质子交换膜燃料电池、电堆及其制造方法技术

提供了质子交换膜燃料电池和电堆，电池包括氢气流场板、氧气流场板以及两者之间的质子交换膜电极，质子交换膜电极包括：顺序叠置的第一扩散层、第一催化剂层、质子交换膜、第二催化剂层、第二扩散层，扩撒层具有氢氧气体扩散、导电性、旁路导电功能，向外延展并连接旁路导电接头，构成流场板外的旁路导电电路,以及在扩散层周围形成密封圈，以防止气体扩散至电池的氢氧反应区域外，但扩散层延展到氢氧气体反应区域外形成旁路导电区，电能通过该旁路导电区传导到氢氧反应区域外。通过采用延展的扩散层加旁路导电接头旁路电流的旁路电流方式，使得双极板无需具有导电的功能，成为只具有氢氧气体导流的流场板，从而大大降低流场板的材料和制造成本。

Proton exchange membrane fuel cells, stacks and their manufacturing methods

【技术实现步骤摘要】
质子交换膜燃料电池、电堆及其制造方法
本专利技术总体地涉及燃料电池，更具体地涉及一种燃料气体(如氢气、甲烷气、乙醇气体等)和空气反应产生电能的装置，可以用作发电设备，用于各种交通工具、各种设备等的电源装置，涉及石墨烯基高导热材料在新能源领域的应用，还涉及燃料气体和空气发生化学反应产生能源装置的设计和制造方法。
技术介绍
氢燃料电池电堆是将氢氧反应的化学能转换为电能的装置，一般由阴极流场板、阳极流场板，以及两者之间的膜电极所组成。其中膜电极包括扩散层、催化剂层、质子膜等五层所组成。膜电极将氢氧反应的化学能转换为电能和热能，假设氢氧反应的化学能转换为电能的效率为50％，则有50％的化学能转换为热能。因此，散热是质子交换膜燃料电池电堆稳定运行所必须解决的重要问题之一。目前质子交换膜燃料电池电堆根据其散热方式主要分为两种：气冷堆和水冷堆。气冷堆结构简单，但气冷效率低，主要用于小型、实验型质子交换膜燃料电池电堆的冷却。由于干燥空气容易吹干质子膜，造成电堆的运行效率降低，因此气冷堆的使用效率有限，一般用于示范电堆。水冷或液冷堆结构复杂，散热效果好，同时降低了堆内空气流量，通过对进堆的空气的加湿，而使得电堆能够在干燥的空气环境中稳定运行。但水冷堆结构复杂，水冷通路占了反应堆的30％～50％的位置，使得反应堆的反应区域减少，质子膜及其催化剂不能有效地得到利用，最终使得反应堆的价格高昂。目前汽车用堆一般都采用这种液冷方式。图10～13示出了传统气冷质子交换膜燃料电池电堆的结构原理图。其中图10中31示出了阴极流场，32示出了氢气流通道，图11中33示出了阳极流场。图12示出了夹在两个流场板之间的五层结构膜电极，包括中间的质子交换膜34，膜两则的催化剂35，以及更外侧的扩散层36。图13示出由多个流场板和膜电极堆叠而成的质子交换膜燃料电池电堆，以及电堆的产生的电流9。一般情况下，流场板水平放置，阴极流场呈水平状，气体自左至右或自右至左流动，氢氧反应生成的水从其中一端或两端流出。氢氧反应时氢气在催化剂的作用下释放出电子穿过流场板被氧气俘获，而质子则穿过质子交换膜和另一侧的氧气结合同时俘获氢气在催化剂作用下释放的电子。电子和质子的运动形成电流，穿过流场板从电堆的两端输出(图13)。目前，流场板的材料一般采用石墨。一方面，石墨具有抗腐蚀、高电导、不渗漏、易于制造等诸多优点。另一方面，石墨流场板的导热性差，氢氧的反应热难以及时散出，从而导致电堆难以做大。因此，石墨气冷电堆大都是数千瓦之内的小功率电堆。空气直冷的反应堆中，氢氧反应所需的氧气和冷却所需的空气都来源于穿过反应堆流场板的空气流，通过调节阴极空气流的大小可以很方便地控制质子膜的湿度和电堆的温度，维持电堆的稳定发电。这样设计的优点是电堆系统结构简单，体积小、重量轻，造价便宜。相应地，这种设计的缺点也十分明确，首先是由于空气散热的效率有限，流场板不能做得太大，从而限制了电堆的总功率；其次，在空气干燥的地区，如沙漠、冬天低温干燥等，散热空气所带走的水汽太多，从而导致质子膜干燥而影响发电；最后，大量的散热空气进入电堆带入大量的空气污染物，引起堵塞扩散层、毒化催化剂等多种问题，从而大大地降低电堆的寿命。因此，空气直冷的电堆在低成本的小功率电堆方面有优势，而在大功率的商用电堆方面，则有明显的劣势。上述情况本质上是质子膜氢电堆所面临的共同问题，即流场板在电堆内要承担三重功能：一是气体流场，要求流场板足够致密，不能有任何泄露，否则氢氧直接混合，容易导致危险；二是散热流场，要求通过流场板的气体或者液体来对电堆进行散热；三是导电，要求流场板是电的良导体，氢氧反应产生的电流穿过流场板，到达电堆的两端。另外，流场板还要抗酸蚀，氢电堆在反应时生成氢离子，具有强酸性，会对金属流场板产生强烈的酸蚀、氢蚀。而且，酸蚀过程中产生的金属离子对于质子交换膜中的催化剂具有毒性。因此，同时满足上述所有要求，且价格合适的流场板材料，目前只有高纯度的石墨。但也存在散热效率不高、制造成本高等问题。相反，金属流场板具有制造成本低，其中含有散热液体使得其散热效率高的优点，但不耐酸蚀、氢蚀、导电性差。关于质子膜电堆的研究近年来一直很热，主要方向是解决其散热问题，同时寻找更好的双极板的材料。目前代表性的方向是金属水冷堆，其主要思想是在阴极、阳极流场中加入封闭的液冷管道，使得电堆的反应热能够通过冷却液将热量带到电堆外部。这种金属板电堆理论上可以完全不依赖于空气的冷却，可以制造氢氧电堆。金属板电堆主要有三个问题：首先，如上所述，液冷管道占用了反应堆内部大量的空间，导致反应堆内质子膜和催化剂的利用率降低，增加了反应堆的成本；其次，一般金属的导电性不好，阻碍氢氧反应时电子的移动，且大功率电堆的运行时产生强电流会导致金属板发热；再次，电堆运行时产生质子流，呈强酸性，对金属有腐蚀作用，在电流和氢的作用下金属发生氢脆而降低强度，同时产生金属离子，对催化剂中的金属具有毒性。而符合高强度、高导电性、耐腐蚀等条件的金属或合金，一般都是贵金属或贵金属合金等。这大大地提高了电堆的制造成本。国内外关于质子交换膜燃料电池电堆的专利非常多，本申请优选了最近十多年来12个相关的专利如下。从这些专利可以看出，早期的燃料电池是小功率气冷电池系统，经过多年的改进，燃料电池逐步从气冷小功率转变为金属双极板水冷大功率电堆。【1】CN03120950，小功率气冷式燃料电池系统，亚太燃料电池科技股份有限公司，2003-03-24；【2】CN200620069309，空冷型燃料电池堆，南京博能燃料电池有限责任公司，2006-02-15；【3】CN200710007706，具有改进的流动通道的冷却板，三星Sdi株式会社，2007-01-29；【4】CN200710172148，金属薄板成形的质子交换膜燃料电池双极板，上海交通大学，2007-12-13；【5】CN200880010515，燃料电池系统及电源控制方法，丰田自动车株式会社，2008-04-18；【6】CN201010288866，质子交换膜燃料电池金属双极板及其构成的单池和电堆，武汉理工大学，2010-09-21；【7】CN201010543786，空冷型质子交换膜燃料电池双极板，无锡国赢科技有限公司，2010-11-15；【8】CN201420388910，基于金属双极板的氢电源，江苏冰城电材股份有限公司，2014-07-14；【9】CN201420213337，一种增强燃料电池电堆散热的双极板，南京双登科技发展研究院有限公司，2014-04-29；【10】CN201410543495，水冷质子交换膜燃料电池电堆和水冷质子交换膜燃料电池，北京氢璞创能科技有限公司，2014-10-15；【11】CN201310087948，高导热薄层石墨烯基复合材料、其制备方法及应用，苏州格瑞丰纳米科技有限公司，2013-03-19；【12】CN201310172499，一种高导热天然石墨散热片的制备方法，深圳市同安泰电子科技有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种质子交换膜燃料电池，包括氢气流场板、氧气流场板以及两者之间的质子交换膜电极，/n质子交换膜电极包括：顺序叠置的第一扩散层、第一催化剂层、质子交换膜、第二催化剂层、第二扩散层，/n其中所述第一扩撒层和第二扩撒层具有氢氧气体扩散、导电性、旁路导电功能，向外延展并连接旁路导电接头，构成流场板外的旁路导电电路,以及在扩散层周围形成密封圈，以防止气体扩散至电池的氢氧反应区域外，但扩散层延展到氢氧气体反应区域外形成旁路导电区，电能通过该旁路导电区传导到氢氧反应区域外。/n

