專利名稱：包括多個(gè)獨(dú)立電池子單元組的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及獨(dú)立反應(yīng)區(qū)域的燃料電池。
背景技術(shù)：
燃料電池通常由多個(gè)電池單元構(gòu)成，每個(gè)電池單元包括兩個(gè)電極(雙極板)，該兩 個(gè)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(gè)電極供給適 當(dāng)?shù)姆磻?yīng)物，即給一個(gè)電極供給燃料而另一個(gè)供給氧化劑，實(shí)現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)，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(gè)電池單元的膜電極組件 (MEA)中反應(yīng)區(qū)域(催化劑層)面積的方式實(shí)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(shè)有催化劑層2，反應(yīng)物從通道4中進(jìn)入雙極板的流道，流 道中釋放反應(yīng)物在膜電極組件(MEA)的催化劑層2上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。與之前的技術(shù)相比，雖然目前雙極板的流道設(shè)計(jì)已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)步，但是隨著 膜電極組件(MEA)中反應(yīng)區(qū)域面積的增加，在電化學(xué)反應(yīng)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(yīng)物。如圖1所示的膜電極組件(MEA)中，針對(duì)整個(gè)電池設(shè)定的流 道區(qū)域，從進(jìn)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(yīng)物的供給的波 動(dòng)所產(chǎn)生的電瞬態(tài)效應(yīng)，其電壓V與縱向的同一個(gè)流道長(zhǎng)度L的關(guān)系如圖2所示。在長(zhǎng)度 L為的同一個(gè)流道中，在流道兩端可能產(chǎn)生較大的電壓差A(yù)V ；同理，在膜電極組件(MEA)反 應(yīng)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(yīng)物 不均勻釋放產(chǎn)生電壓差的現(xiàn)象，導(dǎo)致每個(gè)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(xué)腐蝕，這將極大地縮減燃料電池的使用壽命。并且反應(yīng)物供給量大的 區(qū)域受限于反應(yīng)物供給量小的區(qū)域，這種關(guān)聯(lián)效應(yīng)還會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)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。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種包括多個(gè)獨(dú)立電池子單元組的燃料電池，以解決 現(xiàn)有燃料電池的每個(gè)電池單元易產(chǎn)生橫向電流導(dǎo)致燃料電池的腐蝕的技術(shù)問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案一種包括多個(gè)獨(dú)立電池子單元組的燃料電池，包括多個(gè)燃料電池單元，每個(gè)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，所述質(zhì)子交換模兩側(cè)均對(duì)稱設(shè)有相互獨(dú)立的 催化劑層；對(duì)應(yīng)于每個(gè)所述催化劑層的位置處設(shè)有一透氣層；所述雙極板包括非電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域和多個(gè)電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域，所述電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域 與所述催化劑層的位置相對(duì)應(yīng)，所述電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域和非電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域拼接連接，所述
3非電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域的材料為非導(dǎo)電材料；每個(gè)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(gè)燃料電池子單元，多個(gè)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，每個(gè)所述燃料電池子單元組與一二極 管串聯(lián)后并聯(lián)。與現(xiàn)有的盡可能使反應(yīng)物在整個(gè)反應(yīng)區(qū)域分配均勻的單個(gè)燃料電池堆的設(shè) 計(jì)理念不同的是，本實(shí)用新型采用將整體燃料電池分割成多個(gè)獨(dú)立燃料電池子單元組，消 除了反應(yīng)區(qū)域之間的關(guān)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(xué)腐蝕 現(xiàn)象的發(fā)生，最大限度地發(fā)揮了自個(gè)獨(dú)立燃料電池子單元乃至整個(gè)燃料電池的效能。進(jìn)一步地，所述質(zhì)子交換模的兩側(cè)橫向?qū)ΨQ設(shè)有多個(gè)相互分隔的催化劑層。進(jìn)一步地，所述質(zhì)子交換模的兩側(cè)縱向?qū)ΨQ設(shè)有多個(gè)相互分隔的催化劑層。進(jìn)一步地，同一個(gè)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(shè)有絕緣的填充物。進(jìn)一步地，所述填充物與所述非電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域?yàn)橐惑w結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型將燃料電池的模電極組件中的催化劑層設(shè)計(jì)成多個(gè)獨(dú)立的區(qū)域，并進(jìn) 一步地將透氣層、雙板等等相應(yīng)地分開設(shè)計(jì)，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，大大延緩了燃料電池的腐蝕現(xiàn)象，提高了燃料電池的 壽命。并且通過增加的二極管，有效避免了因電壓差而在燃料電池子單元組之間有害電流 的產(chǎn)生，進(jìn)一步提高了燃料電池的壽命，最大限度地發(fā)揮了自個(gè)獨(dú)立燃料電池子單元乃至 整個(gè)燃料電池的效能。
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步說明本實(shí)用新型。
