǎn)生的微小橫向電流限制在分的單個的燃料電池子單元內(nèi)，避免了整個 燃料電池的腐蝕，極大地提高燃料電池的使用壽命。圖3中，通道接口 14與對應雙極板10 上的通道14(圖4所示)連通。其中，所述催化劑層21的數(shù)量可以需求靈活設計，如從2個到200個，其排布方式 也可以有多種。較好的設計方式是盡可能均勻分布，在不影響性能的前提下，盡可能提高膜 電極組件的利用率。如，在所述質(zhì)子交換模22的兩側(cè)橫向?qū)ΨQ設有多個相互分隔的催化劑 層21，和/或在所述質(zhì)子交換模22的兩側(cè)縱向?qū)ΨQ設有多個相互分隔的催化劑層21。本實施例中是以四個催化劑層21進行說明的，應當理解的是，該實施例并不構(gòu)成 對本發(fā)明的限制。圖5為組裝成燃料電池在圖3所示的模電極組件A-A處的剖視圖。其中，所述同 一個燃料電池單元內(nèi)的所述催化劑層21之間的間隙和透氣層24之間的間隙處設有絕緣的 填充物120。該填充物120用于填充該部分空隙并使催化劑層21之間絕緣交流并且透氣層 24之間絕緣。該填充物120也可以是所述雙極板10的非電化學反應區(qū)域12的一部分，即 該填充物120與所述非電化學反應區(qū)域12為一體結(jié)構(gòu)。這樣可以簡化燃料電池的加工和 組裝。其中，所述雙極板10的電化學反應區(qū)域1是指供給燃料和氧化劑發(fā)生反應的區(qū)域，而非電化學反應區(qū)域12是指不發(fā)生電化學反應的區(qū)域。該非電化學反應區(qū)域12用于 支撐所述電化學反應區(qū)域11，承受外界的作用力。通過將雙極板的電化學反應區(qū)域11和 非電化學反應區(qū)域12分開設計，可有效降低設計難度。例如，所述電化學反應區(qū)域11的雙 極板材料可采用滿足燃料電池雙極板的材料制成，如采用碳板、金屬板等。而所述非電化學 反應區(qū)域12的雙極板材料可采用具有一定強度和耐熱性能的廉價易于加工成型的材料制 成，組裝時電化學反應區(qū)域1拼接連接在該非電化學反應區(qū)域12中即可。其中，所述非電化學反應區(qū)域12的材料為絕緣材料。例如ABS(由苯乙烯-丁二 烯-丙烯腈為基的三元共聚體)、PVC(聚氯乙烯材料)等材料。該非電化學反應區(qū)域12可 以一體結(jié)構(gòu)，也可以是由多塊拼接而成?，F(xiàn)有燃料電池的雙極板中反應區(qū)域和其周邊的非 反應區(qū)域均為同一種導電材料，這使得反應產(chǎn)生的部分電流從其周邊的非反應區(qū)域通過， 形成渦流，造成電流的梯度偏差，導致電流損耗現(xiàn)象的發(fā)生，這種有害的電流現(xiàn)象容易造成 燃料電池堆使用壽命的縮減。本發(fā)明通過將雙極板的電化學反應區(qū)域11和非電化學反應 區(qū)域12分開設計，并采用絕緣材料制作所述非電化學反應區(qū)域12，這樣可使電流均勻地從 電化學反應區(qū)域12中通過，避免了渦流的產(chǎn)生，提高了燃料電池的使用壽命。并且，由于所 述非電化學反應區(qū)域12為絕緣材料制成，這種連接方式可進一步避免橫向電流的發(fā)生。其中，所述電化學反應區(qū)域11位于中部，所述非電化學反應區(qū)域12位于所述電化 學反應區(qū)域11周邊。其中，所述非電化學反應區(qū)域12設有的與所述電化學反應區(qū)域12的流道相通的 反應物輸送通道14可采用現(xiàn)有雙極板的多種相關技術實現(xiàn)，在此省略對該部分的詳細描 述。其中，所述電化學反應區(qū)域1與所述非電化學反應區(qū)域2的拼接可采用多種方式 實現(xiàn)，如粘接、熱壓、擠壓后拼接，或者將相拼接的部分設為一定形狀，如臺階形，鋸齒形、凹 槽、凸起以及通過環(huán)狀密封條密封拼接等多種方式實現(xiàn)。