專利名稱：含有氣體導(dǎo)流板的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種含有氣體導(dǎo)流板的燃料電池。
燃料電池是一個(gè)能將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。燃料電池尤其是質(zhì)子交換膜燃料電池除了在發(fā)電時(shí)無(wú)污染，噪音低外，還具有無(wú)腐蝕，啟動(dòng)快，制備容易，維修簡(jiǎn)單，功率密度大，發(fā)電效率高，使用壽命長(zhǎng)等許多優(yōu)點(diǎn)，因此在交通工具，發(fā)電設(shè)備，軍事，潛艇，航天和航空等各個(gè)領(lǐng)域中均有著廣闊的應(yīng)用前景。
氣體導(dǎo)流板是燃料電池的一個(gè)重要組成部分，它在燃料電池中的作用主要有以下三個(gè)方面1)導(dǎo)流氫氣、氧氣或空氣使之與電極中的催化劑反應(yīng)并將反應(yīng)后生成的水導(dǎo)流出燃料電池；2)作為剛性支撐體，支撐著電極以便氣-固電化學(xué)反應(yīng)的順利進(jìn)行；3)作為采取電流的電極板。
以美國(guó)GE公司為受讓人的美國(guó)專利第3,134,697號(hào)公開了一種質(zhì)子交換膜燃料電池，其采用凹型槽氣體導(dǎo)流板(以下簡(jiǎn)稱GE板，參見

圖1)。該氣體導(dǎo)流板是在整塊的耐腐蝕金屬板上刻出一個(gè)凹型槽而形成的。質(zhì)子交換膜燃料電池的膜電極集合體被夾在兩塊帶有凹型槽的氣體導(dǎo)流板之間(一塊是陰極板，另一塊是陽(yáng)極板)，而帶有一定壓力的氫氣和氧氣或空氣則分別被填充在凹型槽內(nèi)。此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是加工工藝簡(jiǎn)單，在膜電極集合體的表面能保持有一定的氣體壓力。但是，此設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是氣體不能在導(dǎo)流板上快速地流動(dòng)，反應(yīng)后生成的水不能及時(shí)地排除，從而使膜電極遭到水淹。因此，燃料電池的發(fā)電性能隨著反應(yīng)時(shí)間的推移而迅速地下降。此外，當(dāng)利用空氣作為氧化氣體來(lái)發(fā)電時(shí)，凹型槽內(nèi)空氣中氧氣的含量很快地降低(在反應(yīng)剛開始時(shí)，氧氣的含量在21％左右，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，由于不參與反應(yīng)的氮?dú)獠荒芗皶r(shí)地排出，從而造成氮?dú)夂可仙?，氧氣含量下?也是致使電池發(fā)電性能迅速下降的主要因素之一。
以美國(guó)Allis-Chalmers公司為受讓人的美國(guó)專利第3,575,719號(hào)公開了一種燃料電池的氣體導(dǎo)流板(以下簡(jiǎn)稱AC板，參見圖2)。AC板是在耐腐蝕的金屬板上或在高密度、不透氣的石墨板上刻有多條平行的氣體導(dǎo)流槽而制成的。此板的特點(diǎn)是氣體可以在氣體導(dǎo)流槽里快速地流動(dòng)且阻力小，反應(yīng)后生成的水或不參與反應(yīng)的氮?dú)饽芎芸斓乇慌懦觥５?，?dāng)把AC板用于大功率的質(zhì)子交換膜燃料電池并用空氣發(fā)電時(shí)，燃料電池發(fā)電不穩(wěn)定，電壓的波動(dòng)很大。
以巴拉德公司為受讓人的美國(guó)專利第5,108,849號(hào)公開了一種用于燃料電池的氣體導(dǎo)流板(以下簡(jiǎn)稱BD板，參見圖3)。此BD板的設(shè)計(jì)是將一條或多條氣體導(dǎo)流槽從氣體的入口連續(xù)地刻到氣體的出口處，使得氣體導(dǎo)流槽在整個(gè)板面上呈盤蛇狀。實(shí)驗(yàn)證明，采用BD板作為氣體導(dǎo)流板的質(zhì)子交換膜燃料電池用空氣作為氧化氣體時(shí)，其發(fā)電性能確實(shí)穩(wěn)定。然而，由于使用BD板大大增加了空氣和作為副產(chǎn)物的生成水在氣體導(dǎo)流板上流動(dòng)的距離和阻力，這不僅增加了膜電極集合體受損、受淹的可能性而且使得氣體導(dǎo)流槽中流動(dòng)的空氣中氧氣的含量有一個(gè)很大的梯度(即在空氣入口處，氧氣的含量占21％左右，而在空氣出口處，氧氣的含量要遠(yuǎn)低于20％)。因而損失了一些發(fā)電性能。
