專利名稱：燃料電池電堆及防止燃料電池電堆中極板短路的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池電堆，特別涉及燃料電池電堆及防止燃料電池電堆中極板短路的方法。涉及的是中國(guó)科技部“863計(jì)劃” “5kW級(jí)燃料電池關(guān)鍵材料和系統(tǒng)集成技術(shù)開(kāi)發(fā)”重點(diǎn)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):2009AA034400)。
背景技術(shù)：
為了解決環(huán)境污染、溫室效應(yīng)和化石燃料日益枯竭的迫切問(wèn)題，世界各國(guó)都高度重視燃料電池的發(fā)展，因?yàn)槿剂想姵厥且环N高效清潔能源轉(zhuǎn)換裝置，對(duì)環(huán)境沒(méi)有或只有很小的污染，并能用可再生性物質(zhì)如氫氣和甲醇做為燃料。很多國(guó)家尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家已投入了大量的人力物力和財(cái)力對(duì)燃料電池進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。作為發(fā)展中國(guó)家的中國(guó)也加大了對(duì)燃料電池研發(fā)的投入。國(guó)家及很多省市已把開(kāi)發(fā)燃料電池提升到了戰(zhàn)略高度，并把開(kāi)發(fā)燃料電池作為最重要的研發(fā)方向之一。燃料電池是一種電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換器，把燃料和氧氣中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能。 電堆是燃料電池系統(tǒng)中的核心部分之一，燃料在電堆的陽(yáng)極被氧化，氧氣(一般從空氣中取得)在電堆的陰極被還原。只要有燃料和氧氣不停地輸入，燃料電池就能源源不斷地產(chǎn)生電能。當(dāng)電解質(zhì)為酸性材料時(shí)，反應(yīng)式(1)表述了氫氣在陽(yáng)極的氧化過(guò)程，反應(yīng)式(2)表述了甲醇在陽(yáng)極的氧化過(guò)程，反應(yīng)式C3)表述了相應(yīng)的氧氣在陰極的還原過(guò)程H2 = 2H++2e" (1)CH30H+H20 = C02+6H++6e" (2)02+4H++4e" = 2H20(3)鉬(Pt)和鉬系合金的納米顆粒一般做為催化劑以加速這些反應(yīng)的進(jìn)行。電堆是由若干個(gè)單電池組成，每個(gè)單電池都包含有離子傳遞膜、電極、密封圈和極板。其中電極有陰極和陽(yáng)極，每個(gè)電極都包含有催化劑層和氣體擴(kuò)散層。陰極、陽(yáng)極和離子傳遞膜的復(fù)合體叫做膜電極，如圖1和圖2所示；其中圖1是正視圖，圖2是側(cè)視圖。離子傳遞膜的厚度一般在0. 02到0. IOmm之間，電極的厚度在0. 20mm左右，所以，整個(gè)膜電極的厚度一般不會(huì)超過(guò)0. 5mm。極板有單極板和雙極板，它們的厚度一般在l_2mm左右。在電堆中，膜電極被夾在兩個(gè)極板之間。為了不讓燃料和空氣漏出，在每個(gè)電極的周?chē)卜庞忻芊馊Γ芊馊涸陔姌O外圍的離子傳遞膜上，一般離子傳遞膜的兩面各配置一個(gè)密封圈，且兩個(gè)密封圈互相對(duì)應(yīng)，密封圈的寬度在l_3mm之間。圖1和圖2示意了膜電極和密封圈的相對(duì)關(guān)系，其中圖1是正視圖，圖2是側(cè)視圖。