以上所述的實施例僅用于說明本發(fā)明的技術思想及特點，其目的在于使本領域內(nèi) 的技術人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，不能僅以本實施例來限定本發(fā)明的專利范 圍，即凡依本發(fā)明所揭示的精神所作的同等變化或修飾，仍落在本發(fā)明的專利范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種設有多個獨立反應區(qū)域的燃料電池，包括多個燃料電池單元，每個所述燃料電池單元包括雙極板和位于所述雙極板之間的膜電極組件，所述膜電極組件包括質(zhì)子交換模和位于該質(zhì)子交換模兩側(cè)的催化劑層，其特征在于至少所述質(zhì)子交換模一側(cè)的催化劑層為多個相互獨立的催化劑層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設有多個獨立反應區(qū)域的燃料電池，其特征在于所述質(zhì)子交換模兩側(cè)均對稱設有相互獨立的催化劑層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設有多個獨立反應區(qū)域的燃料電池，其特征在于對應于每個所述催化劑層的位置處設有一透氣層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設有多個獨立反應區(qū)域的燃料電池，其特征在于所述雙極板包括非電化學反應區(qū)域和多個電化學反應區(qū)域，所述電化學反應區(qū)域與所 述催化劑層的位置相對應，所述電化學反應區(qū)域和非電化學反應區(qū)域拼接連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設有多個獨立反應區(qū)域的燃料電池，其特征在于所述非電化學反應區(qū)域的材料為非導電材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設有多個獨立反應區(qū)域的燃料電池，其特征在于每個所述燃料電池單元的催化劑層的位置相同，同一催化劑層位置處的質(zhì)子交換模、 催化劑層、透氣層和雙極板成一個燃料電池子單元，多個所述燃料電池單元相同位置處的 燃料電池子單元串聯(lián)連接構(gòu)成燃料電池子單元組，所述燃料電池子單元組之間并聯(lián)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一權(quán)利要求所述的設有多個獨立反應區(qū)域的燃料電池，其 特征在于所述質(zhì)子交換模的兩側(cè)橫向?qū)ΨQ設有多個相互分隔的催化劑層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設有多個獨立反應區(qū)域的燃料電池，其特征在于所述質(zhì)子交換模的兩側(cè)縱向?qū)ΨQ設有多個相互分隔的催化劑層。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設有多個獨立反應區(qū)域的燃料電池，其特征在于同一個所述燃料電池單元內(nèi)的所述催化劑層之間的間隙和透氣層之間的間隙處設有 絕緣的填充物。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設有多個獨立反應區(qū)域的燃料電池，其特征在于所述填充物與所述非電化學反應區(qū)域為一體結(jié)構(gòu)。
全文摘要
設有多個獨立反應區(qū)域的燃料電池，包括多個燃料電池單元，每個所述燃料電池單元包括雙極板和位于所述雙極板之間的膜電極組件，所述膜電極組件包括質(zhì)子交換模和位于該質(zhì)子交換模兩側(cè)的催化劑層，至少所述質(zhì)子交換模一側(cè)的催化劑層為多個相互獨立的催化劑層。與現(xiàn)有的盡可能使反應物在整個反應區(qū)域分配均勻的設計理念不同的是，本發(fā)明采用將整體電池分割成多個獨立的反應區(qū)域，消除反應區(qū)域之間的關聯(lián)性，分割并減小了可能出現(xiàn)的電壓差的幅度，減少了電化學腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，最大限度地發(fā)揮了自個獨立區(qū)域乃至整個燃料電池的效能。
文檔編號H01M4/90GK101826628SQ201010136269
公開日2010年9月8日 申請日期2010年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月30日
發(fā)明者高勇 申請人:上海恒勁動力科技有限公司