專利名稱：質(zhì)子交換膜燃料電池的制作方法
專利說(shuō)明
一、技術(shù)領(lǐng)域本實(shí)用新型涉及一種燃料電池，具體的說(shuō)是一種質(zhì)子交換膜燃料電池。
二背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池是一種通過(guò)燃料和氧化劑的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的裝置。該裝置的核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡(jiǎn)稱MEA)，由兩張多孔性的氣體擴(kuò)散層和夾在中間的一片質(zhì)子交換膜組成。在質(zhì)子交換膜與氣體擴(kuò)散層(如碳紙)的界面上附著有電化學(xué)催化劑。膜電極的兩面設(shè)有導(dǎo)流極板，陽(yáng)極和陰極反應(yīng)分別在極板的兩側(cè)同時(shí)發(fā)生的，稱為雙極板；一面緊靠電流集電器的導(dǎo)流極板，只有另一面與膜電極相連，反應(yīng)只在一側(cè)發(fā)生的，稱為單極板。雙極板或單極板上含有可供氣體(如氫氣或空氣)流通的通道和冷卻劑(如空氣或水)流通的通道。燃料電池的單電池內(nèi)只有一片膜電極，單電池在反應(yīng)中可提供的電壓低于1.0V，在燃料電池堆中，多于一片的單電池以串聯(lián)的方式被組裝在一個(gè)電堆中，燃料電池堆的輸出電壓是燃料電池堆中所有單電池電壓的總和。
燃料電池中的質(zhì)子交換膜把參加電化學(xué)反應(yīng)的燃料(如氫氣)和氧化劑(如氧氣)分隔開(kāi)來(lái)，并阻止電子通過(guò)。質(zhì)子交換膜是質(zhì)子通過(guò)的載體，其傳遞質(zhì)子的能力決定了膜電極的電化學(xué)性能。質(zhì)子交換膜傳遞質(zhì)子的能力與質(zhì)子交換膜中水分的含量有關(guān)，含量越高，質(zhì)子傳遞能力越強(qiáng)。當(dāng)質(zhì)子交換膜中的水分在一定溫度下達(dá)到飽和時(shí)，質(zhì)子交換膜在該溫度下的質(zhì)子傳遞能力最強(qiáng)。質(zhì)子交換膜的含水量與質(zhì)子交換膜的溫度有關(guān)，溫度越高，質(zhì)子交換膜的含水量越高。質(zhì)子交換膜的厚度與質(zhì)子交換膜的含水量有關(guān)，含水量越高，質(zhì)子交換膜越厚。因此，進(jìn)入燃料電池堆的燃料(如氫氣)和氧化劑(如空氣)的相對(duì)濕度，將影響到質(zhì)子交換膜的含水量，從而影響到質(zhì)子交換膜的厚度。燃料電池堆的反應(yīng)溫度也將影響到質(zhì)子交換膜的含水量，從而影響到質(zhì)子交換膜的厚度。
膜電極的氣體擴(kuò)散層(如碳紙)與極板之間的接觸好壞對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的性能起著關(guān)鍵的作用。當(dāng)燃料和氧化劑的相對(duì)濕度較低，或燃料和氧化劑的溫度低于燃料電池堆的溫度，或燃料電池堆的溫度較低時(shí)，質(zhì)子交換膜的含水量較少，質(zhì)子交換膜較薄。當(dāng)燃料和氧化劑的相對(duì)濕度較高，且燃料和氧化劑的溫度不低于燃料電池堆的溫度，且燃料電池堆的溫度較高時(shí)，質(zhì)子交換膜的含水量較多，質(zhì)子交換膜較厚。
對(duì)于現(xiàn)有的質(zhì)子交換膜燃料電池堆來(lái)說(shuō)，燃料電池堆的長(zhǎng)度是固定不變的。這種燃料電池堆的缺陷如下1、燃料電池堆在組裝完成后，膜電極的氣體擴(kuò)散層與雙極板或單極板之間的接觸處于最佳狀態(tài)。在對(duì)燃料電池堆進(jìn)行活化和測(cè)試過(guò)程中，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)中產(chǎn)生的水分會(huì)增加質(zhì)子交換膜的含水量。燃料和氧化劑帶入燃料電池堆的水分也會(huì)增加質(zhì)子交換膜的含水量。反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量使質(zhì)子交換膜的溫度升高，進(jìn)一步增加了質(zhì)子交換膜的含水量，從而導(dǎo)致質(zhì)子交換膜的厚度增加。在燃料電池堆的總長(zhǎng)度保持不變的情況下，膜電極兩端的氣體擴(kuò)散層由于受到雙極板或單極板的擠壓而壓縮變形。當(dāng)變形超過(guò)一定限度時(shí)，則形成無(wú)法恢復(fù)的不可逆變形。變形部分氣體擴(kuò)散層的孔隙度降低，直接影響到反應(yīng)氣體到達(dá)催化劑表面參加反應(yīng)，且影響反應(yīng)中產(chǎn)生的水分的排出。
