专利名称：栅架式质子交换膜燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种釆用固态电解质的燃料电池，特别是质子交换膜燃料电池。
背景技术：
公知的单个质子交换膜燃料电池主体结构包括依次层叠的阳极板、阳极、质子交换膜、阴极、阴极板。 阳极和阴极统称电极，通常由可导电且具有良好气体透过性的碳纸或者碳布构成，与质子交换膜紧密相贴， 并在各自紧贴质子交换膜的一面均匀涂覆有碳载铂催化剂。在质子交换膜燃料电池运行的过程中需要向电 极供应反应气体。阳极反应气体一般是氢气，阴极反应气体一般是氧气，实际应用中通常以空气供应阴极。 氢分于会在阳极的催化剂作用下离解为电子和氢离子，也即质于。氢离子可以穿过质子交换膜到达阴极， 电子则可以通过与电极相接的导线从阳极流过负载再到达阴极而形成电流。在阴极，氧分子、氢离子和电 子结合，放出热量，产生水。所产生的水往往以气态形式随着反应剩余的气体一起排出。实际应用中，往往采用合适的工艺将电极和质子交换膜制成一体，称为膜电极。在多个质子交换膜燃 料电池串联组成的电池堆之中，除去首尾两端的质子交换膜燃料电池外，每一质子交换膜燃料电池的阳极 和相邻质子交换膜燃料电池的阴极之间由双极板相隔。所述双极板--方面紧密夹貼着膜电极，从而在电气 方面达到将两相邻的质子交换膜燃料电池串联的目的；另一方面，双极板表面制有流场沟槽，在质子交换 膜燃料电池的运行过程中，从位于流场沟槽始端的供气管道输入的反应气体会经过流场沟槽供应到电极表 面。为了保证屯极表面各处都有尽可能足量的反应气体，输入的反应气体一般是过量的。因此，所述流场 沟槽的末端会和排出反应剰余气体的排气管道相连接。在大功率的质子交换膜燃料电池中，前述化学反应 放出的热量不可忽略，因此在双极板内还需要设有冷却道。如前所述，现有的质子交换膜燃料电池主体结构具有导气与导电相结合的结构特征。对于具有较大横 截面积的大功率质子交换膜燃料电池而言，现有的主体结构存在着下列不足首先，电极表面不同区域的供气难以达到完全均匀。为了较好地导通电流，双极板与电极之间必须有 较大的接触面积，反应气体只能在双极板的流场沟槽中流动。虽然前述电极由透气的材料制成，但沿平行 于电极表面方向的气体穿透阻力显然会大于沿垂直于电极表面方向的气体穿透阻力，因此，电极表面与双 极板流场沟槽正对区域的反应气体浓度往往高于电极表面与双极板紧密相贴处的反应气体浓度。因此，即 使在燃料电池的整体平均电流密度并不很大时，反应气体浓度较高区域的电流密度也可能已经达到了质子 交换膜所允许的电流密度最大值。这一现象制约了大功率质子交换膜燃料电池性能的提高，同时也降低了 膜电极的利用率。在现有的技术条件下，膜电极中的质子交换膜、电极等都具有较高的制造成本，因此， 膜电极利用率的降低就相应地增加了质子交换膜燃料电池的单位功率成本。相应地，排水和加湿不均匀也是前述具有较大横截面积的质子交换膜燃料电池的缺点。质于交换膜需 要在适度润湿的情况下保持良好的质子传导能力，若水分不足，会使得质子交换膜过分干燥，从而增大质 子交换膜燃料电池的等效内阻，这时往往需要采用外设的加湿装置增加输入的反应气体的湿度；而过多的 水分会导致电极被水浸润，使得反应气体无法透入，这时就需要减小输入气体的湿度并希望质子交换膜燃 料电池内部过多的水分可以被反应剩余的气体吹扫出去。与前述供气不匀的状况类似，电极表面与双极板 流场沟槽正对的区域和紧密贴合于双极板表面的区域的含水量往往是不一致的，甚至流场沟槽始端和末端 处的湿度通常也是有差别的，难以精确实现对整个质子交换膜燃料电池中湿度的平均调节。这样，就会造 成不同区域的单位面积等效电阻各不相同，增大质子交换膜燃料电池在运行中的内耗；严重时，会导致质 子交换膜燃料电池堆中某一或某几个单电池的失效，使得整个电池堆无法正常运行。为解决上述问题，通常所采用的方法是对双极板流场沟槽的样式加以改进。然而，改善流场所能起到 的效果是有限的，因为前述双极板的作用既包括导气又包括导电，若在某一方面特别地加以优化则往往使 得另一方面的效能受到限制。