專利名稱：薄型質子交換膜燃料電池堆及電解反應堆的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于電化學領域，它涉及質子交換膜燃料電池堆及電解反應堆。
背景技術：
質子交換膜燃料電池堆及電解反應堆以固體電解質即質子交換膜為質子傳輸媒介，在質子交換膜兩個表面分別附著一層催化劑，形成一個復合電極叫質子交換膜電極，簡稱MEA。燃料電池是通過陽極催化劑將導入的燃料如氫氣、甲醇等氧化，產(chǎn)生的電子通過外電路到達陰極，陰極氧氣得到電子被還原，同時，燃料氧化后產(chǎn)生的質子通過質子交換膜到達陰極并與氫氧離子復合形成水；而電解反應的工作原理正好是燃料電池的逆過程，因此電解反應堆可以利用同樣的電池結構，只是選用的催化劑體系不同。
由于單電池產(chǎn)生的電壓很小，電力也不足，所以在實用時有必要將多個單電池串聯(lián)或并聯(lián)起來組成電池堆，電池堆是否能夠小型化成了當今燃料電池能否實用的瓶頸之一。
有關燃料電池堆的研究很多，俞紅梅在文章“燃料電池組的氣體分配管道--電源技術Vol.25 No.6 2001年”中描述了電池堆的結構，在電池堆中，包含有如下組件兩塊端板，兩個單極板，多個雙板板，多個膜電極，多個密封墊，連接桿以及外電路和輔助設備。它們按如下順序排列端板-單極板-粘接劑-剛性密封墊-粘接劑-質子交換膜電極-粘接劑-剛性密封墊-粘接劑-雙極板-粘接劑-剛性密封墊-粘接劑-質子交換膜電極-……-單極板-端板，由連接桿固定，組成電池堆，省略號表示重復單元，其中粘接劑與剛性密封墊為可選元件，雙極板作為電子和反應物的傳輸通道并作為電池的支撐體，雙極板的厚度一般在2.5～5mm之間，材質為石墨板或金屬板，雙極板上下表面均加工出流道，中間為阻隔層。
雙極板在電池中分別與相鄰單電池的陰極和陽極相連，結果形成一串聯(lián)電路。由于雙極板需要將氧化劑如氧氣和燃料分開，同時還要為它們提供足夠的運行通道，所以雙極板不可能做得太薄，否則將產(chǎn)生很大的傳輸阻力，使得電池不能正常運行。關于雙極板的結構，有不少專利，例如史鵬飛在中國專利CN1416184A中描述了一種金屬復合雙極板，圖7a、圖7b是當前燃料電池雙極板的一種典型結構示意圖。由于雙極板的厚度直接影響了電池堆的大小，能夠將其變薄是人們渴望很久而又很難實現(xiàn)的事情。
發(fā)明內容
本實用新型的目的是提供一種薄型質子交換膜燃料電池堆及電解反應堆。
為了實現(xiàn)電池堆及電解反應堆的薄型化，主要采用了一種具有餡餅結構的流道板，在此命名為三明治板5。如圖6所示，該三明治板5中層為絕緣連接片C，上下兩層導電片B為金屬片或石墨片，見圖6b。圖6a為其主視圖，圖6b為其側視圖?？梢钥闯?，三明治板的最明顯特征是中層的絕緣連接片C，將上下兩導電片層B隔開，不過三明治板的中間流道如圖6a中的A是上下貫通的。兩層導電片分別與兩個單電池質子交換膜電極的催化劑層接觸，同時兩個導電片分別與鄰近單電池的相反極性電極導電片相接，如圖1所示，組成一個正負極相連的串聯(lián)電路。燃料或者氧化氣體在三明治板中間流道中通過時，將同時為兩個電極提供反應物。由于在同樣的壓力下，氣體或液體的流量與流道尺寸的立方成正比，所以只要三明治板的厚度比同樣場合雙極板單流道厚度大不到30％，即可獲得與雙極板同樣的效果。