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(gè)流道長(zhǎng)度L上的電壓V關(guān)系圖；圖3為本實(shí)用新型包括多個(gè)獨(dú)立電池子單元組的燃料電池實(shí)施例中的膜電極組 件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實(shí)用新型包括多個(gè)獨(dú)立電池子單元組的燃料電池實(shí)施例中的雙極板的 結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本實(shí)用新型包括多個(gè)獨(dú)立電池子單元組的燃料電池實(shí)施例中在圖3膜電極 組件A-A處的剖視圖；圖6為本實(shí)用新型包括多個(gè)獨(dú)立電池子單元組的燃料電池實(shí)施例中的膜電極組 件在同一個(gè)流道長(zhǎng)度L上的電壓V關(guān)系圖；圖7為本實(shí)用新型包括多個(gè)獨(dú)立電池子單元組的燃料電池實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖5所示，一種包括多個(gè)獨(dú)立電池子單元組的燃料電池，包括多個(gè)燃料電池單 元，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(gè)相互獨(dú)立的催化劑層21。即催化劑層21相互分開設(shè)計(jì)，與現(xiàn)有的催化劑層2為一整張的設(shè)計(jì)相區(qū)別，避免在催化劑層21上產(chǎn)生較大的橫向電流。其中，所述質(zhì)子交換模22兩側(cè)的催化劑層21對(duì)稱設(shè)置。其中，對(duì)應(yīng)于每個(gè)所述催化劑層21的位置處設(shè)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(shè)計(jì)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(xué)反應(yīng)區(qū)域12和多個(gè)電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域11，所述電 化學(xué)反應(yīng)區(qū)域11與所述催化劑層21的位置相對(duì)應(yīng)，所述電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域11和非電化學(xué)反 應(yīng)區(qū)域12拼接連接。其中，所述非電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域12的材料為非導(dǎo)電材料。其中，如圖5所示，每個(gè)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(gè)燃料電池子 單元，多個(gè)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，每個(gè)所述燃料電池子單元組與一二極管串聯(lián)后并聯(lián)，如圖7所示。同一個(gè)燃料電池單元 中各個(gè)燃料電池子單元相互獨(dú)立，各個(gè)子單元之間不會(huì)產(chǎn)生橫向電流，并且各個(gè)燃料電池 子單元組單元之間也不會(huì)因電壓的差異而產(chǎn)生電流，因此可有效地提高燃料電池的使用壽 命。這樣，在同一個(gè)所述燃料電池單元上即使由于流道提供的反應(yīng)物氣流不均勻，而 產(chǎn)生瞬態(tài)效應(yīng)，也不會(huì)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(gè)流 道中，由于反應(yīng)物氣流分配的不均勻，而產(chǎn)生瞬態(tài)效應(yīng)，其電壓V與縱向的同一個(gè)流道長(zhǎng)度 L的關(guān)系。在長(zhǎng)度L為的同一個(gè)流道中，通過將催化劑層21設(shè)計(jì)成多個(gè)獨(dú)立的區(qū)域，在流 場(chǎng)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(gè)數(shù))，這大大減小了流場(chǎng)中電壓或電流 的變化幅度。同理，在反應(yīng)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(gè)數(shù))，這也大大減小了每個(gè)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(gè)的燃料電池子單元內(nèi)，避免了 整個(gè)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(duì)應(yīng)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(shè)計(jì)，如從2個(gè)到200個(gè)，其排布方式 也可以有多種。較好的設(shè)計(jì)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(shè)有多個(gè)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(shè)有多個(gè)相互分隔的催化劑層21。本實(shí)施例中是以四個(gè)催化劑層21進(jìn)行說明的，應(yīng)當(dāng)理解的是，該實(shí)施例并不構(gòu)成 對(duì)本實(shí)用新型的限制。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(gè)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(shè)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(xué)反應(yīng)區(qū)域12的一部分，即 該填充物120與所述非電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域12為一體結(jié)構(gòu)。這樣可以簡(jiǎn)化燃料電池的加工和 組裝。其中，所述雙極板10的電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域1是指供給燃料和氧化劑發(fā)生反應(yīng)的區(qū)域，而非電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域12是指不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域。該非電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域12用于 支撐所述電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域11，承受外界的作用力。通過將雙極板的電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域11和 非電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域12分開設(shè)計(jì)，可有效降低設(shè)計(jì)難度。例如，所述電化學(xué)反應(yīng)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(xué) 反應(yīng)區(qū)域12的雙極板材料可采用具有一定強(qiáng)度和耐熱性能的廉價(jià)易于加工成型的材料制 成，組裝時(shí)電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域1拼接連接在該非電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域12中即可。