专利名称：反应区域独立的燃料电池的制作方法
技术领域：
本实用新型属于燃料电池技术领域，特别涉及燃料电池的反应区域。
背景技术：
燃料电池通常由多个电池单元构成，每个电池单元包括两个电极(双极板)，该两 个电极被电解质元件隔开，并且彼此串联地组装，形成燃料电池堆。通过给每个电极供给适 当的反应物，即给一个电极供给燃料而另一个供给氧化剂，实现电化学反应，从而在电极之 间形成电位差，并且因此产生电能。为提高满足较大功率输出的需要，通常采用增大每个电池单元的膜电极组件 (MEA)中反应区域(催化剂层)面积的方式实现。如图1所示，图1中质子交换模1的两面 (图1中只示出一侧的正面)均设有催化剂层2，反应物从通道4中进入双极板的流道，流 道中释放反应物在膜电极组件(MEA)的催化剂层2上发生电化学反应。与之前的技术相比，虽然目前双极板的流道设计已经有了相当的进步，但是随着 膜电极组件(MEA)中反应区域面积的增加，在电化学反应过程中，双极板上的流道不并能 保证其能够均勻地输送反应物。如图1所示的膜电极组件(MEA)中，针对整个电池设定的流 道区域，从进口到出口，或者说，在不同的局部区域内，气流分配是不均勻的。另外在这些总 体或局部的区域里，燃料和氧化剂的浓度也是不均勻的，在工作状态下，反应物的供给的波 动所产生的电瞬态效应，其电压V与纵向的同一个流道长度L的关系如图2所示。在长度 L为的同一个流道中，在流道两端可能产生较大的电压差ΔΥ ；同理，在膜电极组件(MEA)反 应区域的横向上也可能产生这种较大电压差的现象，并且在流道之间也可能存在因反应物 不均勻释放产生电压差的现象，导致每个电池单元内部产生较大的横向(Inplane)电流， 造成模电极的电化学腐蚀，这将极大地缩减燃料电池的使用寿命。并且反应物供给量大的 区域受限于反应物供给量小的区域，这种关联效应还会导致反应物供给量大的区域输出电 压被拉低，影响燃料电池的输出功率。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种反应区域独立的燃料电池，以解决现有燃料电池 的每个电池单元易产生横向电流导致燃料电池的腐蚀的技术问题。为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案一种反应区域独立的燃料电池，包括多个燃料电池单元，每个所述燃料电池单元 包括双极板和位于所述双极板之间的膜电极组件，所述膜电极组件包括质子交换模和位于 该质子交换模两侧的催化剂层，所述质子交换模两侧的催化剂层为对称的多个相互独立的 催化剂层。与现有的尽可能使反应物在整个反应区域分配均勻的设计理念不同的是，本实 用新型采用将整体电池分割成多个独立的反应区域，消除反应区域之间的关联性，分割并 减小了可能出现的电压差的幅度，减少了电化学腐蚀现象的发生，最大限度地发挥了自个 独立区域乃至整个燃料电池的效能。[0008]进一步地，对应于每个所述催化剂层的位置处设有一透气层。进一步地，所述双极板包括非电化学反应区域和多个电化学反应区域，所述电化 学反应区域与所述催化剂层的位置相对应，所述电化学反应区域和非电化学反应区域拼接 连接。 进一步地，所述非电化学反应区域的材料为非导电材料。进一步地，每个所述燃料电池单元的催化剂层的位置相同，同一催化剂层位置处 的质子交换模、催化剂层、透气层和双极板成一个燃料电池子单元，多个所述燃料电池单元 相同位置处的燃料电池子单元串联连接构成燃料电池子单元组，所述燃料电池子单元组之 间并联连接。进一步地，所述质子交换模的两侧横向对称设有多个相互分隔的催化剂层。进一步地，所述质子交换模的两侧纵向对称设有多个相互分隔的催化剂层。进一步地，同一个所述燃料电池单元内的所述催化剂层之间的间隙和透气层之间 的间隙处设有绝缘的填充物。进一步地，所述填充物与所述非电化学反应区域为一体结构。本实用新型将燃料电池的模电极组件中的催化剂层设计成多个独立的区域，并进 一步地将透气层、双板等等相应地分开设计，这样可以有效地避免分别在催化剂层、透气层 以及双极板上产生较大的横向电流，有效减轻了燃料电池的腐蚀，提高了燃料电池的寿命。 最大限度地发挥了自个独立区域乃至整个燃料电池的效能。
以下结合附图及实施例进一步说明本实用新型。
图1为现有燃料电池的膜电极组件的结构示意图；图2为现有燃料电池的膜电极组件在同一个流道长度L上的电压V关系图；图3为本实用新型燃料电池实施例中的膜电极组件的结构示意图；图4是本实用新型燃料电池实施例中的双极板的结构示意图；图5为本实用新型燃料电池实施例中在图3膜电极组件A-A处的剖视图；图6为本实用新型燃料电池实施例中的膜电极组件在同一个流道长度L上的电压 V关系图。
