专利名称：燃料电池的薄膜组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用燃料电池获得电能的能量发生系统，尤其是将构成燃料电池反应堆的单位原电池的薄膜组件分成薄膜(与电解质膜混用)和两侧电极分别安装的燃料电池的薄膜组件。
背景技术：
人类使用的大部分能量来自石化燃料。但是，使用石化燃料会导致大气污染及酸雨、地球暖化等问题，对环境造成极其恶劣的影响，并且能量的使用效率也很低。
作为替代这种石化燃料使用的燃料电池与一般的电池(2次电池)不同，通过从外部给阴极(anode)提供燃料(氢气或碳化氢)和给阳极(cathode)提供氧气，使其以水的电解反应的逆反应进行电化学反应，从而产生电流和热量，实质上可以看作是发电装置。
燃料电池的发电不经过燃料的燃烧(氧化)反应，而直接将氢气和氧气的电化学反应前后的能量差转换成电能。
按照电解质的类型对燃料电池进行分类有在200℃附近工作的磷酸型燃料电池；在60～110℃范围内工作的碱性电解质型燃料电池；在常温～80℃范围内工作的高分子电解质燃料电池；在500～700℃范围的高温中工作的熔融碳酸盐电解质型燃料电池；以及在1000℃以上的高温环境下工作的固体氧化物燃料电池等。
上述的燃料电池如图1所示，包括配备了燃料极12和空气极13，以便利用氢气和氧气的电化学反应来产生电能的燃料电池反应堆10；给所述燃料极12提供含有氢的水溶液状态的四氢化硼BH4(实质上提供NaBH4)的燃料供应部20；将包含氧气的空气提供给所述空气极的空气供应部30；将燃料电池反应堆10产生的电能供应给负荷的电能输出部40构成。
燃料电池反应堆10由多个单位原电池(single cell)叠层后利用长长的螺栓贯穿形成，各个单位原电池包括电解质膜11、隔着电解质膜11在两侧利用高温高压叠层后形成的燃料极12和空气极13、在燃料极12和空气极13的外侧叠层的使燃料和空气各自与燃料极12和空气极13接触并循环的隔离板14，15构成。两个末端单位原电池的外面上设置了形成集电极的集电板16，17。
电解质膜11使用可以通过H+的高分子材料的膜，例如在湿润的状态下具有导电性的高分子离子交换膜。
燃料极12和空气极13由支持体和对支持体的两侧面全部进行叠层的一个催化剂层构成，而其中的支持体由具有金属镍构成，催化剂层最好是镀含氢合金(MH)系的金属后使用。
隔离板14，15采用具有良好的导电性并耐腐蚀性较强的类似于石墨的导电物质，在燃料极12和空气极13接触的各个内侧面上形成了通过燃料的燃料通道Cf和通过空气的空气通道Co。而且，设置在单位原电池之间的隔离板14，15的一侧设置了燃料通道Cf，另一侧设置了空气通道Co，而设置在燃料电池反应堆10两侧端部的隔离板14，15只是在内侧面上设置了燃料通道Cf或空气通道Co。
集电板16，17是最终从燃料电池反应堆10得到电能的电极，通常采用铜材料。
图中21表示燃料供应管，22表示燃料罐，23表示燃料泵，31表示空气供应管，32表示空气泵，M表示薄膜组件。
如上所述的以往的燃料电池反应堆以硼化合物作为燃料产生电能的过程如下供应到隔离板14，15的燃料通道Cf和空气通道Co的燃料和空气在通过各个燃料极(阴极)和空气极(阳极)的过程中，燃料中的氢气和氧气进行电化学反应，在生成水的同时在两个电极之间产生电流。下面，对其进行详细的说明在燃料极13发生的电化学氧化反应，这时电解质膜11传递氧化/还原反应中产生的离子，而在空气极13上产生的空气(氧气)的电化学还原反应。
所以在燃料极13和空气极14之间产生电流，而产生的电流通过设置在多个单位原电池11叠层的燃料电池反应堆10两端的集电板16，17供应到负荷中。
但是，如上所述的以往的燃料电池如图2及图3所示，为了形成一个单位原电池而利用高温高压紧压了电解质膜11和其两侧的燃料极12和空气极13，形成了薄膜组件M，但是如果要制作大面积的薄膜组件时必需配备大型的加压设备，会增加生产成本。而且，在紧压电解质膜11和两侧电极12，13的过程中，当阴极和阳极的水分含量有差异时，会发生薄膜组件M弯曲的现象或在高温紧压时会引起的电解质膜11的变形。如果这样的压紧工艺不彻底时，虽然看起来电解质膜11和两侧电极12，13已经结合，但因压紧力不足在启动过程中一部分会分离，降低发电效率。