本發(fā)明的目的是提供一種含有氣體導(dǎo)流板的燃料電池，能降低其氣體導(dǎo)流板上的氣體導(dǎo)流槽中氧氣含量的梯度，使發(fā)電性能穩(wěn)定、膜電極集合體受損和受淹的可能性減小，從而提高其發(fā)電性能。
為此，本發(fā)明提供一種含有氣體導(dǎo)流板的燃料電池，包括至少兩個(gè)基本平行的氣體導(dǎo)流板，在兩個(gè)相鄰的氣體導(dǎo)流板上以相對(duì)方式開有氣體導(dǎo)流槽，其中分別充有氧氣/空氣和氫氣，在該氣體導(dǎo)流板之間依次設(shè)置碳紙、催化劑、電解質(zhì)、催化劑和碳紙，其它各相鄰導(dǎo)流板也按類似結(jié)構(gòu)布置，其間也依次設(shè)置碳紙、催化劑、電解質(zhì)、催化劑和碳紙，其中，氣體導(dǎo)流板上的氣體導(dǎo)流槽由一段或多段組成，氣體導(dǎo)流槽的總橫截面積沿從氣體入口向氣體出口的方向逐漸減小。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的特征，本發(fā)明燃料電池的氣體導(dǎo)流板的每一段氣體導(dǎo)流槽可由一根或多根導(dǎo)流槽單元組成。
由于本發(fā)明的燃料電池采用了上述氣體導(dǎo)流板，使氣體導(dǎo)流槽中的空氣的流速沿從氣體入口向氣體出口的方向逐漸提高，從而使氣體導(dǎo)流槽中流動(dòng)的空氣中的氧氣向催化劑和電解質(zhì)界面上的擴(kuò)散得以加強(qiáng)。因此，根據(jù)本發(fā)明，縮短了空氣和作為副產(chǎn)物的生成水在氣體導(dǎo)流槽中的流程，減少了空氣和生成水流動(dòng)的阻力，減少了膜電極集合體受損和受淹的可能性，降低了氣體導(dǎo)流槽中氧氣含量的梯度，從而保證了燃料電池高效、穩(wěn)定地發(fā)電。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明的實(shí)施例。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的一種氣體導(dǎo)流板的示意圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)中的另一種氣體導(dǎo)流板的示意圖；圖3是現(xiàn)有技術(shù)中的又一種氣體導(dǎo)流板的示意圖；圖4是本發(fā)明的含有氣體導(dǎo)流板的燃料電池的結(jié)構(gòu)圖。
圖5詳細(xì)示出了本發(fā)明的燃料電池所采用的氣體導(dǎo)流板。
經(jīng)試驗(yàn)后，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，采用AC板作為氣體導(dǎo)流板并用空氣發(fā)電的燃料電池的發(fā)電性能并不是隨著時(shí)間的增加才逐漸降低的，而是從一開始就不穩(wěn)定。但是，無(wú)論何時(shí)，一旦用氧氣代替空氣，燃料電池的發(fā)電便會(huì)非常穩(wěn)定。由此可見，水珠凝聚導(dǎo)致某些氣體導(dǎo)流槽的阻力升高顯然不是采用AC板作為氣體導(dǎo)流板的燃料電池在用空氣發(fā)電時(shí)其性能不穩(wěn)定的真正因素，其真正原因是空氣在氣體導(dǎo)流槽中的流速太慢。
在流量一定的條件下，空氣在AC板上氣體導(dǎo)流槽中的流速比在BD板上氣體導(dǎo)流槽中的流速要慢的多，這是因?yàn)橥ǔＧ闆r下AC板上氣體導(dǎo)流槽的數(shù)目比BD板上氣體導(dǎo)流槽的數(shù)目一般要多出10倍以上，使得AC板上氣體導(dǎo)流槽的總橫截面積比BD板上導(dǎo)流槽的總橫截面積要大得多，而在流量一定的條件下，空氣在氣體導(dǎo)流槽中的流速和氣體導(dǎo)流槽的總橫截面積成反比。其中，氣體導(dǎo)流槽的總橫截面積指的是在某一流速下，組成某段氣體導(dǎo)流槽的各導(dǎo)流槽單元的橫截面積之和。