其中，所述非電化學(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)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(yīng)區(qū)域和其周邊的非 反應(yīng)區(qū)域均為同一種導(dǎo)電材料，這使得反應(yīng)產(chǎn)生的部分電流從其周邊的非反應(yīng)區(qū)域通過， 形成渦流，造成電流的梯度偏差，導(dǎo)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。本實(shí)用新型通過將雙極板的電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域11和非電化學(xué) 反應(yīng)區(qū)域12分開設(shè)計(jì)，并采用絕緣材料制作所述非電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域12，這樣可使電流均勻 地從電化學(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)區(qū)域12為絕緣材料制成，這種連接方式可進(jìn)一步避免橫向電流的發(fā) 生。其中，所述電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域11位于中部，所述非電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域12位于所述電化 學(xué)反應(yīng)區(qū)域11周邊。其中，所述非電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域12設(shè)有的與所述電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域12的流道相通的 反應(yīng)物輸送通道14可采用現(xiàn)有雙極板的多種相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在此省略對(duì)該部分的詳細(xì)描 述。其中，所述電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域1與所述非電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域2的拼接可采用多種方式 實(shí)現(xiàn)，如粘接、熱壓、擠壓后拼接，或者將相拼接的部分設(shè)為一定形狀，如臺(tái)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(shí)現(xiàn)。以上所述的實(shí)施例僅用于說明本實(shí)用新型的技術(shù)思想及特點(diǎn)，其目的在于使本領(lǐng) 域內(nèi)的技術(shù)人員能夠了解本實(shí)用新型的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，不能僅以本實(shí)施例來限定本實(shí)用 新型的專利范圍，即凡依本實(shí)用新型所揭示的精神所作的同等變化或修飾，仍落在本實(shí)用 新型的專利范圍內(nèi)。
權(quán)利要求一種包括多個(gè)獨(dú)立電池子單元組的燃料電池，包括多個(gè)燃料電池單元，每個(gè)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，其特征在于所述質(zhì)子交換模兩側(cè)均對(duì)稱設(shè)有相互獨(dú)立的催化劑層；對(duì)應(yīng)于每個(gè)所述催化劑層的位置處設(shè)有一透氣層；所述雙極板包括非電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域和多個(gè)電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域，所述電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域與所述催化劑層的位置相對(duì)應(yīng)，所述電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域和非電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域拼接連接，所述非電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域的材料為非導(dǎo)電材料；每個(gè)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(gè)燃料電池子單元，多個(gè)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，每個(gè)所述燃料電池子單元組與一二極管串聯(lián)后并聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的包括多個(gè)獨(dú)立電池子單元組的燃料電池，其特征在于所述質(zhì)子交換模的兩側(cè)橫向?qū)ΨQ設(shè)有多個(gè)相互分隔的催化劑層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的包括多個(gè)獨(dú)立電池子單元組的燃料電池，其特征在于所述質(zhì)子交換模的兩側(cè)縱向?qū)ΨQ設(shè)有多個(gè)相互分隔的催化劑層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的包括多個(gè)獨(dú)立電池子單元組的燃料電池，其特征在于同一個(gè)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(shè)有 絕緣的填充物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的包括多個(gè)獨(dú)立電池子單元組的燃料電池，其特征在于所述填充物與所述非電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域?yàn)橐惑w結(jié)構(gòu)。
專利摘要包括多個(gè)獨(dú)立電池子單元組的燃料電池，包括多個(gè)燃料電池單元，每個(gè)所述燃料電池單元包括雙極板和膜電極組件，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，所述質(zhì)子交換模兩側(cè)均對(duì)稱設(shè)有相互獨(dú)立的催化劑層；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(gè)燃料電池子單元，多個(gè)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，每個(gè)所述燃料電池子單元組與一二極管串聯(lián)后并聯(lián)。本實(shí)用新型采用將整體燃料電池分割成多個(gè)獨(dú)立燃料電池子單元組，消除了反應(yīng)區(qū)域之間的關(guān)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(xué)腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。
文檔編號(hào)H01M4/86GK201741756SQ20102016569
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2010年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月30日
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