具体实施方式
如图5所示，一种反应区域独立的燃料电池，包括多个燃料电池单元，每个所述燃 料电池单元包括双极板10和位于所述双极板10之间的膜电极组件20，所述膜电极组件20 包括质子交换模22和位于该质子交换模两侧的催化剂层21，其中，所述质子交换模两侧的 催化剂层为对称的多个相互独立的催化剂层。即催化剂层21相互分开设计，与现有的催化 剂层2为一整张的设计相区别，避免在催化剂层21上产生较大的横向电流。与现有的尽可能使反应物在整个反应区域分配均勻的设计理念不同的是，本实用 新型采用将整体电池分割成多个独立的反应区域，消除了反应区域之间的关联性，分割并 减小了可能出现的电压差的幅度，从而减少了模电极电化学腐蚀现象的发生，最大限度地 发挥了自个独立区域乃至整个燃料电池的效能。[0026]其中，对应于每个所述催化剂层21的位置处设有一透气层24。即透气层24也采 用催化剂层21的这种分开设计的方式。这样同样可以避免在透气层24上产生较大的横向 电流。其中，所述双极板10包括非电化学反应区域12和多个电化学反应区域11，所述电 化学反应区域11与所述催化剂层21的位置相对应，所述电化学反应区域11和非电化学反 应区域12拼接连接。其中，所述非电化学反应区域12的材料为非导电材料。其中，如图5所示，每 个所述燃料电池单元的催化剂层21的位置相同，同一催化剂 层21位置处的质子交换模22、催化剂层21、透气层24和双极板10构成一个燃料电池子 单元，多个所述燃料电池单元相同位置处的燃料电池子单元串联连接构成燃料电池子单元 组，所述燃料电池子单元组之间并联连接。同一个燃料电池单元中各个燃料电池子单元相 互独立，各个子单元之间不会产生横向电流，因此可有效地提高燃料电池的使用寿命。这样，在同一个所述燃料电池单元上即使由于流道提供的反应物气流不均勻，而 产生瞬态效应，也不会产生较大的电压差。如图6所示，在膜电极组件20纵向的同一个流 道中，由于反应物气流分配的不均勻，而产生瞬态效应，其电压V与纵向的同一个流道长度 L的关系。在长度L为的同一个流道中，通过将催化剂层21设计成多个独立的区域，在流 场条件不变的情况下，其在流道两端可能产生电压差△ V只有现有模电极组件的几分之一 (具体数值取决于纵向同一流道上催化剂层21的个数)，这大大减小了流场中电压或电流 的变化幅度。由于反应区域的独立性，互不影响，使得各个反应区域能够最大限度地发挥了 其效能。同理，在反应区域21的横向上产生电压差也只有现有MEA的几分之一(具体数值 取决于横向同一流道上催化剂层21的个数)，这也大大减小了每个燃料电池单元内部产生 横向电流，并且将产生的微小横向电流限制在分的单个的燃料电池子单元内，避免了整个 燃料电池的腐蚀，极大地提高燃料电池的使用寿命。图3中，通道接口 14与对应双极板10 上的通道14(图4所示)连通。其中，所述催化剂层21的数量可以需求灵活设计，如从2个到200个，其排布方式 也可以有多种。较好的设计方式是尽可能均勻分布，在不影响性能的前提下，尽可能提高膜 电极组件的利用率。如，在所述质子交换模22的两侧横向对称设有多个相互分隔的催化剂 层21，和/或在所述质子交换模22的两侧纵向对称设有多个相互分隔的催化剂层21。本实施例中是以四个催化剂层21进行说明的，应当理解的是，该实施例并不构成 对本实用新型的限制。图5为组装成燃料电池在图3所示的模电极组件A-A处的剖视图。其中，所述同 一个燃料电池单元内的所述催化剂层21之间的间隙和透气层24之间的间隙处设有绝缘的 填充物120。该填充物120用于填充该部分空隙并使催化剂层21之间绝缘交流并且透气层 24之间绝缘。该填充物120也可以是所述双极板10的非电化学反应区域12的一部分，即 该填充物120与所述非电化学反应区域12为一体结构。这样可以简化燃料电池的加工和 组装。其中，所述双极板10的电化学反应区域1是指供给燃料和氧化剂发生反应的区 域，而非电化学反应区域12是指不发生电化学反应的区域。该非电化学反应区域12用于 支撑所述电化学反应区域11，承受外界的作用力。通过将双极板的电化学反应区域11和非电化学反应区域12分开设计，可有效降低设计难度。例如，所述电化学反应区域11的双极板材料可采用满足燃料电池双极板的材料制成，如采用碳板、金属板等。而所述非电化学 反应区域12的双极板材料可采用具有一定强度和耐热性能的廉价易于加工成型的材料制 成，组装时电化学反应区域1拼接连接在该非电化学反应区域12中即可。