專利名稱：質子交換膜燃料電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種質子交換膜燃料電池，尤其是一種具有多個基本單元子組的質子交換膜燃料電池。
背景技術：
質子交換膜燃料電池由膜電極集合體(Membrane Electrode Assembly；以下簡稱MEA)以及緊貼于MEA兩面的氣體導流板組成一個基本單元。當分別在MEA兩面的氣體導流板上加入一定壓力的氫氣和氧氣(或空氣)時，由于電化學的反應而發電。而在具體應用中，所加入的氣體必須是濕潤的，一方面濕潤的氣體能提高質子交換膜燃料電池的發電效率，另一方面干燥的氣體會把MEA表面的水份也同時帶走，很容易造成MEA因干燥產生龜裂而損壞。在氫氧燃料電池當中，干燥的氧氣也很容易引發自燃現象。因此通常都要對所加入的氣體首先進行“濕化”處理，進行“濕化”處理的裝置叫做濕化器。與燃料電池分離的濕化器叫外濕化器，與燃料電池合并為一整體的濕化器叫內濕化器，如圖1、2所示，內濕化器又分為前濕化器12(濕化器位于活性區域I之前)和后濕化器13(濕化器位于活性區域I之后)。以加拿大巴拉德公司為代表的外國公司享有上述兩種內濕化器即前濕化器或后濕化器的專利權。
在實際使用質子交換膜燃料電池時，隨著所要求的輸出電壓的升高，必然要不斷地增加燃料電池中基本單元的數量。然而在傳統的、單一內濕化器及單一基本單元組的質子交換膜燃料電池結構中，基本單元數量過多，會造成以下不利的影響(1)隨著基本單元數量的增加，燃料電池進氣立井通道內氣體的流量和流速都會增大，同時，氣體在進氣立井通道和導流板氣體進口之間過渡時的流速變化也會增大，所述立井通道為基本單元組內部各基本單元共用的進氣或出氣、進水、出水通道。實驗證明，燃料電池中氧氣在流量和流速較大、并存在流速的急劇變化時，引發自燃現象的幾率就會顯著增大，在氧氣進氣立井通道通往導流板進口處極易引發自燃；(2)隨著基本單元數量的增加，由各基本單元個體差異引起的氣體分配不均勻性明顯增大，出現流場水堵、供氣不足的幾率大大增加，造成燃料電池整體性能降低且不穩定；(3)當燃料電池中一個基本單元發生自燃時，火焰通過進氣立井通道擴散可能造成所有基本單元的損壞，造成燃料電池整體報廢。
為了避免這些不利的影響，傳統的質子交換膜燃料電池在提供較大電壓輸出時，也可采用多個燃料電池串聯組成電池組的形式，以減少單個燃料電池中基本單元的數量。但串聯電池組的重量和體積都比含有相同基本單元數量的單個燃料電池大；氣路、水路、電路的連接和管理也比單個燃料電池復雜得多，且存在功率的損失。
發明內容
本發明主要實施方式的目的在于提供一種質子交換膜燃料電池，有效地提高燃料電池發電的安全性、穩定性和各基本單元之間氣體分配的均勻性。
為此，本發明的一個方面是提供了一種質子交換膜燃料電池，包括前蓋板、后蓋板及設置在所述前蓋板、后蓋板之間的基本單元組，在所述基本單元組中間設有隔板將所述基本單元組分成多個基本單元子組，所述的基本單元子組連接有濕化器，且在所述基本單元子組和與其連接的濕化器之間設有電極板，所述隔板上設置有進水通道、出水通道、進氣通道、出氣通道，或者后蓋板上設置有進水口、出水口、進氣口、出氣口。
本發明的另一個方面是提供了一種質子交換膜燃料電池，包括前蓋板、后蓋板及設置在所述前蓋板、后蓋板之間的基本單元組，在所述基本單元組中間設有隔板將所述基本單元組分成多個基本單元子組，所述的基本單元子組連接有濕化器，且在所述基本單元子組和與其連接的濕化器之間設有電極板，所述隔板上設置有進水通道、出水通道，所述隔板上還設置有進氣通道或者出氣通道，所述后蓋板上對應設置有出氣口或者進氣口。
