固體聚合物燃料電池單元及其電池堆制造技術

固體聚合物燃料電池單元及其電池堆，涉及一種以膜電極三合一組件為核心的固體聚合物燃料電池的結構設計。該電池單元是由分隔式條形膜電極組件和布置在組件兩側的流場分布板構成，該條形膜電極組件由一整片固體聚合物膜和分布在膜兩側且正負電性交替排列的多個分隔式條形電極組成；其電池堆是由多塊電池單元縱向排列而成。本發明專利技術具有成本低、性能穩定、結構緊湊、自增濕發電的優點；同時無需采用復雜的膜結構和采用金屬導線來實現復雜的電聯接，減小了電堆內阻功耗，增大了輸出功率。電池單元輸出的電壓在相同的輸出功率下可以成倍地提高，非常有利于去掉ＤＣ－ＤＣ變換而直接為電器供電，可望實現固體聚合物燃料電池在便攜式方面的推廣應用。（*該技術在2023年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種固體聚合物燃料電池，特別涉及一種以膜電極三合一組件作為核心的固體聚合物燃料電池的結構設計，屬于燃料電池電化學
固體聚合物燃料電池是以膜電極三合一組件作為核心，其兩側面結合有氣體擴散支撐體，并嵌入在陽極和陰極流場板(集流板)之間的一種低溫燃料電池。流場板是固體聚合物燃料電池的關鍵部件之一，其上具有對流體分布的流道，引導反應物在電池內均勻分布，流場板一般采用石墨或金屬材料制成，起到了為電化學反應提供反應物質、帶走反應產物并收集電流的作用。膜電極包括固體聚合物電解質膜(SP)——也稱為質子交換膜(PEM)，其兩側分布有催化層。催化層可以直接結合在膜上，還可以通過噴涂在氣體擴散層上再熱壓在膜兩側表面上。氣體擴散層支撐體一般采用多孔、導電性能良好的薄片材料，如石墨纖維紙或碳纖維布，其表面常常還需要結合一層平整層，對催化層進行平整并調節氣體分布。催化層位于膜與氣體擴散層之間，一般采用Pt、Pt/C及Pt-Ru/C等催化劑來催化電化學反應。當電池放電時，外電路由導線與負載構成并把兩電極連接起來，而電池內部是質子傳遞的通道，這樣就構成了一個閉合電路。通常用氫氣(或含氫氣體)與氧氣(或含氧氣體)分別作燃料與氧化劑，電池陽極產生的質子與陰極還原生成的氧離子化合形成水。電池的電化學反應需要水分子的參與，而電化學反應不僅輸出電能而且也要輸出Q2-Q1的熱量，并生成產物水，為了維護電化學反應正常進行，必須對其進行水、熱管理。質子交換膜處于膜電極的中心，不僅是唯一質子通道，而且還有分隔燃料與氧化氣體的功能。對于含氫氣體作為燃料的質子交換膜燃料電池(PEMFC)，為了使燃料電池穩定地高功率運轉，質子交換膜必須保持良好的濕潤狀態，維持質子通道并減小內阻，防止局部干涸或局部大內阻引起的熱點問題，因此保持質子交換膜充分濕潤是十分必要的。在傳統燃料電池設計中，通常在反應氣體進入電池前就預先進行外加濕，來間接地濕潤質子交換膜，目前普遍采用膜加濕器對電堆進行加濕。在膜的一側流動反應氣體，而另一側流動液態水，水通過溶解在膜中并在濃差與壓差推動力的作用下擴散傳遞到膜/氣側，在濕度差推動力的作用下實現潤濕反應氣體。外加濕方法還有直接注水、注蒸汽以及露點加濕等方法。但這些外加濕方法仍存在許多不足之處，增加了燃料電池部件和發電系統的復雜性，不利于降低生產成本和便利操作。而且因為這些外加濕方法都有貯水槽和水流管道，在寒冷的環境中很容易發生結冰現象，使整個發電系統癱瘓。傳統的固體聚合物電解質膜(SP)燃料電池單元與鎳氫、鋰離子等常規電池相比，具有輸出電壓低而電流密度高的特點(極限放電電流密度可超過3A/cm2以上)，大電流通過界面內阻時很容易產生大量的廢熱，這樣增加了電池熱管理負擔，也降低了能量利用效率。總之，固體聚合物燃料電池的結構近40年來發展緩慢，仍是膜電極的一端為負極，另一端為正極的獨立結構，如附圖說明圖1所示。這種傳統的膜電極結構具有高電流低電壓的特點(其電堆也是如此)，而且由于電化學反應的作用，正極產生大量的水與廢熱，因此在質子交換膜兩側的濕度、溫度分布均存在很大差別。而正是電池本身結構創新的不足，還需要為電池發電提供輔助的水管理、熱管理、DC-DC變換等子系統，這樣導致了功率/重量比與功率/體積比較低，移動性較差以及運行不穩定等問題，很大程度上影響了這種固體聚合物燃料電池的電性能，以及阻礙了它在便攜式電源領域的應用。為了適用于小型便攜式電源的應用，美國專利、、、公開了一種具有帶狀膜電極的質子交換膜燃料電池，如圖2(a)所示。