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池，包括氢气流场板、氧气流场板以及两者之间的质子交换膜电极，
质子交换膜电极包括：顺序叠置的第一扩散层、第一催化剂层、质子交换膜、第二催化剂层、第二扩散层，
其中所述第一扩撒层和第二扩撒层具有氢氧气体扩散、导电性、旁路导电功能，向外延展并连接旁路导电接头，构成流场板外的旁路导电电路,以及在扩散层周围形成密封圈，以防止气体扩散至电池的氢氧反应区域外，但扩散层延展到氢氧气体反应区域外形成旁路导电区，电能通过该旁路导电区传导到氢氧反应区域外。


2.根据权利要求1的质子交换膜燃料电池，在第一扩散层的旁路导电部分和第二扩散层的旁路导电部分之间形成绝缘部。


3.根据权利要求2的质子交换膜燃料电池，所述绝缘部由在第一扩散层的旁路导电部分和第二扩散层的旁路导电部分之间填充绝缘胶形成。


4.根据权利要求1的质子交换膜燃料电池，所述氢气流场板和氧气流场板采用不导电材料制造的。


5.根据权利要求1或2所述的质子交换膜燃料电池，所述氢气流场板和氧气流场板不作为电极使用。

【专利技术属性】
技术研发人员：陶霖密，
申请(专利权)人：陶霖密，
类型：发明
国别省市：浙江;33