并且，复杂的流场也常常会增加石墨双极板的制造难度，使成本升高。如果采用不锈钢等比较容易进行流场加工的金属材料制成双极板，则必须经过特殊的表面层处理以防止在质子 交换膜燃料电池内部的酸性氛围中被腐蚀，大面积地进行表面层处理也是造成成本较高的一个原因。综上所述，现有的质子交换膜燃料电池主体结构具有的根本缺点是导气和导电难以兼优，并由此附带 产生了膜电极的利用率低，综合成本高等多个缺点。为此，需要从根本上改进质子交换膜燃料电池的主体 结构，改进的核心在于实现导气与导电功能的分离。在1999年2月出版的《电化学》期刊中"质子交换 膜燃料电池新结构" 一文曾经公开了一种新的质子交换膜燃料电池主体结构，在该结构中，设想采用光滑 不锈钢板夹贴亲水碳纸来达到将导电与导气相分离的效果。该文所设想的运行状况是 一方面碳纸和金属 板、电极均有较大的接触面积，因而导电性能较好；另一方面，碳纸内的孔隙为气体流动提供了通道，在 阴极反应生成的液态水会由于毛细作用而从电极传向碳纸，反应剩余的气体沿碳纸流动时可将水带出质子 交换膜燃料电池。此主体结构实际上是先用碳纸取代了原有的双极板来实现导气兼导电功能，再采用金属 板来实现相邻质子交换膜燃料电池间的隔离和电气串联，并未真正实现导气与导电相分离的目的。目前， 也有一些提出了不同主体结构的技术方案，例如1998年11月25日公告的CN2298604Y的中国实用新型 专利说明书公开了一种"列管式质子交换膜燃料电池"，2004年4月21日公告的CN2613060Y的中国实用 新型专利说明书公开了一种"管状质子交换膜燃料电池"，这两者的共同点在T将质子交换膜燃料电池的 膜电极制成管状，并在所述管状膜电极内外側分别装设有合适的集电装置。管状质子交换膜燃料电池的设 计虽然实现了导气与导电相分离的目的，却存在着单位体积功率密度较小、运行中产生的热量不易均匀排 出、湿度的均匀调节依然难以实现等缺点。发明内容-发明的目的是提出一种具有栅架结构的栅架式质子交换膜燃料电池，其具备较高的单位体积功率密 度和的膜电极利用率，综合成本较低，并具有较均匀的湿度调节效果和散热效果。为实现上述目的而提出的栅架式质子交换膜燃料电池技术方案，包括由电极夹叠质子交换膜组成的膜 电极，所述电极包括分别贴于所述质子交换膜两側的阴极和阳极，所述电极与所述质子交换膜的接触面上 覆有合适的催化剂；其特征在于包括由若千细管构成的栅架，所述栅架两端均固定于端板上；将所述膜 电极制成带状夹贴于两张电极网之间而构成电极带，再将所述电极带以恰当的方式在所述栅架上围成内侧 壁均为所述电极带之阳极侧的封闭空间，所述封闭空间的两边缘与所述端板之间密封固定；将阳极反应气 体通入所述封闭空间之内，并使所述封闭空间的外部侧壁与阴极反应气体相接触。所述的栅架可以采用导热性能较好且具有足够强度的材料制成的冷却管按照一定规律排列构成，所述 冷却管为中空的细管，管内通有合适的冷却流体。所述的电极为可导电和导气的多孔碳纸或者碳布，电极网由耐腐蚀且具有良好导电性和足够钿度的材料制成。所述端板为采用具有足够强度的绝缘材料制成的平板，端板上开有若干阳极管孔、阴极管孔和冷却管 孔；所述阳极管孔和阴极管孔分别与所述电极带围绕成的封闭空间的内部和外部对应，并有阳极供气管和 阴极供气管与处于一侧的端板上的阳极管孔和阴极管孔分别相连，阳极排气管和阴极排气管与另一侧的所 述端板上的阳极管孔和阴极管孔分别相连。所述端板一側装设有采用具有足够强度的导电材料制成的网柱，所述电极网的始端和末端均与所述网 柱相连，并采ffl网夹固定于所述网柱上。当栅架的结构与栅架上的电极带的围绕方式均合适时，相对于前述的现有质子交换膜燃料电池结构而 言，在相同体积的空间内可以布置面积更大的膜电极。这样就提高了栅架式质子交换膜燃料电池的单位体 积功率密度。栅架上的电极带只有与栅架相接触的一部分很小的窄条面积不会直接接触到阴极反应气体或 阳极反应气体两者之一，其它绝大部分的膜电极都可以和反应气体之间有良好的直接接触，因此栅架式质 子交换膜燃料电池的膜电极利用率较高。另外，栅架式结构中也没有双极板等具有较高成本的部件，唯一 需要进行特殊表面层处理的部件仅有栅架和电极网，因而其综合成本也是较低的。当采用冷却管作为栅架管时，可以在冷却管中通以温度较低的冷却流体，也即多余的水很容易冷凝到冷却管上聚成较大的水滴， 从而比附着在电极表面的水膜更容易被反应剩余气体吹扫出去。因此，栅架式质子交换膜燃料电池内部的 温度和湿度都可以容易地进行均匀的调节。附阁说明