本發明的各實施方式所涉及的質子交換膜燃料電池具有以下優點(1)由于燃料電池中所有基本單元已被分隔成多個基本單元子組，每個基本單元子組所含有的基本單元數量就會顯著減少，而各基本單元子組的氣體通道又是相對獨立，因此，各基本單元子組的進氣立井通道內，氣體的流量和流速會顯著減小，氣體在進氣立井通道和導流板氣體進口之間過渡時的流速變化也會相應減小，從而大大降低了氣體(特別是純氧氣)在燃料電池中的自燃風險，提高了電池運行的安全性；(2)由于各基本單元子組的氣路相對獨立，一旦某個基本單元子組內產生火花甚至出現自燃現象，受到損害的基本單元僅僅限于在該基本單元子組內，氣路上的分隔起到了防火墻的作用，減少了損失；(3)由于在每個基本單元子組內所包含的基本單元數目顯著減少，也即氣體導流板的數目顯著減少，使到各氣體導流板的氣體分配更加平均，出現流場水堵的幾率降低，燃料電池的發電性能更穩定且各基本單元的發電性能更均勻；(4)本發明相比于多個燃料電池組成串聯電池組的形式，在所含基本單元數量相同的條件下，節省了兩塊或兩塊以上的蓋板，減輕了電池的重量和體積，簡化了電池的氣路、水路、電路的連接與管理，避免了不必要的損失。
下面結合附圖和具體實施例進一步說明本發明的技術方案。
圖1為現有使用前濕化器質子交換膜燃料電池示意圖。
圖2為現有使用后濕化器質子交換膜燃料電池示意圖。
圖3為本發明一實施方式單進口、單出口質子交換膜燃料電池示意圖。
圖4為本發明另一實施方式單進口、雙出口質子交換膜燃料電池示意圖。
圖5為本發明又一實施方式雙進口、單出口質子交換膜燃料電池示意圖。
圖6為本發明再一實施方式雙進口、雙出口質子交換膜燃料電池示意圖。
圖7為本發明一實施方式單進口、單出口質子交換膜燃料電池電堆圖。
圖8為本發明一實施方式單進口、單出口質子交換膜燃料電池分層結構圖。
圖9為本發明一實施方式單進口、單出口質子交換膜燃料電池前蓋板圖。
圖10為本發明一實施方式單進口、單出口質子交換膜燃料電池后蓋板圖。
圖11為本發明一實施方式單進口、單出口質子交換膜燃料電池隔板圖。
圖12為本發明另一實施方式單進口、雙出口質子交換膜燃料電池電堆圖。
圖13為本發明另一實施方式單進口、雙出口質子交換膜燃料電池分層結構圖。
圖14為本發明另一實施方式單進口、雙出口質子交換膜燃料電池后蓋板圖。
圖15為本發明另一實施方式單進口、雙出口質子交換膜燃料電池隔板圖。
圖16為本發明再一實施例雙進口、單出口質子交換膜燃料電池電堆圖。
圖17為本發明再一實施例雙進口、單出口質子交換膜燃料電池分層結構圖。
圖18為本發明再一實施例雙進口、單出口質子交換膜燃料電池后蓋板圖。
圖19為本發明再一實施例雙進口、單出口質子交換膜燃料電池隔板圖。
圖20為本發明的又一實施方式雙進口、雙出口質子交換膜燃料電池電堆圖。
圖21為本發明的又一實施方式雙進口、雙出口質子交換膜燃料電池分層結構圖。
圖22為本發明的又一實施方式雙進口、雙出口質子交換膜燃料電池后蓋板圖。
圖23為本發明的又一實施方式雙進口、雙出口質子交換膜燃料電池隔板圖。
附圖標記說明1-前蓋板； 2-后蓋板； 3-前電極板；4-后電極板； 5-隔板； 6-前進水口；7-前Y氣進口；8-前Y氣出口；9-前出水口；
10-前Z氣進口；11-前Z氣出口； 12-前濕化器；13-后濕化器； 14-后Z氣進口； 15-后Y氣進口；16-后Z氣出口；17-后Y氣出口； 18-后出水口；19-后進水口； I-活性區域 AB-進氣立井通道CD-出氣立井通道具體實施方式