這樣就減少了將近一個流道的厚度及雙極板中間阻隔層的厚度，從而三明治板的厚度至少可在現(xiàn)有雙極板厚度的二分之一以下。整體燃料電池的體積和重量將減小一半左右。根據(jù)電池反應面積的大小可以調整三明治板的厚度，例如對于2×2平方厘米的電池，三明治板可以薄到0.5毫米，單電池MEA的厚度在1毫米以下是可以實現(xiàn)的。構成的燃料電池堆或電解反應堆的結構如下端板1-單極板2-粘接劑-X-粘接劑-單極板2-端板1，由連接桿6通過連接孔10固定，組成電池堆。X表示重復單元。重復單元X的組成為“剛性密封墊3-粘接劑-質子交換膜電極4-粘接劑-剛性密封墊3-粘接劑-三明治板5”。若干重復單元X組成燃料電池堆或電解反應堆。粘接劑與剛性密封墊為可選元件，它們主要起輔助支撐與封閉作用。在導電片與質子交換膜電極的催化劑層之間還可以增加一層起支撐作用的金屬多孔網(wǎng)。反應物由端板的物料口7進入電池堆，通過單極板的孔8、物料通道11進入各個單電池，由三明治板的一端13輸入，通過三明治板中間的流道A，由另一端13流出到物料通道11，再經(jīng)由單極板的孔8、端口板7流出電池堆或電解反應堆。
本實用新型所描述的電池堆及電解反應堆的大小由組合的單電池數(shù)量確定，而單電池的面積大小可以小到0.5平方厘米，可以大到1平方米，由實際的用途決定。單電池的厚度主要由三明治板的厚度決定。根據(jù)反應面積的大小，三明治板的厚度可以在0.2-6毫米之間調整，比較適合的三明治板厚度為1-3毫米。三明治板中間絕緣片C的厚度為0.1毫米至三明治板總厚度的99％以下，它的主要作用是隔開兩導電片B并參與構筑流道A。三明治板中間的流道A寬度和流道之間的寬度，在0.2-2毫米之間，通常為1-1.5毫米，流道A一般加工成直流道，加工成其它曲線流道也是可以的。三明治板的物料通道11的寬度一致，也與端板的物料出口7的尺寸一致。電池堆的其它部件的尺寸與三明治板的大小是相符合的。端板的連接孔10的大小依據(jù)電池堆的大小變化，其直徑可以為0.4-1厘米。連接桿6通過連接孔10將電池堆固定，由螺帽12擰緊。連接桿6的直徑與連接孔10的大小相一致。
圖1是薄型質子交換膜燃料電池堆裝配圖的示意圖。也是說明書摘要附圖。
圖2是薄型質子交換膜燃料電池堆端板的示意圖。
圖3是薄型質子交換膜燃料電池堆單極板的示意圖。
圖4是薄型質子交換膜燃料電池堆剛性密封墊的示意圖。
圖5是薄型質子交換膜燃料電池堆MEA的示意圖。
圖6a、圖6b是薄型質子交換膜燃料電池堆三明治板5的示意圖。圖6a為其主視圖，圖6b為其側視圖。
圖7a、圖7b是當前燃料電池雙極板的結構示意圖。圖7a是主視圖，圖7b是側視圖。
具體實施方式
本實用新型的實施方式結合附圖描述如下圖1是薄型質子交換膜燃料電池堆及電解反應堆的示意圖，由端板1、單極板2、連接桿6及多個重復單元組成。
圖2是薄型質子交換膜燃料電池堆端板的示意圖，端板1主要由金屬如不銹鋼制成，其表面鉆有多個連接孔10，用連接桿6穿過連接孔10將電池堆固定，連接桿6兩端用螺帽12緊固，端板1表面鉆有進出物料孔7。端板1的進出物料孔7分別與單極板的進出物料孔8相對應。
圖3是薄型質子交換膜燃料電池堆單極板的示意圖，單極板2由耐腐金屬材料或石墨制成，其一個表面加工出流道，流道未與另一表面貫通，另一表面與端板相貼，并有進出物料孔8，物料8為通孔，與端板進出物料孔7對應，9為物料分配槽，分配槽未與單極板另一表面貫通，11為物料通道。
