[實(shí)用新型]一種燃料電池半電池組件

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201020204494.2
• 申請日: 2010-05-24
• 公開（公告）號: CN201689937U
• 公開（公告）日: 2010-12-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐麟;沈軍;陳捷;張超;章波;陳凌云
• 申請（專利權(quán)）人: 昆山弗爾賽能源有限公司
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10;H01M4/96;H01M2/08
• 代理公司: 上海百一領(lǐng)御專利代理事務(wù)所(普通合伙) 31243
• 代理人: 馬育麟

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及燃料電池技術(shù)，特別是涉及了一種質(zhì)子交換膜燃料電池半電池組件及其制造方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)當(dāng)今世界，隨著科技和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人們生活水平的不斷提升，對于傳統(tǒng)的化石能源(如石油、天然氣等)已越來越無法滿足人類日常生產(chǎn)、生活的需求。傳統(tǒng)能源多為不可再生能源，且儲量有限，遲早會被消耗殆盡，并且此類能源會引起嚴(yán)重的全球環(huán)境污染問題。為了地球及人類社會的可持續(xù)發(fā)展，世界各國都在致力于尋找到一種可再生的清潔能源。目前科學(xué)家們一致認(rèn)為“氫能”是未來替代汽油、柴油等傳統(tǒng)能源的有效清潔能源之一；但是氫氣直接利用的話，能量轉(zhuǎn)換效率地低下，所以燃料電池的應(yīng)用成為了一種有效途徑，其中尤以質(zhì)子交換膜燃料電池為重，因?yàn)樗且环N直接將儲存于燃料(如氫氣)和氧化劑(如空氣)中的化學(xué)能高效且對環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，由于其具備這些優(yōu)勢已被公認(rèn)為未來的清潔動力電源，并且在移動式電源、備用電源、汽車、航空航天等領(lǐng)域都已有廣泛的應(yīng)用。

一般地，傳統(tǒng)質(zhì)子交換膜燃料電池堆是由多組單電池組成，一組單電池由膜電極(MEA)、陰極板、陽極板、密封件組成，如圖1所示：氫氣流場密封件1，陽極板2，水流場密封件3，陰極板4，空氣流場密封件5，膜電極6。單電池的陽極板與另一組單電池的陰極板連接組成一組燃料電池雙極板，兩塊極板之間安裝有密封件結(jié)構(gòu)，每兩組雙極板之間則放置一片膜電極，雙極板和膜電極之間也安裝有密封件結(jié)構(gòu)，密封件結(jié)構(gòu)在電池中起到分隔流體腔，防止氣體泄漏的作用。再根據(jù)負(fù)載用電電壓的不同要求串聯(lián)一定數(shù)量的單電池后再加上端板等附件組成一個(gè)燃料電池堆。這樣可以看出，燃料電池電堆裝配過程序要重復(fù)的部件多達(dá)6件以上，導(dǎo)致裝配過程復(fù)雜，容易出現(xiàn)漏裝、錯(cuò)裝現(xiàn)象。

質(zhì)子交換膜燃料電池在工作時(shí)，其內(nèi)部發(fā)生下述反應(yīng)過程：氫氣和空氣在擴(kuò)散層內(nèi)擴(kuò)散，當(dāng)反應(yīng)氣體到達(dá)催化層時(shí)，在催化層內(nèi)被催化劑吸附并發(fā)生電催化反應(yīng)；氫氣在陽極反應(yīng)生成的氫質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜內(nèi)傳遞到陰極側(cè)，電子經(jīng)外電路到達(dá)陰極，同空氣中的氧分子在陰極側(cè)催化層內(nèi)反應(yīng)結(jié)合成水，同時(shí)放出熱量。冷卻水將放出的熱量帶出燃料電池內(nèi)部。從其反應(yīng)過程可以了解，燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)是一個(gè)多流體結(jié)合電催化的反應(yīng)過程。氫氣是一種極易泄漏的氣體，一旦發(fā)生泄漏或和空氣發(fā)生互串會導(dǎo)致燃燒和爆炸等危險(xiǎn)情況。冷卻水和氣體發(fā)生泄漏或互串會影響電堆性能導(dǎo)致水淹等情況發(fā)生。所以，燃料電池堆的密封工藝要求就顯得至關(guān)重要。

上海神力科技有限公司在專利ZL01105975中公開了一種燃料電池單元的密封辦法，采用獨(dú)立的預(yù)先成型的密封墊圈嵌入到燃料電池極板密封槽及膜電極之間形成密封結(jié)構(gòu)的辦法，需要多一步將密封墊嵌入密封槽的步驟。該方法適合批量生產(chǎn)燃料電池用的密封墊片，但其方法沒能實(shí)現(xiàn)將密封圈直接在極板上成型，并且使用該方法組成的極板在裝配的時(shí)候非常復(fù)雜，必須以一片陰極板、一片陽極板、一片膜電極的順序依次疊加，并且每個(gè)單元之間需要放置單獨(dú)成型的密封圈來密封。這樣的方法不但工藝復(fù)雜，工作量大，電堆拆卸維護(hù)也相當(dāng)復(fù)雜；而且由于密封圈原本是獨(dú)立的，如圖2-A、2-B分別為獨(dú)立密封件和極板裝配前后效果示意圖，裝配后完全靠壓緊力來實(shí)現(xiàn)密封，密封件和極板之間的接觸面8可能會有縫隙，氣密性不理想，容易導(dǎo)致氣體泄漏。另外，密封墊圈的制作需要開發(fā)模具，前期開發(fā)成本高。

本田技研工業(yè)株式會社在ZL02813619、ZL02813979、ZL200610075875中提到一種直接在雙極板上涂敷密封劑的方法，最后通過壓合方法將燃料電池組件全部粘結(jié)在一起。通過該方法得到的燃料電池組件在裝配前并不是真正的雙極板，更不是半電池，僅僅是單極板。涂敷的辦法是在起始點(diǎn)采用相交延長的辦法處理，需要加大涂膠的隔板面積，造成面積浪費(fèi)，通過該工藝粘合組成的燃料電池堆無法重復(fù)拆卸維修，而且裝配時(shí)較復(fù)雜，可能會出現(xiàn)漏裝或錯(cuò)裝的情況。

中國礦業(yè)大學(xué)在專利ZL200610080597.0中提到了一種固體氧化物燃料電池陰極負(fù)載型半電池的制備方法。該實(shí)用新型公開的固體氧化物燃料電池陰極負(fù)載型半電池的制備方法屬于燃料電池陰極復(fù)合制備方法的技術(shù)領(lǐng)域，提出以氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯YSZ納米粉體和錳鍶酸鑭微米粉體LSM為原料制備LSM層和LSM/YSZ復(fù)合層，將二者復(fù)合在一起形成基體膜，然后進(jìn)行預(yù)燒結(jié)得到陰極基底，再采用涂覆方法或絲網(wǎng)印刷方法制備YSZ薄膜，最后進(jìn)行燒結(jié)制得陰極負(fù)載型半電池，該實(shí)用新型的半電池沒有包含密封、氣體分配等結(jié)構(gòu)，在電堆組裝過程中還需要許多不同部件。