實施例一、如圖1、2所示，基本單元組形成活性區域I，AB段和CD段分別為活性區域I內的氣體進氣立井通道和出氣立井通道，前濕化器12或后濕化器13對所加入的氣體進行“濕化”處理，濕化器與基本單元中間設有電極板。隨著所要求的輸出電壓的升高，要不斷的增加燃料電池的基本單元，造成活性區域I基本單元組內出現內氣體壓力差增大、氣體分配不均勻、容易自燃等缺陷。如圖3-6所示，基本單元組由基本單元組成，基本單元所在區域稱為活性區域。本發明在活性區域I內設置一隔板5，將基本單元組分成兩個基本單元子組，整個活性區域I內進氣立井通道AB所包含的基本單元數量(NAB)等于A’B’段的基本單元數(NA’B’)與A”B”段的基本單元數(NA”B”)之和，即NAB＝NA’B’+NA”B”，其兩部分只是氣體通道上的區別，它們仍然組成一個電池。且活性區域I的每一部分即每一基本單元子組均設有濕化器，對進入各部分活性區域的氣體進行“濕化”處理，在每部分的活性區域即每一基本單元子組與濕化器中間還設有電極板。
具體說明如圖3所示，隔板5將活性區域I分隔成兩部分，其中A’B’段連接有前濕化器12，在兩者中間還設有前電極板3；A”B”段連接有后濕化器13，在兩者中間設有后電極板4，氣體進入前蓋板1后分別經過兩個獨立的濕化器，經濕化處理后再進入活性區域，最后導出。其兩部分只是氣體通道上的區別，它們仍然組成一個電池。
還可以用至少2個的隔板分隔所述基本單元組，所述基本單元組將被隔板分隔成至少3個基本單元子組，相應地設置濕化器、電極板，使之成為一個電池。
隔板分隔基本單元組可以根據具體需要，將基本單元組均勻劃分或非均勻劃分。所述隔板可采用耐腐蝕的導電板材料構成，可以為碳板或不銹鋼板等，本發明實施例中采用碳板作為隔板。
本發明將傳統的質子交換膜燃料電池只有單一內濕化器與單一基本單元組的結構改變成有多個濕化器與多個基本單元子組的新型結構。和傳統的質子交換膜燃料電池相比，在含有相同的基本單元數量的情況下，本發明所涉及的有著新型結構的質子交換膜燃料電池由于已將單一的基本單元組分隔成多個基本單元子組，因此，每一基本單元子組所包含的基本單元數量顯著減少，各基本單元子組進氣、出氣立井通道中氣體的流量和流速顯著的降低，所述立井通道為基本單元組內部各基本單元共用的進氣或出氣、進水、出水通道，從而大大提高了燃料電池操作時的安全性，尤其是在以純氧為氧化氣體的情況下。同時，由于各基本單元子組中基本單元數量的減少，使得各基本單元子組中氣體的壓力和分配更均勻，也有效的提高了燃料電池發電的穩定性和各基本單元之間發電的均勻性。
實施例二、基于實施例一、圖7為單進口、單出口質子交換膜燃料電池電堆圖。圖8為單進口、單出口質子交換膜燃料電池分層結構圖。圖9為單進口、單出口質子交換膜燃料電池前蓋板圖。圖10為單進口、單出口質子交換膜燃料電池后蓋板圖。圖11為單進口、單出口質子交換膜燃料電池隔板圖。如圖7所示，燃料電池由前蓋板1和后蓋板2夾設基本單元組及前濕化器12、后濕化器13而成，基本單元組由基本單元組成，基本單元是由膜電極集合體以及緊貼于所述膜電極集合體兩面的氣體導流板組成；基本單元組中間設有隔板5，將基本單元組分成2個基本單元子組。前濕化器12與第一基本單元子組中間設有前電極板3，后濕化器13與第二基本單元子組中間設有后電極板4，前蓋板1上設有前進水口6、前出水口9、前Y氣進口7、前Y氣出口8、前Z氣進口10、前Z氣出口11。