圖3示意了膜電極、密封圈和極板之間的關(guān)系， 其中極板上的流道沒(méi)有標(biāo)示出。從以上的表述和圖3可以看出，兩個(gè)極板間的距離不會(huì)超過(guò)膜電極的厚度，即 0. 5mm。在電堆組裝時(shí)電極的厚度又會(huì)被壓縮30%左右，這樣，兩個(gè)極板間的距離一般不會(huì)超過(guò)0. 4mm。由于這個(gè)距離非常小，在極板的厚度、密封圈的厚度、或電堆組裝時(shí)稍有偏差或誤差，兩個(gè)極板就會(huì)碰到一起，引起短路，造成電堆不能正常工作或很快損壞。另外，若密封圈在使用過(guò)程中損壞、變薄，也有可能導(dǎo)致兩個(gè)極板碰到一起引起短路。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠有效避免極板之間接觸而引起短路的燃料電池電堆，并提供一種防止燃料電池電堆中極板短路的方法，使得燃料電池電堆中相鄰兩個(gè)極板之間不會(huì)相互接觸而引起短路，提高燃料電池電堆工作的可靠性。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的燃料電池電堆，包括膜電極、上極板和下極板， 所述膜電極位于所述上極板和所述下極板之間，所述上極板與所述下極板之間還設(shè)置有獨(dú)立的絕緣墊，電堆壓緊后所述絕緣墊的厚度等于所述膜電極的厚度且等于所述上極板與所述下極板之間的距離。由于所述絕緣墊對(duì)所述上極板與所述下極板的阻隔作用，使得所述上極板與所述下極板不會(huì)發(fā)生接觸，從而有效地避免了燃料電池電堆發(fā)生短路而不能正常工作或者損壞。雖然現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池電堆中環(huán)繞電極設(shè)置的密封圈也能夠起到將所述上極板與所述下極板隔離開(kāi)來(lái)的作用，但是由于密封圈在使用過(guò)程中損壞和變薄，也有可能導(dǎo)致所述上極板與所述下極板碰到一起引起短路。并且，現(xiàn)有技術(shù)中由于制作密封圈的材料價(jià)格昂貴，密封圈寬度很小，僅僅能夠起到很好的密封作用，不能夠很好地將所述上極板與所述下極板隔離開(kāi)來(lái)而不發(fā)生接觸。采用在所述上極板與所述下極板之間設(shè)置獨(dú)立的絕緣墊可以很好地解決所述上極板與所述下極板之間發(fā)生接觸或碰撞而引起的短路問(wèn)題。上述燃料電池電堆，所述絕緣墊位于所述膜電極的邊緣與所述上極板和/或所述下極板的邊緣之間，并且自所述膜電極的邊緣向所述上極板和/或所述下極板的邊緣延伸；位于所述上極板和所述下極板之間的所述絕緣墊的寬度越大，對(duì)所述上極板和所述下極板的隔離絕緣效果越好，能夠更好地防止所述上極板和所述下極板之間發(fā)生接觸或碰撞。上述燃料電池電堆，所述燃料電池電堆外表面上覆蓋有絕緣層，這樣可以避免燃料電池電堆外部導(dǎo)體將兩個(gè)或兩個(gè)以上的極板電連接。上述燃料電池電堆，所述絕緣墊自所述膜電極的邊緣延伸至超過(guò)所述上極板和/ 或所述下極板的邊緣，上下兩個(gè)所述絕緣墊超過(guò)所述上極板和/或所述下極板邊緣的部分之間設(shè)置有所述絕緣層。上述燃料電池電堆，所述膜電極包括正極、負(fù)極和離子傳遞膜，所述離子傳遞膜設(shè)置在所述正極與所述負(fù)極之間，所述正極和所述負(fù)極的四周設(shè)置有密封圈，所述絕緣墊在所述上極板和所述下極板之間環(huán)繞所述膜電極設(shè)置；這種方案是較佳的技術(shù)方案，更有效地防止所述上極板和所述下極板之間發(fā)生接觸或碰撞。防止燃料電池電堆中極板短路的方法，膜電極位于上極板和下極板之間，在所述上極板與所述下極板之間設(shè)置獨(dú)立的絕緣墊，電堆壓緊后所述絕緣墊的厚度等于所述上極板與所述下極板之間的距離。上述防止燃料電池電堆中極板短路的方法，將所述絕緣墊設(shè)置在所述膜電極的邊緣與所述上極板和/或所述下極板的邊緣之間的空間內(nèi)，并且自所述膜電極的邊緣向所述上極板和/或所述下極板的邊緣延伸。上述防止燃料電池電堆中極板短路的方法，在燃料電池電堆外表面上覆蓋有絕緣層以防止燃料電池電堆外部導(dǎo)體將兩個(gè)極板電連接起來(lái)。