圖4示出了本發(fā)明的含有氣體導(dǎo)流板的燃料電池的一部分，該燃料電池包括至少兩個(gè)基本平行的導(dǎo)流板1和1a，在該導(dǎo)流板1和1a上以相對(duì)方式開有氣體導(dǎo)流槽2和2a，其中分別充有氧氣/空氣和氫氣。在該導(dǎo)流板1和1a之間依次設(shè)置碳紙5、催化劑4、電解質(zhì)3、催化劑4a和碳紙5a。其它各相鄰導(dǎo)流板也按類似結(jié)構(gòu)布置，其間也依次設(shè)置碳紙、催化劑、電解質(zhì)、催化劑和碳紙。
圖5詳細(xì)表示了根據(jù)本發(fā)明的燃料電池所采用的氣體導(dǎo)流板的一個(gè)實(shí)施例。如圖5所示，氣體導(dǎo)流板1上設(shè)有盤蛇狀的氣體導(dǎo)流槽2，其由三段組成。在靠近氣體入口20處，設(shè)有第一段導(dǎo)流槽D1；在氣體導(dǎo)流板1的中部，設(shè)有與所述第一段導(dǎo)流槽D1連通的第二段導(dǎo)流槽D2；在靠近氣體出口22處，設(shè)有與所述第二段導(dǎo)流槽D2連通的第三段導(dǎo)流槽D3。所述第一段導(dǎo)流槽D1、第二段導(dǎo)流槽D2和第三段導(dǎo)流槽D3的槽數(shù)按下述原則來(lái)確定，即使第一段導(dǎo)流槽D1的總橫截面積大于第二段導(dǎo)流槽D2的總橫截面積，而第二段導(dǎo)流槽D2的總橫截面積大于第三段導(dǎo)流槽D3的總橫截面積。這樣，如果氣體在第一段導(dǎo)流槽D1、第二段導(dǎo)流槽D2和第三段導(dǎo)流槽D3中的流速分別用V1、V2和V3表示，則三者之間的關(guān)系可表示為V1＜V2＜V3。
本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，如果氣體導(dǎo)流槽中流動(dòng)的氣體是空氣，則空氣中的氧氣濃度在氣體入口20處最高。隨著空氣向氣體出口22處的流動(dòng)，空氣中的氧氣濃度逐漸降低。然而，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池，由于其氣體導(dǎo)流板的氣體導(dǎo)流槽中的空氣的流速的變化，可以補(bǔ)償由于空氣中的氧氣濃度降低而造成的空氣中的氧氣向催化劑和電解質(zhì)界面的擴(kuò)散速度的降低。這樣，利用根據(jù)本發(fā)明的燃料電池，即縮短了空氣和作為副產(chǎn)物的生成水在氣體導(dǎo)流槽中的流程，減少了空氣和生成水流動(dòng)的阻力，即減少了膜電極集合體受損和受淹的可能性，降低了氣體導(dǎo)流槽中氧氣含量的梯度，又保證了燃料電池高效、穩(wěn)定的發(fā)電。表1列出了根據(jù)本發(fā)明的含有氣體導(dǎo)流板的燃料電池的發(fā)電性能與采用AC板或BD板作為氣體導(dǎo)流板的單膜燃料電池的發(fā)電性能的對(duì)比情況(氫氣/空氣)。
表1輸出電流輸出電壓輸出功率 發(fā)電性能用AC板68A0.55V37W 不穩(wěn)定用BD板86A0.64V55W 穩(wěn)定本發(fā)明102A 0.65V66W 穩(wěn)定由表1的數(shù)據(jù)可以清楚地看出，在其他條件等同的情況下，采用本發(fā)明的氣體導(dǎo)流板的燃料電池不僅發(fā)電穩(wěn)定，而且輸出功率比用AC板作為氣體導(dǎo)流板的燃料電池高出78％，比用BD板作為氣體導(dǎo)流板的燃料電池高出20％。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，只要根據(jù)氣體導(dǎo)流槽中流動(dòng)的空氣中的氧氣梯度，通過(guò)適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)第一段導(dǎo)流槽D1、第二段導(dǎo)流槽D2和第三段導(dǎo)流槽D3的槽數(shù)及其長(zhǎng)度，就能很好地控制各段導(dǎo)流槽中的空氣流動(dòng)速度，從而保持燃料電池發(fā)電性能的穩(wěn)定。