圖4是薄型質子交換膜燃料電池堆剛性密封墊的示意圖，剛性密封墊3可由金屬或耐熱塑料制成。
圖5是薄型質子交換膜燃料電池堆MEA的示意圖，質子交換膜電極MEA4的基本結構為多孔導電支持層-催化劑層-質子交換膜-催化劑層-多孔導電支持層。中間部份14為電池反應區(qū)。
圖6a、圖6b是薄型質子交換膜燃料電池堆及電解反應堆三明治板5的示意圖，圖6a為其主視圖，A是上下貫通的流道，13為物料流入流出端。11為物料通道。圖6b為其側視圖，中間層C由絕緣材料制成，上下兩層導電層B由耐腐金屬片或石墨片制成。
圖7a是當前燃料電池雙極板的結構示意圖。一般由石墨或不銹鋼材料制成。圖7b是其側視圖。它的上下兩邊均加工有流道，上下兩邊流道是互不相通的。
實施例1制造端板1、單極板2、剛性密封墊3、質子交換膜電極4、三明治板5、連接桿6；選擇適當粘接劑。然后，按照如下順序組裝成燃料電池堆或電解反應堆端板1-單極板2-粘接劑-重復單元X-粘接劑-單極板2-端板1，由連接桿6穿過兩個端板1上的連接孔10，在連接桿6兩端用螺帽12緊固。
當然，可以根據(jù)實際需要選擇重復單元X數(shù)量來制造燃料電池堆及電解反應堆。
權利要求1.一種薄型質子交換膜燃料電池堆及電解反應堆有兩個端板、兩個單極板、多個膜電極、多個密封墊、連接桿以及外電路和輔助設備，其特征是還包括一種餡餅結構的流道板即三明治板；該電池堆的各個元件按如下順序排列端板-單極板-粘接劑-X-粘接劑-單極板-端板，由連接桿固定組成電池堆；反應物由端板孔(7)導入電池堆，通過單極板的一端的孔(8)、物料通道(11)進入各個單電池，由三明治板的一端(13)輸入，通過三明治板中間的流道A，由另一端(13)到物料通道(11)，再經(jīng)由單極板另一端的孔(8)及對應的端板孔(7)流出電池堆；X為重復單元，重復單元X的組成為“剛性密封墊3-粘接劑-質子交換膜電極4-粘接劑-剛性密封墊3-粘接劑-三明治板5”。
2.如權利要求1所述的薄型質子交換膜燃料電池堆及電解反應堆，其特征在于三明治板的中層為絕緣墊片，上下兩層為導電片；導電片與質子交換膜電極的催化劑層相接觸，在導電片與質子交換膜電極的催化劑層之間還可以增加一層起支撐作用的金屬多孔網(wǎng)；該三明治板的中間加工有上下貫通的流道，當反應物流過流道時，將同時為上下兩個催化劑層提供反應物，并帶走產(chǎn)物；該三明治板的兩個導電片分別與鄰近單電池的相反極性電極導電片相接，組成一個正負極相連的串聯(lián)電路。
專利摘要本實用新型屬于電化學領域，涉及一種質子交換膜燃料反應堆及電解反應堆。采用獨特的餡餅結構的流道板，該流道板中層為絕緣連接片，上下為導電片如金屬片或石墨片，并同為相鄰單電池的陰極或陽極，這兩個電極并不直接相連，但共用一個流道，結果流道板可以做得很薄，以致單電池厚度甚至可以做到1mm以下，為現(xiàn)有單電池厚度的二分之一左右，因此這一設計可以大幅減少燃料電池堆或電解反應堆的體積，為燃料電池堆及電解反應堆的實用化提供更有利的技術支撐。
文檔編號H01M8/24GK2814685SQ20052002852
公開日2006年9月6日 申請日期2005年4月18日 優(yōu)先權日2005年4月18日
發(fā)明者廖建輝, 邢巍, 周小春, 劉長鵬, 蘇怡, 陸天虹 申請人:中國科學院長春應用化學研究所