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上述防止燃料電池電堆中極板短路的方法，所述絕緣墊自所述膜電極的邊緣延伸至超過(guò)所述上極板和/或所述下極板的邊緣，在上下兩個(gè)所述絕緣墊超過(guò)所述上極板和/ 或所述下極板邊緣的部分之間設(shè)置有所述絕緣層。上述防止燃料電池電堆中極板短路的方法，所述膜電極包括正極、負(fù)極和離子傳遞膜，所述離子傳遞膜設(shè)置在所述正極與所述負(fù)極之間，所述正極和所述負(fù)極的四周設(shè)置有密封圈，所述絕緣墊在所述上極板和所述下極板之間環(huán)繞所述膜電極設(shè)置。本發(fā)明作為中國(guó)科技部“863計(jì)劃” “5kW級(jí)燃料電池關(guān)鍵材料和系統(tǒng)集成技術(shù)開(kāi)發(fā)”重點(diǎn)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)2009AA034400)研發(fā)成果之一，為燃料電池防止極板短路進(jìn)行的改進(jìn)，本發(fā)明的有益效果是能夠有效避免極板之間接觸而引起短路，使得燃料電池電堆中相鄰兩個(gè)極板之間不會(huì)因相互接觸而短路，提高燃料電池電堆工作的可靠性，減少電堆損壞的次數(shù)或頻率，節(jié)約電堆維護(hù)成本。


圖1為膜電極的正視圖；圖2為膜電極的側(cè)視圖；圖3為現(xiàn)有技術(shù)中燃料電池電堆的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明燃料電池電堆的側(cè)視圖；圖5為圖4所示本發(fā)明燃料電池電堆的正視圖；圖6為本發(fā)明燃料電池電堆的另一種側(cè)視圖；圖7為本發(fā)明燃料電池電堆的外表面覆蓋有絕緣層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本發(fā)明燃料電池電堆的外表面覆蓋有絕緣層的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1-膜電極，2-上極板，3-下極板，4-絕緣墊，5-絕緣層，6-正極，7-負(fù)極， 8-離子傳遞膜，9-密封圈。
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明實(shí)施例1如圖4和圖5所示，本實(shí)施例的燃料電池電堆包括膜電極1、上極板2和下極板3， 所述膜電極1位于所述上極板2和所述下極板3之間，在所述上極板2與所述下極板3之間設(shè)置有一個(gè)獨(dú)立的絕緣墊4 ；所述絕緣墊4在所述上極板2和所述下極板3之間環(huán)繞所述膜電極1設(shè)置，并且所述絕緣墊4自所述膜電極1的邊緣延伸至所述上極板2和所述下極板3的邊緣；電堆壓緊后所述絕緣墊4的厚度等于所述膜電極1的厚度且等于所述上極板2與所述下極板3之間的距離。所述膜電極1包括正極6、負(fù)極7和離子傳遞膜8，所述離子傳遞膜8設(shè)置在所述正極6與所述負(fù)極7之間，所述正極6和所述負(fù)極7的四周分別設(shè)置有密封圈9，且兩個(gè)密封圈互相對(duì)應(yīng)地位于離子傳遞膜8的兩面。