如圖11所示，單進口、單出口質子交換膜燃料電池隔板5上設置有進水通道、出水通道、進氣通道、出氣通道。如圖8所示，水從前進水口6進入，經進水立井通道依次到達前濕化器12、前電極板3、基本單元子組、隔板5、基本單元子組、后電極板4、后濕化器13的進水口端，并由上述各組件的出水口端匯入出水立井通道，最后由前出水口9流出；一種氣體(如Z氣體)由前Z氣進口10流入，經過如圖中箭頭所指示的線路在電池內部流動，最后由前Z氣出口11流出。另一氣體流經線路與上述相似，不再贅述。
實施例三、基于實施例二、圖12為單進口、雙出口質子交換膜燃料電池電堆圖。圖13為單進口、雙出口質子交換膜燃料電池分層結構圖。圖14為單進口、雙出口質子交換膜燃料電池后蓋板圖。圖15為單進口、雙出口質子交換膜燃料電池隔板圖。單進口、雙出口質子交換膜燃料電池的前蓋板與單進口、單出口質子交換膜燃料電池的前蓋板相同。
如圖14所示，基于單進口、單出口質子交換膜燃料電池后蓋板，單進口、雙出口質子交換膜燃料電池在后蓋板2上增設兩個出氣口后Z氣出口16和后Y氣出口17。如圖15所示，基于單進口、單出口質子交換膜燃料電池隔板，單進口、雙出口質子交換膜燃料電池在隔板5上減少兩個出氣通道。如圖13所示，水路與單進口、單出口質子交換膜燃料電池的相同。因為單進口、雙出口質子交換膜燃料電池在隔板5減少了兩個出氣通道，所以氣流在電池內部的流動方式發生改變，按圖13中箭頭所指示的線路流動。因后蓋板上增設后Z氣出口16和后Y氣出口17，則基于單進口、單出口質子交換膜燃料電池的設置，后電極板4、后濕化器13上相應增設出氣通道。另一氣體流經線路與上述相似，不再贅述。
實施例四、基于實施例二，圖16為雙進口、單出口質子交換膜燃料電池電堆圖。圖17為雙進口、單出口質子交換膜燃料電池分層結構圖。圖18為雙進口、單出口質子交換膜燃料電池后蓋板圖，圖19為雙進口、單出口質子交換膜燃料電池隔板圖。雙進口、單出口質子交換膜燃料電池的前蓋板與單進口、單出口質子交換膜燃料電池的前蓋板相同。
如圖18所示，基于單進口、單出口質子交換膜燃料電池后蓋板，雙進口、單出口質子交換膜燃料電池在后蓋板2上增設兩個進氣口后Y氣進口15、后Z氣進口14。如圖19所示，基于單進口、單出口質子交換膜燃料電池隔板，雙進口、單出口質子交換膜燃料電池在隔板5上減少兩個進氣通道。如圖17所示，水路與單進口、單出口質子交換膜燃料電池的相同。因為雙進口、單出口質子交換膜燃料電池在隔板5減少了兩個進氣通道，所以氣流在電池內部的流動方式發生改變，按圖17中箭頭所指示的線路流動。因后蓋板上增設后Y氣進口15、后Z氣進口14，則基于單進口、單出口質子交換膜燃料電池的設置，前電極板3、后電極板4上相應減少進氣通道；另一氣體流經線路與上述相似，不再贅述。
實施例五、基于實施例二、圖20為雙進口、雙出口質子交換膜燃料電池電堆圖。圖21為雙進口、雙出口質子交換膜燃料電池分層結構圖。圖22為雙進口、雙出口質子交換膜燃料電池后蓋板圖。圖23為雙進口、雙出口質子交換膜燃料電池隔板圖。雙進口、雙出口質子交換膜燃料電池的前蓋板與單進口、單出口質子交換膜燃料電池的前蓋板相同。
如圖22所示，基于單進口、單出口質子交換膜燃料電池后蓋板，雙進口、雙出口質子交換膜燃料電池在后蓋板2上增設有后進水口19、后出水口18、后Y氣進口15、后Y氣出口17、后Z氣進口14、后Z氣出口16。如圖23所示，基于單進口、單出口質子交換膜燃料電池隔板，雙進口、雙出口質子交換膜燃料電池在隔板上取消所有進水通道、出水通道、進氣通道、出氣通道。
如圖21所示，水路因隔板5上沒有進水通道和出水通道，所以水路在隔板處被隔斷，而相應地由同端的出水口流出。因為雙進口、雙出口質子交換膜燃料電池在隔板5無進氣通道和出氣通道，所以氣流在電池內部被隔板隔斷而分成兩個相對獨立的回路，按圖21中箭頭所指示的線路流動。因后蓋板上增設后進水口19、后出水口18、后Y氣進口15、后Y氣出口17、后Z氣進口14、后Z氣出口16，則基于單進口、單出口質子交換膜燃料電池的設置，前電極板3與前濕化器12上相應減少進氣通道，后濕化器13增設出氣通道，后電極板4上增設出氣通道、減少進氣通道。另一氣體流經線路與上述相似，不再贅述。