這種電池屬平面疊加串聯型，體積較小。并在帶狀膜結構的基礎上，結合傳統電堆的串聯方式，他們還研制出了帶狀結構的質子交換膜燃料電池堆。這些專利技術的優點歸結起來只是提高了一層電池單元上的電壓，但提高電壓的代價是增加了電池的成本與復雜性，制備工藝十分復雜。因為在這種燃料電池中，質子交換膜的同一側面上的條形電極同為正極或負極，為了實現條形電池異性電極之間的電聯接，往往需要采用金屬導線或特殊的復合膜結構，以金屬導線為聯接的結構會明顯地增加電池內阻，聯接工藝復雜；而復合膜結構是采用離子導電材料與電子導電材料結合而成的復合膜結構(帶狀膜結構)，在膜中結合電子導電材料的目的是為了聯通一個條形電池的上層電極與另一個條形電池的下層電極，實現電子從一個條形電池到另一條形電池的遷移，從而得到了電壓的疊加，如圖2(b)所示。但要實現相鄰異性條形電極之間的平面疊加串聯的電聯接相當困難，成本較高，不利于商業化。本專利技術的目的是通過如下技術方案實現的一種固體聚合物燃料電池單元，包括膜電極組件和布置在組件兩側的流場分布板，其特征在于所述的膜電極組件由一整片固體聚合物膜和分布在膜兩側且正負電性交替排列的多個分隔式條形電極組成，在相鄰的條形電極之間留有一條空白區，在空白區內設有密封條。本專利技術所述的流場分布板由導體和絕緣體構成，并形成多個帶有流道的獨立氣室，相鄰氣室分別流動燃料氣體與氧化氣體，兩側流場分布板中相同反應氣體的氣室之間通過轉向槽相連通。本專利技術中所述的條形膜電極組件上的條形電極平行排列，所述空白區的寬度在0.1～2cm之間。本專利技術中所述的條形電極由擴散層和催化層構成，其特征在于其催化層采用鉑催化劑與親水氧化物或全氟磺酸樹脂溶液制備而成；所述的親水氧化物為SiO2、TiO2、Co2O3、Al2O3中的任一種。本專利技術所述的密封條采用硅膠、離子交換樹脂、親水纖維、淀粉丙烯腈接枝共聚物、氧化烯烴聚合物、改性聚丙烯酸或聚丙烯胺共聚物中的一種或它們的幾種混合物。本專利技術還提供了一種由上述電池單元組成的電池堆，其特征在于該電池堆由多塊條形膜電極組件縱向排列而成，在相鄰兩塊膜電極組件之間設有流場分布板；所述的每塊條形膜電極組件的條形電極數可為偶數或奇數，其正、負電極的引出端可以在電池堆的同一側或不同側。本專利技術與現有技術相比，具有以下優點及突出性效果本專利技術與傳統的固體聚合物燃料電池相比，由于省掉了輔助的DC-DC變換子系統、加濕子系統以及熱管理子系統，因而具有成本低、性能穩定、結構緊湊、自增濕發電的優點，有效提高了功率/重量比以及功率/體積比；從整體上看，膜電極兩側極板上溫度與水量分布均勻，為電化學反應提供了良好的環境。本專利技術可成倍地提高電池單元的輸出電壓，成倍地減小輸出電流，而沒有損壞固體聚合物膜，提高了能量利用效率。同時本專利技術無需采用復雜的膜結構和采用金屬導線來實現復雜的電聯接，結構簡單，減小了電堆內阻功耗，增大了輸出功率。圖2(a)、2(b)為現有技術中的帶狀膜復合結構的膜電極組件。圖3為本專利技術提供的分隔式膜電極組件的結構示意圖。圖4為本專利技術提供的固體聚合物燃料電池單元的結構示意圖。圖5(a)、5(b)、5(c)為本專利技術的聚合物燃料電池反應物質分布與流向示意圖。圖6為本專利技術提供的電池單元自增濕原理示意圖。圖7(a)、7(b)為本專利技術提供的固體聚合物燃料電池堆的結構示意圖。圖8為本專利技術采用的流場分布板實施例的結構示意圖。圖9為本專利技術電池單元(n＝2)的伏安特性曲線。本專利技術提供的固體聚合物燃料電池單元是由分隔式條形膜電極組件和布置在組件兩側的流場分布板10構成。所述的條形膜電極組件由一整片固體聚合物膜3和分布在膜兩側且正負電性交替本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種固體聚合物燃料電池單元，包括膜電極組件和布置在組件兩側的流場分布板，其特征在于：所述的膜電極組件由一整片固體聚合物膜和分布在膜兩側且正負電性交替排列的多個分隔式條形電極組成，在相鄰的條形電極之間留有一條空白區，在空白區內設有密封條。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：毛宗強，王誠，徐景明，謝曉峰，
申請(專利權)人：清華大學，
類型：發明
國別省市：11[中國|北京]