如圖6所示，所述絕緣墊4也可以是兩個(gè)絕緣墊疊加起來(lái)置于所述上極板2和所述下極板3之間，只要兩個(gè)絕緣墊疊加起來(lái)的厚度等于所述上極板2和所述下極板3之間的距離即可。如圖7所示，在所述燃料電池電堆外表面上覆蓋有絕緣層5 (最好是在燃料電池電堆外表面形成一體化外壁絕緣層)，以防止燃料電池電堆外部導(dǎo)體將極板電連接。比如一段松弛的導(dǎo)線突然接觸到了兩個(gè)極板，或操作人員不慎使所用扳手突然接觸到了兩個(gè)極板； 在這些情況下所述絕緣層5能夠很好地防止這類短路的發(fā)生。所述絕緣層5也可以避免液體如雨水濺到電堆上引起連電。所述絕緣層5可以用噴、涂方法加上，也可以用現(xiàn)成的絕緣材料纏繞在燃料電池電堆的周?chē)?。本?shí)施例中所述絕緣層5是一個(gè)整體。所述絕緣層5可以承受電堆工作時(shí)的環(huán)境條件如溫度，這樣能夠保證正常工作。如圖8所示，在其它一些實(shí)施例中，所述絕緣墊4自所述膜電極1的邊緣延伸至超過(guò)所述上極板2和/或所述下極板3的邊緣，上下兩個(gè)所述絕緣墊4超過(guò)所述上極板2和/ 或所述下極板3邊緣的部分之間設(shè)置有所述絕緣層5 (本實(shí)施例中所述絕緣層5不是一個(gè)整體，所述絕緣層5沒(méi)有覆蓋住的部分不是導(dǎo)電的極板)。實(shí)施例2如圖4和圖5所示，本實(shí)施例的防止燃料電池電堆中極板短路的方法，膜電極1位于上極板2和下極板3之間，在所述上極板2與所述下極板3之間設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的絕緣墊 4，電堆壓緊后所述絕緣墊4的厚度等于膜電極1的厚度等于所述上極板2與所述下極板3 之間的距離；所述絕緣墊4在所述上極板2和所述下極板3之間環(huán)繞所述膜電極1設(shè)置，并且自所述膜電極1的邊緣延伸至所述上極板2和/或所述下極板3的邊緣。所述膜電極1 包括正極6、負(fù)極7和離子傳遞膜8，所述離子傳遞膜8設(shè)置在所述正極6與所述負(fù)極7之間，所述正極6和所述負(fù)極7的四周分別設(shè)置有密封圈9，且兩個(gè)密封圈互相對(duì)應(yīng)地位于離子傳遞膜8的兩面。如圖6所示，在具體設(shè)置所述絕緣墊4的時(shí)候，也可以是利用兩個(gè)相對(duì)較薄的絕緣墊疊加起來(lái)置于所述上極板2和所述下極板3之間，只要兩個(gè)絕緣墊疊加起來(lái)的厚度等于所述上極板2和所述下極板3之間的距離即可。如圖7所示，在燃料電池電堆外表面上覆蓋有絕緣層5 (最好是在燃料電池電堆外表面形成一體化外壁絕緣層，即將整個(gè)電堆全部覆蓋住)以防止燃料電池電堆外部導(dǎo)體將兩個(gè)極板電連接起來(lái)。如圖8所示，在其它一些實(shí)施例中，所述絕緣墊4自所述膜電極1的邊緣延伸至超過(guò)所述上極板2和/或所述下極板3的邊緣，在上下兩個(gè)所述絕緣墊4超過(guò)所述上極板2 和/或所述下極板3邊緣的部分之間設(shè)置有所述絕緣層5。由于沒(méi)有被所述絕緣層5覆蓋的地方為所述絕緣墊4等非導(dǎo)體，因此同樣能夠起到防止導(dǎo)體將極板電連接的技術(shù)效果。在上述實(shí)施例1和實(shí)施例2中，所述絕緣墊4的寬度可以從離子傳遞膜8的邊緣一直延伸到所述上極板2和/或所述下極板3的邊緣或略超出所述上極板2和/或所述下極板3的邊緣。