以上各實施例為清楚地表示氣體在電池內部的流動方向，圖中應用帶箭頭的實線作為一種氣體的流動線路示意，說明一種氣體在為單進單出、單進雙出、雙進單出、雙進雙出的不同實施方式中的氣流方向。從以上實施例中可知，電池的出口、進口數量的不同設置，其內氣流、水流的流動方向是不同的，按照特定的方式進行流動達到進出口不同設置的需要，同時也為使用者提供更多的選擇，滿足各種使用需求。
最后應說明的是以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。
權利要求
1.一種質子交換膜燃料電池，包括前蓋板、后蓋板及設置在所述前蓋板、后蓋板之間的基本單元組，其特征在于在所述基本單元組中間設有隔板將所述基本單元組分成多個基本單元子組，所述的基本單元子組連接有濕化器，且在所述基本單元子組和與其連接的濕化器之間設有電極板，所述隔板上設置有進水通道、出水通道、進氣通道、出氣通道，或者后蓋板上設置有進水口、出水口、進氣口、出氣口。
2.根據權利要求1所述的質子交換膜燃料電池，其特征在于所述隔板由耐腐蝕的導電板材料構成。
3.根據權利要求1或2所述的質子交換膜燃料電池，其特征在于所述的隔板為碳板。
4.根據權利要求1所述的質子交換膜燃料電池，其特征在于所述基本單元子組均勻或不均勻設置。
5.根據權利要求1所述的質子交換膜燃料電池，其特征在于所述濕化器設置于所述基本單元子組的前或后。
6.一種質子交換膜燃料電池，包括前蓋板、后蓋板及設置在所述前蓋板、后蓋板之間的基本單元組，其特征在于在所述基本單元組中間設有隔板將所述基本單元組分成多個基本單元子組，所述的基本單元子組連接有濕化器，且在所述基本單元子組和與其連接的濕化器之間設有電極板，所述隔板上設置有進水通道、出水通道，所述隔板上還設置有進氣通道或者出氣通道，所述后蓋板上對應設置有出氣口或者進氣口。
7.根據權利要求6所述的質子交換膜燃料電池，其特征在于所述隔板由耐腐蝕的導電板材料構成。
8.根據權利要求6或7所述的質子交換膜燃料電池，其特征在于所述的隔板為碳板。
9.根據權利要求6所述的質子交換膜燃料電池，其特征在于所述基本單元子組均勻或不均勻設置。
10.根據權利要求6所述的質子交換膜燃料電池，其特征在于所述濕化器設置于所述基本單元子組的前或后。
全文摘要
本發明涉及一種質子交換膜燃料電池，包括前蓋板、后蓋板及設置在二者間的基本單元組，在基本單元組中間設有隔板將其分成多個基本單元子組，基本單元子組連接有濕化器，且在基本單元子組和與其連接的濕化器間設有電極板，隔板上設置有進水通道、出水通道、進氣通道、出氣通道，或者后蓋板上設置有進水口、出水口、進氣口、出氣口。本發明所涉及的質子交換膜燃料電池由于每個基本單元子組包含的基本單元數量減少，其進氣、出氣立井通道中氣體的流量和流速降低，提高了燃料電池操作時的安全性，立井通道為基本單元組內部各基本單元共用的進氣或出氣、進水、出水通道；同時，也有效地提高了燃料電池發電的穩定性和各基本單元之間發電的均勻性。
文檔編號H01M8/04GK101079497SQ200710123229
公開日2007年11月28日 申請日期2007年7月2日 優先權日2007年7月2日
發明者姚赤光, 張玉萍, 駱欣, 魏金柱 申請人:重慶宗申技術開發研究有限公司