专利名称：薄型质子交换膜燃料电池堆及电解反应堆的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电化学领域，它涉及质子交换膜燃料电池堆及电解反应堆。
背景技术：
质子交换膜燃料电池堆及电解反应堆以固体电解质即质子交换膜为质子传输媒介，在质子交换膜两个表面分别附着一层催化剂，形成一个复合电极叫质子交换膜电极，简称MEA。燃料电池是通过阳极催化剂将导入的燃料如氢气、甲醇等氧化，产生的电子通过外电路到达阴极，阴极氧气得到电子被还原，同时，燃料氧化后产生的质子通过质子交换膜到达阴极并与氢氧离子复合形成水；而电解反应的工作原理正好是燃料电池的逆过程，因此电解反应堆可以利用同样的电池结构，只是选用的催化剂体系不同。
由于单电池产生的电压很小，电力也不足，所以在实用时有必要将多个单电池串联或并联起来组成电池堆，电池堆是否能够小型化成了当今燃料电池能否实用的瓶颈之一。
有关燃料电池堆的研究很多，俞红梅在文章“燃料电池组的气体分配管道--电源技术Vol.25 No.6 2001年”中描述了电池堆的结构，在电池堆中，包含有如下组件两块端板，两个单极板，多个双板板，多个膜电极，多个密封垫，连接杆以及外电路和辅助设备。它们按如下顺序排列端板-单极板-粘接剂-刚性密封垫-粘接剂-质子交换膜电极-粘接剂-刚性密封垫-粘接剂-双极板-粘接剂-刚性密封垫-粘接剂-质子交换膜电极-……-单极板-端板，由连接杆固定，组成电池堆，省略号表示重复单元，其中粘接剂与刚性密封垫为可选元件，双极板作为电子和反应物的传输通道并作为电池的支撑体，双极板的厚度一般在2.5～5mm之间，材质为石墨板或金属板，双极板上下表面均加工出流道，中间为阻隔层。
双极板在电池中分别与相邻单电池的阴极和阳极相连，结果形成一串联电路。由于双极板需要将氧化剂如氧气和燃料分开，同时还要为它们提供足够的运行通道，所以双极板不可能做得太薄，否则将产生很大的传输阻力，使得电池不能正常运行。关于双极板的结构，有不少专利，例如史鹏飞在中国专利CN1416184A中描述了一种金属复合双极板，图7a、图7b是当前燃料电池双极板的一种典型结构示意图。由于双极板的厚度直接影响了电池堆的大小，能够将其变薄是人们渴望很久而又很难实现的事情。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种薄型质子交换膜燃料电池堆及电解反应堆。
为了实现电池堆及电解反应堆的薄型化，主要采用了一种具有馅饼结构的流道板，在此命名为三明治板5。如图6所示，该三明治板5中层为绝缘连接片C，上下两层导电片B为金属片或石墨片，见图6b。图6a为其主视图，图6b为其侧视图。可以看出，三明治板的最明显特征是中层的绝缘连接片C，将上下两导电片层B隔开，不过三明治板的中间流道如图6a中的A是上下贯通的。两层导电片分别与两个单电池质子交换膜电极的催化剂层接触，同时两个导电片分别与邻近单电池的相反极性电极导电片相接，如图1所示，组成一个正负极相连的串联电路。燃料或者氧化气体在三明治板中间流道中通过时，将同时为两个电极提供反应物。由于在同样的压力下，气体或液体的流量与流道尺寸的立方成正比，所以只要三明治板的厚度比同样场合双极板单流道厚度大不到30％，即可获得与双极板同样的效果。这样就减少了将近一个流道的厚度及双极板中间阻隔层的厚度，从而三明治板的厚度至少可在现有双极板厚度的二分之一以下。整体燃料电池的体积和重量将减小一半左右。根据电池反应面积的大小可以调整三明治板的厚度，例如对于2×2平方厘米的电池，三明治板可以薄到0.5毫米，单电池MEA的厚度在1毫米以下是可以实现的。构成的燃料电池堆或电解反应堆的结构如下端板1-单极板2-粘接剂-X-粘接剂-单极板2-端板1，由连接杆6通过连接孔10固定，组成电池堆。X表示重复单元。重复单元X的组成为“刚性密封垫3-粘接剂-质子交换膜电极4-粘接剂-刚性密封垫3-粘接剂-三明治板5”。若干重复单元X组成燃料电池堆或电解反应堆。粘接剂与刚性密封垫为可选元件，它们主要起辅助支撑与封闭作用。在导电片与质子交换膜电极的催化剂层之间还可以增加一层起支撑作用的金属多孔网。反应物由端板的物料口7进入电池堆，通过单极板的孔8、物料通道11进入各个单电池，由三明治板的一端13输入，通过三明治板中间的流道A，由另一端13流出到物料通道11，再经由单极板的孔8、端口板7流出电池堆或电解反应堆。
本实用新型所描述的电池堆及电解反应堆的大小由组合的单电池数量确定，而单电池的面积大小可以小到0.5平方厘米，可以大到1平方米，由实际的用途决定。单电池的厚度主要由三明治板的厚度决定。根据反应面积的大小，三明治板的厚度可以在0.2-6毫米之间调整，比较适合的三明治板厚度为1-3毫米。三明治板中间绝缘片C的厚度为0.1毫米至三明治板总厚度的99％以下，它的主要作用是隔开两导电片B并参与构筑流道A。三明治板中间的流道A宽度和流道之间的宽度，在0.2-2毫米之间，通常为1-1.5毫米，流道A一般加工成直流道，加工成其它曲线流道也是可以的。三明治板的物料通道11的宽度一致，也与端板的物料出口7的尺寸一致。电池堆的其它部件的尺寸与三明治板的大小是相符合的。端板的连接孔10的大小依据电池堆的大小变化，其直径可以为0.4-1厘米。连接杆6通过连接孔10将电池堆固定，由螺帽12拧紧。连接杆6的直径与连接孔10的大小相一致。