所述絕緣墊4由電絕緣材料制成，它可以是不可壓縮的材料，也可以是可以壓縮的材料；當(dāng)它為不可壓縮的材料時(shí)，其厚度和燃料電池電堆中被壓縮后的膜電極1的厚度一致；當(dāng)它是可壓縮的材料時(shí)，它在燃料電池電堆中被壓縮后的厚度和燃料電池電堆中被壓縮后的膜電極1的厚度一致；即不論它是不可壓縮還是可以壓縮的材料，它都要既不影響燃料電池電堆的密封，又不影響極板和電極(即電極6和極板2之間，或電極7和極板3之間)的有效電接觸。另外，所述絕緣墊4應(yīng)能承受燃料電池電堆工作時(shí)的環(huán)境條件如溫度等。所述絕緣墊4可以在燃料電池電堆組裝過(guò)程中放置在兩個(gè)極板之間，也可以事先安裝在極板上。比如，每個(gè)所述絕緣墊可以事先安裝在極板上，組裝燃料電池電堆時(shí)把膜電極1放置在兩個(gè)帶有所述絕緣墊4的極板之間即可。燃料電池電堆組裝完畢后通過(guò)其端板施加合適的壓力壓緊燃料電池電堆，在這個(gè)過(guò)程中膜電極1、密封圈9和絕緣墊4都會(huì)承受壓力而發(fā)生尺寸的變化，最后達(dá)到有效的密封和良好的電極與極板的接觸。
另外，在本領(lǐng)域技術(shù)人員知悉本發(fā)明創(chuàng)造的技術(shù)方案之后，顯然也可以通過(guò)加寬所述密封圈9的寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)將所述上極板2與所述下極板3進(jìn)一步隔離；但由于密封圈9 和膜電極1挨得很近，為了避免密封圈9中物質(zhì)污染膜電極1，業(yè)界對(duì)密封圈9材料要求很高，因此價(jià)格很貴。從不增加成本方面考慮，本發(fā)明中在所述上極板2與所述下極板3之間設(shè)置獨(dú)立的所述絕緣墊4的方法會(huì)好得多。另外，密封圈9直接壓在膜電極1中的離子傳遞膜8上，由于離子傳遞膜8在燃料電池運(yùn)行過(guò)程中會(huì)隨著溫度和濕度的變化而反復(fù)進(jìn)行著體積的變化，離子傳遞膜8在緊接密封圈9內(nèi)側(cè)的部分所承受的應(yīng)力變化最大，因此該處離子傳遞膜8通常被最先撕扯破。而本發(fā)明中所述絕緣墊4沒(méi)有直接壓在離子傳遞膜8上， 且可以幫助密封圈9承擔(dān)上極板2和下極板3之間的壓力，有利于緩解離子傳遞膜8在緊接密封圈9內(nèi)側(cè)的部分所承受的應(yīng)力變化，進(jìn)而減小該處離子傳遞膜8被撕扯破的可能性。 再次，在膜電極1發(fā)生破損的情況下，而本發(fā)明中所述絕緣墊4可以阻止反應(yīng)氣泄漏到電堆之外。
權(quán)利要求
1.燃料電池電堆，包括膜電極(1)、上極板( 和下極板(3)，所述膜電極(1)位于所述上極板( 和所述下極板C3)之間，其特征在于，所述上極板( 與所述下極板(3)之間還設(shè)置有獨(dú)立的絕緣墊(4)，電堆壓緊后所述絕緣墊(4)的厚度等于所述膜電極(1)的厚度且等于所述上極板(2)與所述下極板(3)之間的距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池電堆，其特征在于，所述絕緣墊(4)位于所述膜電極 (1)的邊緣與所述上極板( 和/或所述下極板C3)的邊緣之間，并且自所述膜電極(1)的邊緣向所述上極板( 和/或所述下極板(3)的邊緣延伸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池電堆，其特征在于，所述燃料電池電堆外表面上覆蓋有絕緣層(5)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池電堆，其特征在于，所述絕緣墊自所述膜電極 (1)的邊緣延伸至超過(guò)所述上極板( 和/或所述下極板C3)的邊緣，上下兩個(gè)所述絕緣墊 (4)超過(guò)所述上極板( 和/或所述下極板C3)邊緣的部分之間設(shè)置有所述絕緣層(5)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的燃料電池電堆，其特征在于，所述膜電極(1)包括正極 (6)、負(fù)極(7)和離子傳遞膜(8)，所述離子傳遞膜⑶設(shè)置在所述正極(6)與所述負(fù)極(7) 之間，所述正極(6)和所述負(fù)極(7)的四周設(shè)置有密封圈(9)，所述絕緣墊(4)在所述上極板( 和所述下極板( 之間環(huán)繞所述膜電極(1)設(shè)置。
