[發(fā)明專利]大批量制造的燃料電池布置及其生產(chǎn)方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200980159477.1
• 申請日: 2009-04-30
• 公開（公告）號: CN102449830A
• 公開（公告）日: 2012-05-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 瑪麗亞·辛普森;托倫斯·達菲;查爾斯·辛普森
• 申請（專利權(quán)）人: FDI能源有限公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04;H01M8/10
• 代理公司: 上海市華誠律師事務(wù)所 31210
• 代理人: 彭里

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池及其制造方法。更特別地，本發(fā)明涉及燃料電池布置和大批量處理，該燃料電池布置首次能夠?qū)嵱玫匾韵鄬Φ偷某杀敬笈康乇恢圃?，該大批量處理提供穩(wěn)固的并且可靠的燃料電池結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

試驗性的燃料電池在19世紀中期第一次被生產(chǎn)作為在電化學(xué)存儲裝置中展開的研究。那些早期的工作導(dǎo)致現(xiàn)代的蓄電池，然而，蓄電池在過去的百年發(fā)展相對很少。當(dāng)在二十世紀六十年代NASA需要緊湊的、有效的發(fā)電系統(tǒng)用于美國太空計劃時，因為費用不是首要因素，所以燃料電池變成儲能裝置的選擇。

一般而言，燃料電池和蓄電池兩者實質(zhì)上都以同樣的方式產(chǎn)生電。也就是說，它們在源極(陰極)的氧化材料(燃料)產(chǎn)生正離子，并且在返回電極(陽極)的還原材料(氧化劑)產(chǎn)生負離子。這些正和負離子組合在電解質(zhì)中形成新的穩(wěn)定的材料以及完成電學(xué)路徑。

電池的燃料和氧化劑的來源是電極材料，當(dāng)電池的燃料和氧化劑耗盡時，使電池不工作。然而，燃料電池中的電極是不變的構(gòu)造，該構(gòu)造提供電學(xué)的路徑并且對化學(xué)活性沒有貢獻。催化劑促使氧化處理，當(dāng)從外部來源補充燃料和氧化劑時，維持該氧化處理。大多數(shù)現(xiàn)代的燃料電池使用氫作為燃料，并且使用空氣作為氧化劑。

原子能級、氫容許過濾器(質(zhì)子交換膜或PEM)大大地簡化燃料電池的構(gòu)造。在PEM燃料電池中，富氫的流體被供給到PEM的負電極(陰極)側(cè)，其中，催化劑使得氫原子和圍繞的流體材料分離，同時分離的氫原子的電子在經(jīng)過PEM之前被交出給負電極?？諝庵械难跬ㄟ^在PEM的正電極(陽極)側(cè)的催化活性獲得電子。氫和氧原子(離子)結(jié)合，完成循環(huán)并且生成物被排出。

許多燃料電池系統(tǒng)中的PEM是在市場上例如從杜邦和戈爾工業(yè)可買到的薄塑料膜，并且在操作特性上類似于塑料食物包裝。因此許多機械的困難與這個“塑料包裝”型的PEM有關(guān)。需要包括燃料和冷卻流體路徑兩者的、復(fù)雜的、昂貴的、物理支持的構(gòu)造。

電解質(zhì)、PEM和隔板加工需要精確操作，該精確操作使得最后的組裝極其困難。密封和連接電池堆的處理是最需要的，因為PEM和隔板對流體潤濕和高溫兩者都敏感。由于高價的材料和產(chǎn)量這兩方面的損失，稀有的金屬催化劑和容易損壞的碳混合電極顯著地有助于成本。最后的困難是組裝和密封電池，因為結(jié)合溫度和壓力必須被保持極其低，以避免毀壞部件。

用于汽車的燃料電池的使用存在另一個巨大的挑戰(zhàn)。例如，對于僅僅有日常維修的家庭車輛的最低的預(yù)期壽命在5年的跨度中是100,000英里。汽車必須在各式各樣的不利條件下起動和操作，并且驅(qū)動裝置必須足夠小型，以允許遠離乘客室便利地放置而且還易于維修。即使當(dāng)被誤用或輕微受損時，驅(qū)動裝置也必須安全地工作并且迅速地起動。此外，必須符合嚴格的排放標(biāo)準(zhǔn)。從經(jīng)濟的觀點，重要的是，燃料電池必須比得上當(dāng)前的傳動技術(shù)以及部件替換，而不是完整的系統(tǒng)替換。

大量的研究和開發(fā)已經(jīng)致力于汽車的燃料電池。然而，在本發(fā)明之前，這樣的研發(fā)到目前為止仍未能產(chǎn)生經(jīng)濟的實用的燃料電池產(chǎn)品，因為已經(jīng)大量地集中在基本的科學(xué)原則以及基礎(chǔ)發(fā)展上，諸如PEM系的全氟磺酸。一方面，對于PEM電池的觀察到的電流密度在大約25mA/cm²到4000mA/cm²的范圍內(nèi)變化。另一方面，獲得這種電流密度通常已經(jīng)包括使用石墨作為導(dǎo)電的電極材料。

碳的固有的結(jié)塊以及粒狀結(jié)構(gòu)存在大的多孔表面區(qū)域柵格，燃料和氧化劑流過該多孔表面區(qū)域柵格。如果在形成碳電極之后用催化劑材料處理這個大的表面區(qū)域，則使用大量的貴金屬。如果碳在形成或附著作為電極之前被摻合有催化劑和粘合劑，則電阻增大。因為碳的已經(jīng)高的內(nèi)電阻，所以在分界面產(chǎn)生的任何外電阻實質(zhì)上增加了作為熱能的能量損失。

此外，從電連接、流體密封以及將其保持在適當(dāng)位置的構(gòu)造的觀點出發(fā)，將PEM電解質(zhì)和碳電極電池組裝成能用的堆已經(jīng)證明是困難的。同樣，當(dāng)溫度接近90℃時，PEM迅速地惡化。因此，在商界中，已經(jīng)在實驗室可接受的分離的冷卻部件以及復(fù)雜的水合系統(tǒng)當(dāng)然較少。歸因于高成本以及生產(chǎn)困難，陶瓷電解質(zhì)的開發(fā)已經(jīng)被縮減。

我們已經(jīng)認識到尤其對于成本是主要因素的汽車應(yīng)用而言，燃料電池的關(guān)鍵要求是它們可被大量生產(chǎn)并且具有穩(wěn)定的高質(zhì)量，但是迄今為止，傳統(tǒng)的燃料電池得不到這樣的特性。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)本發(fā)明，公開燃料電池制造、處理以及組裝方法，具有以下目的，有利地除去許多部件以及普通燃料電池制造的大部分昂貴的處理步驟，以便實質(zhì)上降低成本以及增加可制造性，而不犧牲當(dāng)前使用的燃料電池的優(yōu)點。