2、當(dāng)燃料電池堆在較低的溫度下運(yùn)行時(shí)，或參加反應(yīng)的燃料和氧化劑的相對(duì)濕度不高時(shí)，質(zhì)子交換膜的厚度將會(huì)減小。由于膜電極氣體擴(kuò)散層的壓縮變形部分厚度減小，導(dǎo)致氣體擴(kuò)散層與雙極板或單極板之間的接觸壓力減小，接觸電阻增加，直接造成燃料電池堆的輸出電壓降低，發(fā)熱量增加，效率降低。
專利號(hào)為CN02265903.X的專利所涉及的一種燃料電池，在氣體集流板與壓緊端板之間放置了一個(gè)氣墊囊。該氣墊囊雖然也有部分調(diào)節(jié)電堆緊固壓力的作用，但該裝置比較復(fù)雜，對(duì)氣墊囊的密封性要求較高，因此組裝和維護(hù)比較困難。專利號(hào)為CN200420090868.7的專利所涉及的一種燃料電池，在氣體集流板與壓緊端板之間放置了一個(gè)壓力均勻彈出夾套板。該壓力均勻彈出夾套板雖然也有部分調(diào)節(jié)電堆緊固壓力的作用，但該裝置還是比較復(fù)雜，且提高了電堆成本。
三
發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本實(shí)用新型的目的是提供一種可以自動(dòng)調(diào)節(jié)電池中極板與膜電極接觸壓力的質(zhì)子交換膜燃料電池。
2、技術(shù)方案本實(shí)用新型所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池，它包括由一組電池單體串接組成的單體電池組、電流集電器、氣體集流板、端板、連接桿及螺帽，所述電池單體包括膜電極以及設(shè)置在膜電極兩側(cè)的極板，單體電池組前后兩端分別依次設(shè)置電流集電器、氣體集流板和端板，連接桿穿過(guò)兩端的端板，并通過(guò)螺帽將兩端板夾緊，其特征在于連接桿上穿有彈性墊圈，螺帽通過(guò)彈性墊圈將兩端板夾緊。
通過(guò)使用可在一定的壓力下產(chǎn)生可逆性彈性形變的彈性墊圈，以傳遞并均勻分布應(yīng)力，形成長(zhǎng)度可以微調(diào)的燃料電池。當(dāng)工作中，質(zhì)子交換膜的厚度發(fā)生變化時(shí)，燃料電池的長(zhǎng)度可以產(chǎn)生相應(yīng)的微量變化，使極板與膜電極接觸壓力始終保持在最佳工作狀態(tài)，其中當(dāng)質(zhì)子交換膜的厚度增加時(shí)，膜電極兩端的氣體擴(kuò)散層與極板的接觸壓力變大，此時(shí)彈性墊圈受到的壓力也相應(yīng)變大從而產(chǎn)生壓縮變形，燃料電池的總長(zhǎng)度微量伸長(zhǎng)，使氣體擴(kuò)散層與極板的接觸壓力得到恢復(fù)；當(dāng)質(zhì)子交換膜的厚度減小時(shí)，膜電極兩端的氣體擴(kuò)散層與極板的接觸壓力變小，此時(shí)彈性墊圈受到的壓力也相應(yīng)變小從而產(chǎn)生彈性恢復(fù)，燃料電池堆的總長(zhǎng)度微量縮短，使氣體擴(kuò)散層與極板的接觸壓力得到恢復(fù)，保持較理想的工作壓力。
彈性墊圈最好為彈性效果好的碗型彈性墊圈，其可位于連接桿的一端，也可位于連接桿的兩端。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)的不同，彈性墊圈可以采用單獨(dú)一個(gè)也可以采用一組多個(gè)。當(dāng)使用一組碗型彈性墊圈時(shí)，每個(gè)彈性墊圈可以同向放置，也可以反向放置。
3、有益效果本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)1)通過(guò)彈性墊圈在一定的壓力下產(chǎn)生可逆性彈性形變的特性，在連接桿上穿有彈性墊圈，螺帽通過(guò)彈性墊圈將兩端板夾緊，當(dāng)質(zhì)子交換膜的厚度發(fā)生變化時(shí)，燃料電池的長(zhǎng)度可以產(chǎn)生相應(yīng)的微量變化，使極板與膜電極接觸壓力始終保持在最佳工作狀態(tài)；2)彈性墊圈的生產(chǎn)成本低廉，使用非常方便，并可以直接對(duì)已有的燃料電池進(jìn)行改進(jìn)。
四