其中，所述非电化学反应区域12的材料为绝缘材料。例如ABS(由苯乙烯-丁二 烯-丙烯腈为基的三元共聚体)、PVC(聚氯乙烯材料)等材料。该非电化学反应区域12可 以一体结构，也可以是由多块拼接而成。现有燃料电池的双极板中反应区域和其周边的非 反应区域均为同一种导电材料，这使得反应产生的部分电流从其周边的非反应区域通过， 形成涡流，造成电流的梯度偏差，导致电流损耗现象的发生，这种有害的电流现象容易造成 燃料电池堆使用寿命的缩减。本实用新型通过将双极板的电化学反应区域11和非电化学 反应区域12分开设计，并采用绝缘材料制作所述非电化学反应区域12，这样可使电流均勻 地从电化学反应区域12中通过，避免了涡流的产生，提高了燃料电池的使用寿命。并且，由 于所述非电化学反应区域12为绝缘材料制成，这种连接方式可进一步避免横向电流的发 生。其中，所述电化学反应区域11位于中部，所述非电化学反应区域12位于所述电化 学反应区域11周边。其中，所述非电化学反应区域12设有的与所述电化学反应区域12的流道相通的 反应物输送通道14可采用现有双极板的多种相关技术实现，在此省略对该部分的详细描 述。其中，所述电化学反应区域1与所述非电化学反应区域2的拼接可采用多种方式 实现，如粘接、热压、挤压后拼接，或者将相拼接的部分设为一定形状，如台阶形，锯齿形、凹 槽、凸起以及通过环状密封条密封拼接等多种方式实现。以上所述的实施例仅用于说明本实用新型的技术思想及特点，其目的在于使本领 域内的技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本实用 新型的专利范围，即凡依本实用新型所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本实用 新型的专利范围内。
权利要求一种反应区域独立的燃料电池，包括多个燃料电池单元，每个所述燃料电池单元包括双极板和位于所述双极板之间的膜电极组件，所述膜电极组件包括质子交换模和位于该质子交换模两侧的催化剂层，其特征在于所述质子交换模两侧的催化剂层为对称的多个相互独立的催化剂层。
2.根据权利要求1所述的反应区域独立的燃料电池，其特征在于 对应于每个所述催化剂层的位置处设有一透气层。
3.根据权利要求2所述的反应区域独立的燃料电池，其特征在于所述双极板包括非电化学反应区域和多个电化学反应区域，所述电化学反应区域与所 述催化剂层的位置相对应，所述电化学反应区域和非电化学反应区域拼接连接。
4.根据权利要求3所述的反应区域独立的燃料电池，其特征在于 所述非电化学反应区域的材料为非导电材料。
5.根据权利要求4所述的反应区域独立的燃料电池，其特征在于每个所述燃料电池单元的催化剂层的位置相同，同一催化剂层位置处的质子交换模、 催化剂层、透气层和双极板成一个燃料电池子单元，多个所述燃料电池单元相同位置处的 燃料电池子单元串联连接构成燃料电池子单元组，所述燃料电池子单元组之间并联连接。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的反应区域独立的燃料电池，其特征在于所述质子交换模的两侧横向对称设有多个相互分隔的催化剂层。
7.根据权利要求6所述的反应区域独立的燃料电池，其特征在于 所述质子交换模的两侧纵向对称设有多个相互分隔的催化剂层。
8.根据权利要求5所述的反应区域独立的燃料电池，其特征在于同一个所述燃料电池单元内的所述催化剂层之间的间隙和透气层之间的间隙处设有 绝缘的填充物。
9.根据权利要求8所述的反应区域独立的燃料电池，其特征在于 所述填充物与所述非电化学反应区域为一体结构。
专利摘要反应区域独立的燃料电池，包括多个燃料电池单元，每个所述燃料电池单元包括双极板和位于所述双极板之间的膜电极组件，所述膜电极组件包括质子交换模和位于该质子交换模两侧的催化剂层，所述质子交换模两侧的催化剂层为对称多个相互独立的催化剂层。与现有的尽可能使反应物在整个反应区域分配均匀的设计理念不同的是，本实用新型采用将整体电池分割成多个独立的反应区域，消除反应区域之间的关联性，分割并减小了可能出现的电压差的幅度，减少了电化学腐蚀现象的发生，最大限度地发挥了自个独立区域乃至整个燃料电池的效能。
文档编号H01M4/90GK201741755SQ201020145589
公开日2011年2月9日 申请日期2010年3月30日 优先权日2010年3月30日
发明者高勇 申请人:上海恒劲动力科技有限公司