图1为栅架式质子交换膜燃料电池主体的侧视图。图2为端板的主视图。图3为栅架式质子交换膜燃料电池主体的横向剖视图。 图4为电极网固定装置的局部放大剖视图。以上各图中所示部件名称如下l.阴极供气管；2.冷却管；3.阳极供气管；4.端板；5.电极带；6.密封 带；7.阴极排气管；8.阳极排气管；9.膜电极；IO.阳极管孔；1L阴极管孔；12.冷却管孔；13.网夹；14.网 柱；15.密封隔板；16.填充物；17.阴极网；18.阳极网；19.网柱孔。
具体实施例方式栅架式质子交换膜燃料电池的侧面形貌如图1所示。从图中可见位于上方的端板4上插接有阴极供气 管1、阳极供气管3和冷却管2。端板4是采用硬质绝缘材料制成的平板，在图2中示出了端板的侧面形 貌。端板上开有与上述各管相对应的管孔，即阴极管孔ll、阳极管孔10和冷却管孔13。阴极管孔和阳极 管孔应当交错设置，并且相邻的阴极管孔和阳极管孔之间都隔有合适的距离。在本实施例中，采用了将冷 却管孔布置在交错相邻的正三角形顶点上的样式，显然可以对冷却管孔的布置样式进行适当的调整而不会 改变和影响本发明本质原理和思想的实现。对于本实施例所采用的布置形式，正三角形的边长可以在lcm 左右，冷却管的外径应当在0.2cm以下。在位于下方的端板上，各管孔都是与上侧端板镜像对应的。不同 之处在于，下侧端板的阴极管孔11和阳极管孔10分别与阴极排气管7和阳极排气管8相接。穿过冷却管 孔的冷却管将上下端板连接在一起。以两端板之间的冷却管构成栅架，在栅架上绕有电极带5。电极带的 两侧有密封带6。可以采用足量具有良好密封性的胶状材料涂覆于电极带与端板相接的边缘处而形成密封 带。电极带则采用两张电极网将膜电极夹贴在中间而成，电极网可以采用经过表面层处理以防腐蚀的不锈 钢网，或者用其它可以抵抗腐蚀并且有足够强度，可以维持盘室侧壁基本平整的金属网。阴极侧的电极网 称为阴极网，阳极侧的电极网称为阳极网。阴极网和阳极网的面积和形状是完全相同的，其宽度稍窄于膜 电极，以防止屯极网之间短路或漏电；电极网长度长于膜电极，以便在电极网始端和末端将其拉紧固定。 膜电极，特别是膜电极中的质子交换膜的长度应当略长于其在栅架上围绕成闭合空间所需的长度。电极网 的作用是固定膜电极和导引电流。图1中示意了分列左右的两组栅架式质子交换膜燃料电池，每一组的阴极供气管与排气管、阳极供气 管与排气管都采用了若干分列支管与一根主管相连的形式。位于上側端板的阴极供气管和阴极供气管的伸 出高度和各自主管的伸出方向都不同，以便相互错开；下侧端板的排气管排列方式与上侧端板类似。外径 较小的冷却管则可以灵活排列在上述各支管和主管之间，用导管将它们连接成冷却管网，在图l所给出的 示例中可见两组栅架式质子交换膜燃料电池共用同一个冷却管网，该冷却管网在上F侧各有两个管口以便 接入冷却流体回路。可以采用水、乙二醇等合适的液体作为冷却流体。其它关丁-供气管、排气管和冷却管 的布置方案都不会改变或影响本发明本质原理和思想的实现。图3清晰地示出了栅架式质子交换膜燃料电池的内部形貌。从图3中可见由电极网和膜电极组成的电 极带5围绕在若干冷却管2排列成的栅架上，将阳极管孔围绕在其中而形成了封闭的空间，即图中的浅灰 色区域。当栅架式质于交换膜燃料电池运行时，这些区域内将会充满从阳极供气管输入的氧气。如前所述， 电极带是由阴极网和阳极网夹贴膜电极而组成的，阴极网和阳极网各自的始端和末端都会在图中右侧的网 柱14上拉紧固定，并采用网夹13夹住。