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型中一種碗型彈性墊圈結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是碗型彈性墊圈同向設(shè)置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是碗型彈性墊圈反向設(shè)置的一種結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是碗型彈性墊圈反向設(shè)置的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。
五具體實(shí)施方式
下面通過(guò)附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明如圖1所示，本實(shí)用新型所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池，它包括由一組電池單體串接組成的單體電池組1、電流集電器2、氣體集流板3、端板4、連接桿5及螺帽6，所述電池單體包括膜電極7以及設(shè)置在膜電極7兩側(cè)的極板8，單體電池組1前后兩端分別依次設(shè)有電流集電器2、氣體集流板3和端板4，連接桿5穿過(guò)兩側(cè)最外端的端板4，并通過(guò)螺帽6將兩端板4夾緊，連接桿5上穿有彈性墊圈9，彈性墊圈9為碗型彈性墊圈，螺帽6通過(guò)彈性墊圈9將兩端板4夾緊。如圖2、圖3、圖5及圖4所示，彈性墊圈9可以單獨(dú)一個(gè)使用也可以采用一組多個(gè)使用，其可以設(shè)在連接桿5的一端，也可設(shè)在連接桿5的兩端，當(dāng)使用一組碗型彈性墊圈時(shí)，每個(gè)彈性墊圈可以如圖3所示同向放置，也可以如圖4和圖5所示的反向放置。
權(quán)利要求1.一種質(zhì)子交換膜燃料電池，它包括由一組電池單體串接組成的單體電池組(1)、電流集電器(2)、氣體集流板(3)、端板(4)、連接桿(5)及螺帽(6)，所述電池單體包括膜電極(7)以及設(shè)置在膜電極(7)兩側(cè)的極板(8)，單體電池組(1)前后兩端分別依次設(shè)有電流集電器(2)、氣體集流板(3)和端板(4)，連接桿(5)穿過(guò)兩側(cè)最外端的端板(4)，并通過(guò)螺帽(6)將兩端板(4)夾緊，其特征在于連接桿(5)上穿有彈性墊圈(9)，螺帽(6)通過(guò)彈性墊圈(9)將兩端板(4)夾緊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池，其特征在于所述的彈性墊圈(9)為碗型彈性墊圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池，其特征在于所述的彈性墊圈(9)可位于連接桿(5)的一端，也可位于連接桿(5)的兩端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池，其特征在于所述穿在連接桿(5)上的是一組彈性墊圈(9)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池，其特征在于所述的一組彈性墊圈(9)可以同向放置，也可反向放置。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種質(zhì)子交換膜燃料電池，它包括由一組電池單體串接組成的單體電池組、電流集電器、氣體集流板、端板、連接桿及螺帽，所述電池單體包括膜電極以及設(shè)置在膜電極兩側(cè)的極板，單體電池組前后兩端分別依次設(shè)置電流集電器、氣體集流板和端板，連接桿穿過(guò)兩端的端板，并通過(guò)螺帽將兩端板夾緊，其特征在于連接桿上穿有彈性墊圈，螺帽通過(guò)彈性墊圈將兩端板夾緊。通過(guò)彈性墊圈在一定的壓力下產(chǎn)生可逆性彈性形變的特性，當(dāng)質(zhì)子交換膜的厚度發(fā)生變化時(shí)，燃料電池堆的長(zhǎng)度可以產(chǎn)生相應(yīng)的微量變化，使極板與膜電極接觸壓力始終保持在最佳工作狀態(tài)。
文檔編號(hào)H01M8/10GK2879438SQ200620068780
公開(kāi)日2007年3月14日 申請(qǐng)日期2006年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月24日
發(fā)明者喬永慶, 沈建躍, 曲平, 康新 申請(qǐng)人:南京博能燃料電池有限責(zé)任公司