在安装或在启动时如果有一部分薄膜组件M的电解质膜11或电极12，13破损时需要更换整个薄膜组件M，会增加维护费用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种无需加压装置也可以制作大面积的薄膜组件，降低生产成本；在安装电解质膜和两侧电极时可以改善弯曲现象，使电解质膜和两侧电极更加坚固；在安装或启动时如一部分薄膜发生故障，只更换故障部位，可以减少维护费用的燃料电池的薄膜组件。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种燃料电池的薄膜组件，包括电解质膜，中间隔着电解质膜，与燃料和空气接触产生水和电流的叠层形成的燃料极和空气极，在将燃料极和空气极各设置在电解质膜两侧面的状态下，利用至少一个以上的连结部件固定燃料极和空气极，使燃料极和空气极紧靠在电解质膜上。
可以在燃料极和空气极的外面上设置了有燃料通道和空气通道的隔离板，并利用连结部件拧紧两侧隔离板，以使燃料极和空气极紧贴在电解质膜上。
可以在燃料极和空气极以及在与燃料极和空气极相接的隔离板之间夹入了密封垫。
连结部件由贯穿电解质膜、燃料极、空气极或者贯穿电解质膜、燃料极、空气极、两侧隔离板的连结螺栓和在外面拧紧连结螺栓的连结螺母构成。
本发明设计的燃料电池的薄膜组件在将燃料极和空气极各设置在电解质膜两侧面的状态下，利用至少一个以上的使燃料极和空气极紧靠在电解质膜的连结部件，固定了燃料极和空气极，从而在制作大面积的薄膜组件时无需另准备加压装置，可以降低生产成本；在制作薄膜组件时不用另设压缩工艺，即使燃料极和空气极的水分含量不同，也可以预防薄膜组件的弯曲；可以预防高温引起的电解质膜的变形，并在安装时可以均匀地调节安装强度，预防燃料电池反应堆的效率下降；在安装或启动时如一部分薄膜发生故障，可以只更换故障部位，由此可以减少维护费用；将电解质膜和电极设置成可以拆分地结构，从而可以根据需要调整电极。
图1是以往燃料电池的系统图。
图2是以往燃料电池的薄膜组件的分解立体图。
图3是以往燃料电池的薄膜组件安装过程的纵断面图。
图4是本发明设计的燃料电池的薄膜组件的立体图。
图5是本发明设计的燃料电池的薄膜组件安装过程的纵断面图。
图中，110连结螺栓；111连结螺母；121电解质膜；122燃料极；123空气极；121a，122a，123a贯通孔；M薄膜组件。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明的燃料电池的薄膜组件作进一步的详细说明如图4、5所示，本发明设计的燃料电池反应堆是通过将多个单位原电池依次叠层后利用长长的连结螺栓拧紧，使各个单位原电池相互紧密靠近形成。连结螺栓110的一端设置有比下面叙述的贯通孔更宽的头部，而另一端上形成装配螺母的螺纹部。
各个单位原电池包括电解质膜121、隔着电解质膜121在两侧叠层后与电解质膜121一同形成薄膜组件M的燃料极122和空气极123、在燃料极122和空气极123的外侧叠层的使燃料和空气各自与燃料极122和空气极123接触并循环的隔离板124，125、在两侧隔离板124，125的外侧叠层形成集电极的集电板(图中未示)构成。
电解质膜121使用可以通过H+的高分子材料的膜，例如在湿润的状态下具有导电性的高分子离子交换膜，在电解质膜121的周边上形成了可以穿过连结螺栓110的贯通孔121a。
燃料极122和空气极123由支持体和在支持体的两侧面叠层的催化剂层构成。
燃料极122和空气极123由一个支持体和对支持体的两侧面全部进行叠层的一个催化剂层构成，而其中的支持体最好是由金属镍构成，催化剂层最好是镀含氢合金(MH)系的金属后使用。
在各个支持体的周边上形成了与所述电解质膜121的贯通孔121a对应的可以穿过连结螺栓110的贯通孔122a，123a。
隔离板124，125采用具有良好的导电性并耐腐蚀性较强的类似于石墨的导电物质，在燃料极122和空气极123接触的各个内侧面上形成了通过燃料的燃料通道Cf和通过空气的空气通道Co。而且，设置在单位原电池之间的隔离板124，125的一侧设置了燃料通道Cf，另一侧设置了空气通道Co，而设置在燃料电池反应堆两侧端部的隔离板124，125只是在内侧面上设置了燃料通道Cf或空气通道Co。