为了确保这一区域的良好密封而避免阴极和阳极的反应气体在此 处穿透泄漏，采用密封隔板15将此区域围起并在其中填充可固化的密封胶16,在图3中用点状区域示出。当然，密封胶和密封隔板都是绝缘的。为详细阐述电极网的固定方案，在图4中给出了其中一组栅架式质子交换膜燃料电池的电极网固定装 置所在区域的局部放大剖视图。图4中用点状区域示出了由电极网夹贴的膜电极9。从图中可见，膜电极 的长度以围绕栅架一周后折回时，其始端和末端恰能越过隔板而延伸入密封区域为妥。阴极网17是电极 带所围成的空间的外壁，其始端和末端分别采用两根网柱进行固定拉紧，使得拉紧后的电极网可以与膜电 极贴紧。以阴极网的始端为例对固定方式加以说明首先采用螺栓固定等方式将由具有足够强度的不锈钢 等金属材料制成的网柱安装在端板上的网柱孔中，随后将阴极网17的始端在网柱上缠裹约四分之三圆周， 然后用具有弹性的网夹13将其夹住。可以在网柱上相隔合适的距离装设若干网夹。阳极网18是电极带所 围成的空间的内壁，其始端和末端一起固定在同一根网柱上。阴极网的末端以另一根网柱加以固定。因为 采用良导体材料制成且与电极网相接，网柱的顶端或末端同时还可以起到与外部负载电路相接的接线柱的 作用。上述方案仅为本发明中各主要结构的优选实施方式。应当指出，在不脱离本发明本质原理和思想的前 提下，可以对本发明中各部分结构提出多种变型或改进，这些变型或改进也属于本发明的保护范围。
权利要求
1. 一种栅架式质子交换膜燃料电池，包括由电极夹叠质子交换膜组成的膜电极，所述电极包括分别贴于所述质子交换膜两侧的阴极和阳极，所述电极与所述质子交换膜的接触面上覆有合适的催化剂；其特征在于包括由若干细管构成的栅架，所述栅架两端均固定于端板上；将所述膜电极制成带状夹贴于两张电极网之间而构成电极带，再将所述电极带以恰当的方式在所述栅架上围成内侧壁均为所述电极带之阳极侧的封闭空间，所述封闭空间的两边缘与所述端板之间密封固定；将阳极反应气体通入所述封闭空间之内，并使所述封闭空间的外部侧壁与阴极反应气体相接触。
2. 如权利要求1所述的栅架式质子交换膜燃料电池，其特征在于所述栅架由冷却管按照一定规律排列 而成，所述冷却管为采用导热性能较好且具有足够强度的材料制成的中空细管，管内通有合适的冷却流体。
3. 如权利要求1所述的栅架式质子交换膜燃料电池，其特征在于所述电极为可导电和导气的多孔碳纸 或者碳布。
4. 如权利要求1所述的栅架式质子交换膜燃料电池，其特征在于所述电极网由耐腐蚀且具有良好导电 性和足够韧度的材料制成。
5. 如权利要求1所述的栅架式质子交换膜燃料电池，其特征在于所述端板为采用具有足够强度的绝缘 材料制成的平板，所述端板上开有若干阳极管孔、阴极管孔和冷却管孔；所述阳极管孔和阴极管孔分别与所述电极带围绕成的封闭空间的内部和外部对应，并有阳极供气管和阴极供气管与处于一侧的所述端板上 的阳极管孔和阴极管孔分别相连，阳极排气管和阴极排气管与另一侧的所述端板上的阳极管孔和阴极管孔分别相连。
6. 如权利要求1所述的栅架式质子交换膜燃料电池，其特征在于所述端板-侧装设有采用具有足够强 度的导电材料制成的网柱，所述电极网的始端和末端均尚定下-所述网柱上。
全文摘要
本发明公开了一种栅架式质子交换膜燃料电池，其包括由阴极和阳极夹贴于质子交换膜两侧而组成的膜电极，在电极与所述质子交换膜的接触面上覆有合适的催化剂。由若干细管按一定规律排列构成栅架1，栅架的两端由端板2固定；将带状膜电极夹贴于两张电极网之间构成电极带3，再将该电极带以恰当的方式在栅架上围成内侧壁均为电极带之阳极侧的封闭空间，对电极带的边缘予以密封固定，并采用固定装置6将电极带的始端和末端予以固定；将阳极反应气体和阴极反应气体分别通过端板上的阳极管孔5和阴极管孔4供入所述封闭空间的内部和外部。具有上述结构的质子交换膜燃料电池具备较高的单位体积功率密度和膜电极利用率，以及较低的综合成本。
文档编号H01M8/04GK101262070SQ20071005161
公开日2008年9月10日 申请日期2007年3月5日 优先权日2007年3月5日
发明者浩 田 申请人:浩 田