當(dāng)然，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池所用的氣體導(dǎo)流板上的氣體導(dǎo)流槽并不限于本發(fā)明實(shí)施例中所述的三段，各段導(dǎo)流槽的槽數(shù)也可根據(jù)情況來(lái)選定。每段導(dǎo)流槽可由平行的、截面積相同的一根或多根導(dǎo)流槽單元組成，也可由其它形式的導(dǎo)流槽單元組成。只要其總截面積隨著遠(yuǎn)離氣體入口處而逐漸變小即可。
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池中的電解質(zhì)可以是質(zhì)子交換膜，也可以是熔融碳酸鹽，固體氧化物，磷酸，氫氧化鉀或氫氧化鈉。
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池所用的氣體導(dǎo)流板的材料可以是各種耐腐蝕的金屬板或合金板，如不銹鋼板，鎳板，鈦板或表面涂有或貼有防腐蝕材料的金屬鋁板；也可以是石墨碳板，如在石墨碳板中混有各種金屬材料或各種高分子材料。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知道，上述說(shuō)明是實(shí)例性而非限定性的。在不偏離本發(fā)明精神的情況下，所有改變后的方案均落入所附權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1．一種含有氣體導(dǎo)流板的燃料電池，包括至少兩個(gè)基本平行的氣體導(dǎo)流板(1,1a)，在兩個(gè)相鄰的氣體導(dǎo)流板(1,1a)上以相對(duì)方式開有氣體導(dǎo)流槽(2,2a)，其中分別充有氧氣/空氣和氫氣，在該氣體導(dǎo)流板(1,1a)之間依次設(shè)置碳紙(5)、催化劑(4)、電解質(zhì)(3)、催化劑(4a)和碳紙(5a)，其它各相鄰導(dǎo)流板也按類似結(jié)構(gòu)布置，其間也依次設(shè)置碳紙、催化劑、電解質(zhì)、催化劑和碳紙，其特征在于，所述氣體導(dǎo)流板(1,1a)上的所述氣體導(dǎo)流槽(2,2a)由一段或多段組成，其總橫截面積沿從氣體入口向氣體出口的方向逐漸減小。
2．如權(quán)利要求1所述的含有氣體導(dǎo)流板的燃料電池，其特征在于，各段氣體導(dǎo)流槽由一根或多根平行的導(dǎo)流槽單元構(gòu)成。
3．如權(quán)利要求1或2所述的含有氣體導(dǎo)流板的燃料電池，其特征在于，所述氣體導(dǎo)流槽(2,2a)由三段組成。
4．如權(quán)利要求3所述的含有氣體導(dǎo)流板的燃料電池，其特征在于，所述各導(dǎo)流槽單元的截面積相同。
5．如權(quán)利要求1或2所述的含有氣體導(dǎo)流板的燃料電池，其特征在于，所述電解質(zhì)(3)由質(zhì)子交換膜組成。
6．如權(quán)利要求1或2所述的含有氣體導(dǎo)流板的燃料電池，其特征在于，所述電解質(zhì)(3)由熔融碳酸鹽組成。
7．如權(quán)利要求1或2所述的含有氣體導(dǎo)流板的燃料電池，其特征在于，所述氣體導(dǎo)流板(1,1a)由耐腐蝕的金屬板制成。
8．如權(quán)利要求1或2所述的含有氣體導(dǎo)流板的燃料電池，其特征在于，所述氣體導(dǎo)流板(1,1a)由石墨碳板制成。
全文摘要
一種含有氣體導(dǎo)流板的燃料電池,包括至少兩個(gè)基本平行的氣體導(dǎo)流板1和1a,其間依次設(shè)置碳紙、催化劑、電解質(zhì)、催化劑和碳紙。其中,所述氣體導(dǎo)流板上的氣體導(dǎo)流槽由一段或多段組成,其各段的總橫截面積沿從氣體入口向氣體出口的方向逐漸減小。利用如此設(shè)計(jì)的氣體導(dǎo)流板的燃料電池,可以使氣體導(dǎo)流槽中流動(dòng)的空氣中的氧氣向催化劑和電解質(zhì)界面的擴(kuò)散得以加強(qiáng),從而維持燃料電池的發(fā)電性能穩(wěn)定。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1237004SQ98108958
公開日1999年12月1日 申請(qǐng)日期1998年5月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月22日
發(fā)明者魏金柱, 張玉萍, 沈建躍 申請(qǐng)人:鐘家輪