在隔离板124，125的周边上形成了与所述电解质膜121的贯通孔121a和各个电极122，123支持体具备的贯通孔122a，123a对应的可以穿过连结螺栓110的贯通孔124a，125a。
在隔离板124，125和与其相接的燃料极122及空气极123之间夹入了可以封闭隔离板124，125的燃料通道Cf和空气通道Co外框的四角带状的密封垫。所述密封垫(图中未示)上也形成了可以穿过连结螺栓的贯通孔。
集电板(图中未示)是最终从燃料电池反应堆得到电能的电极，通常采用铜等具有导电性的材料。
在集电板的周边形成了与电解质膜121的贯通孔121a和电极122，123支持体的贯通孔122a，123a以及隔离板124，125的贯通孔124a，125a相对应的可以穿过连结螺栓的贯通孔(图中未示)。
图中111表示连结螺母，与以往相同的部分使用了相同的符号。
如上所述的本发明设计的燃料电池的燃料反应堆的安装过程如下中间隔着电解质膜121，在其两侧设置燃料极122和空气极123后，在燃料极122和空气极123的外围面上设置配备有燃料通道Cf和空气通道Co的隔离板124，125，经过反复进行这一系列的过程后，依次对多个单位原电池叠层。
然后，在两侧单位原电池的外面贴集电板(图中未示)，并利用长长的连结螺栓110穿过在各个电解质膜121和燃料极122、空气极123以及隔离板124，125和集电板(图中未示)上形成一列的贯通孔121a，122a，123a，124a，125a(图中未示)后，一端利用连结螺栓110的头部而另一端利用插入的连结螺母111，使各个部分紧紧相贴。
这时，最好是在各个隔离板124，125和与其相接的燃料极122或空气极123上夹入密封垫(图中未示)，以使密封垫在装配连结螺栓110的过程中适当地压缩，防止燃料和空气的泄漏。
综上所述，在制作大面积的薄膜组件时无需配备加压装置，可以节约生产成本。在制作薄膜组件时只是简单地通过拧紧连结螺栓来安装电解质膜和电极，无需配备压缩工艺，即使燃料极和空气极中的水分含量不同，也可以预防薄膜组件的弯曲。而且，无需将电解质膜加热至高温，可以预防电解质膜的变形。在安装作业不均匀或不充分时，导致电解质膜和两侧电极分开时，可以将安装强度调节得更加均匀，更加充分，防止燃料电池反应堆效率降低。同时，因为可以拆分电解质膜和电极，可以根据需要调节电极。
同时，如前所述可以设置安装孔并利用连结螺栓和连结螺母安装电解质膜和燃料极以及两侧隔离板和集电板，虽然图面上没有示出，但可以根据情况利用带子或夹子安装电解质膜和燃料极，以及两侧隔离板和集电板。
权利要求
1.一种燃料电池的薄膜组件，包括电解质膜；中间隔着电解质膜，与燃料和空气接触产生水和电流的叠层形成的燃料极和空气极，其特征是在将燃料极和空气极各设置在电解质膜两侧面的状态下，利用至少一个以上的连结部件固定燃料极和空气极，使燃料极和空气极紧靠在电解质膜上。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的薄膜组件，其特征是在燃料极和空气极的外面上设置了有燃料通道和空气通道的隔离板，并利用连结部件拧紧两侧隔离板，以使燃料极和空气极紧贴在电解质膜上。
3.根据权利要求2所述的燃料电池的薄膜组件，其特征是在燃料极和空气极以及在与燃料极和空气极相接的隔离板之间夹入了密封垫。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池的薄膜组件，其特征是连结部件由贯穿电解质膜、燃料极、空气极或者贯穿电解质膜、燃料极、空气极、两侧隔离板的连结螺栓和在外面拧紧连结螺栓的连结螺母构成。
全文摘要
本发明公开了一种燃料电池的薄膜组件，包括电解质膜；中间隔着电解质膜，与燃料和空气接触产生水和电流的叠层形成的燃料极和空气极，在将燃料极和空气极各设置在电解质膜两侧面的状态下，利用至少一个以上的连结部件固定燃料极和空气极，使燃料极和空气极紧靠在电解质膜上。从而在制作大面积的薄膜组件时无需另准备加压装置，可以降低生产成本，也可以预防薄膜组件的弯曲，而且，在安装或启动时如一部分薄膜发生故障，可以只更换故障部位，减少维护费用。
文档编号H01M8/10GK1532977SQ03120860
公开日2004年9月29日 申请日期2003年3月25日 优先权日2003年3月25日
发明者赵太熙, 朴明硕, 黄龙俊, 高承兑, 许成根, 崔洪, 金铁焕, 李明浩 申请人:乐金电子(天津)电器有限公司