图1是薄型质子交换膜燃料电池堆装配图的示意图。也是说明书摘要附图。
图2是薄型质子交换膜燃料电池堆端板的示意图。
图3是薄型质子交换膜燃料电池堆单极板的示意图。
图4是薄型质子交换膜燃料电池堆刚性密封垫的示意图。
图5是薄型质子交换膜燃料电池堆MEA的示意图。
图6a、图6b是薄型质子交换膜燃料电池堆三明治板5的示意图。图6a为其主视图，图6b为其侧视图。
图7a、图7b是当前燃料电池双极板的结构示意图。图7a是主视图，图7b是侧视图。
具体实施方式
本实用新型的实施方式结合附图描述如下图1是薄型质子交换膜燃料电池堆及电解反应堆的示意图，由端板1、单极板2、连接杆6及多个重复单元组成。
图2是薄型质子交换膜燃料电池堆端板的示意图，端板1主要由金属如不锈钢制成，其表面钻有多个连接孔10，用连接杆6穿过连接孔10将电池堆固定，连接杆6两端用螺帽12紧固，端板1表面钻有进出物料孔7。端板1的进出物料孔7分别与单极板的进出物料孔8相对应。
图3是薄型质子交换膜燃料电池堆单极板的示意图，单极板2由耐腐金属材料或石墨制成，其一个表面加工出流道，流道未与另一表面贯通，另一表面与端板相贴，并有进出物料孔8，物料8为通孔，与端板进出物料孔7对应，9为物料分配槽，分配槽未与单极板另一表面贯通，11为物料通道。
图4是薄型质子交换膜燃料电池堆刚性密封垫的示意图，刚性密封垫3可由金属或耐热塑料制成。
图5是薄型质子交换膜燃料电池堆MEA的示意图，质子交换膜电极MEA4的基本结构为多孔导电支持层-催化剂层-质子交换膜-催化剂层-多孔导电支持层。中间部份14为电池反应区。
图6a、图6b是薄型质子交换膜燃料电池堆及电解反应堆三明治板5的示意图，图6a为其主视图，A是上下贯通的流道，13为物料流入流出端。11为物料通道。图6b为其侧视图，中间层C由绝缘材料制成，上下两层导电层B由耐腐金属片或石墨片制成。
图7a是当前燃料电池双极板的结构示意图。一般由石墨或不锈钢材料制成。图7b是其侧视图。它的上下两边均加工有流道，上下两边流道是互不相通的。
实施例1制造端板1、单极板2、刚性密封垫3、质子交换膜电极4、三明治板5、连接杆6；选择适当粘接剂。然后，按照如下顺序组装成燃料电池堆或电解反应堆端板1-单极板2-粘接剂-重复单元X-粘接剂-单极板2-端板1，由连接杆6穿过两个端板1上的连接孔10，在连接杆6两端用螺帽12紧固。
当然，可以根据实际需要选择重复单元X数量来制造燃料电池堆及电解反应堆。
权利要求1.一种薄型质子交换膜燃料电池堆及电解反应堆有两个端板、两个单极板、多个膜电极、多个密封垫、连接杆以及外电路和辅助设备，其特征是还包括一种馅饼结构的流道板即三明治板；该电池堆的各个元件按如下顺序排列端板-单极板-粘接剂-X-粘接剂-单极板-端板，由连接杆固定组成电池堆；反应物由端板孔(7)导入电池堆，通过单极板的一端的孔(8)、物料通道(11)进入各个单电池，由三明治板的一端(13)输入，通过三明治板中间的流道A，由另一端(13)到物料通道(11)，再经由单极板另一端的孔(8)及对应的端板孔(7)流出电池堆；X为重复单元，重复单元X的组成为“刚性密封垫3-粘接剂-质子交换膜电极4-粘接剂-刚性密封垫3-粘接剂-三明治板5”。
2.如权利要求1所述的薄型质子交换膜燃料电池堆及电解反应堆，其特征在于三明治板的中层为绝缘垫片，上下两层为导电片；导电片与质子交换膜电极的催化剂层相接触，在导电片与质子交换膜电极的催化剂层之间还可以增加一层起支撑作用的金属多孔网；该三明治板的中间加工有上下贯通的流道，当反应物流过流道时，将同时为上下两个催化剂层提供反应物，并带走产物；该三明治板的两个导电片分别与邻近单电池的相反极性电极导电片相接，组成一个正负极相连的串联电路。
专利摘要本实用新型属于电化学领域，涉及一种质子交换膜燃料反应堆及电解反应堆。采用独特的馅饼结构的流道板，该流道板中层为绝缘连接片，上下为导电片如金属片或石墨片，并同为相邻单电池的阴极或阳极，这两个电极并不直接相连，但共用一个流道，结果流道板可以做得很薄，以致单电池厚度甚至可以做到1mm以下，为现有单电池厚度的二分之一左右，因此这一设计可以大幅减少燃料电池堆或电解反应堆的体积，为燃料电池堆及电解反应堆的实用化提供更有利的技术支撑。
文档编号H01M8/24GK2814685SQ20052002852
公开日2006年9月6日 申请日期2005年4月18日 优先权日2005年4月18日
发明者廖建辉, 邢巍, 周小春, 刘长鹏, 苏怡, 陆天虹 申请人:中国科学院长春应用化学研究所