6.防止燃料電池電堆中極板短路的方法，其特征在于，膜電極(1)位于上極板( 和下極板C3)之間，在所述上極板( 與所述下極板C3)之間設(shè)置獨(dú)立的絕緣墊G)，電堆壓緊后所述絕緣墊的厚度等于所述膜電極(1)的厚度且等于上極板( 與所述下極板(3) 之間的距離。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的防止燃料電池電堆中極板短路的方法，其特征在于，將所述絕緣墊(4)設(shè)置在所述膜電極(1)的邊緣與所述上極板( 和/或所述下極板C3)的邊緣之間的空間內(nèi)，并且自所述膜電極⑴的邊緣向所述上極板⑵和/或所述下極板⑶的邊緣延伸。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的防止燃料電池電堆中極板短路的方法，其特征在于，在燃料電池電堆外表面上覆蓋有絕緣層(5)以防止燃料電池電堆外部導(dǎo)體將兩個(gè)極板電連接起來(lái)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的防止燃料電池電堆中極板短路的方法，其特征在于，所述絕緣墊自所述膜電極(1)的邊緣延伸至超過(guò)所述上極板( 和/或所述下極板C3)的邊緣，在上下兩個(gè)所述絕緣墊(4)超過(guò)所述上極板( 和/或所述下極板C3)邊緣的部分之間設(shè)置有所述絕緣層(5)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6-9任一所述的防止燃料電池電堆中極板短路的方法，其特征在于， 所述膜電極(1)包括正極(6)、負(fù)極(7)和離子傳遞膜(8)，所述離子傳遞膜(8)設(shè)置在所述正極(6)與所述負(fù)極(7)之間，所述正極(6)和所述負(fù)極(7)的四周設(shè)置有密封圈(9)， 所述絕緣墊(4)在所述上極板( 和所述下極板( 之間環(huán)繞所述膜電極(1)設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)燃料電池電堆及防止燃料電池電堆中極板短路的方法。燃料電池電堆包括膜電極、上極板和下極板，所述膜電極位于所述上極板和所述下極板之間，所述上極板與所述下極板之間還設(shè)置有獨(dú)立的絕緣墊，電堆壓緊后所述絕緣墊的厚度等于所述膜電極的厚度且等于所述上極板與所述下極板之間的距離。防止燃料電池電堆中極板短路的方法，膜電極位于上極板和下極板之間，在所述上極板與所述下極板之間設(shè)置獨(dú)立的絕緣墊，所述絕緣墊的厚度等于所述上極板與所述下極板之間的距離。本發(fā)明能夠有效避免極板之間接觸而引起短路，使得燃料電池電堆中相鄰兩個(gè)極板之間不會(huì)因相互接觸而短路，提高燃料電池電堆工作的可靠性。
文檔編號(hào)H01M8/02GK102364741SQ201110379888
公開(kāi)日2012年2月29日 申請(qǐng)日期2011年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月25日
發(fā)明者齊志剛 申請(qǐng)人:武漢銀泰科技燃料電池有限公司