专利名称：质子交换膜燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池。
燃料电池是一种将燃料的化学能直接转换成电能的发电装置。燃料电池，尤其是质子交换膜燃料电池除了在发电时无污染、噪音低外，还具有无腐蚀、启动快、制备容易、维修简单、功率密度大、发电效率高、使用寿命长等许多优点，因此在交通工具、发电设备、军事、潜艇、航天和航空等各个邻域中均有着广阔的应用前景。
质子交换膜燃料电池主要由多个基本电池单元构成。质子交换膜燃料电池的基本电池单元是由两块气体导流板和一片膜电极集合体组成。膜电极集合体被夹在两块气体导流板的中间。气体导流板由电化学活性部分和电化学非活性部分组成。与气体导流板的电化学活性部分和电化学非活性部分相对应，膜电极集合体同样由电化学活性部分和电化学非活性部分组成。电化学活性部分是燃料电池的心脏，是燃料电池进行氧化还原发电的核心；而电化学非活性部分只是起着支撑电化学活性部分，并给燃料电池所用的气体及冷却水提供通道的作用。围绕气体导流板上的电化学活性部分和电化学非活性部分分别设有气体密封圈。膜电极集合体的电化学活性部分是用质子交换膜、催化剂和碳纸(或碳布)热压在一起形成的，其电化学非活性部分则是裸露的质子交换膜。这种传统的质子交换膜燃料电池结构有着如下几方面的缺点1)质子交换膜遇水时会膨胀，失水时会收缩。因此，在燃料电池发电的过程中，膜电极集合体的电化学非活性部分的质子交换膜以及在质子交换膜上预先打好的、用于给气体和水作为通道使用的气孔的尺寸均会因为水含量的不同而改变。这些变化均会给燃料电池所需的严格密封带来很大的影响。
2)处于膜电极集合体的电化学非活性部分的质子交换膜，不仅柔软、多皱，在与碳纸的连接处容易撕裂，而且在保存时，必须放置在无离子水中或盛有无离子水的容器中，以便在燃料电池组装时膜电极集合体的电化学非活性部分可以服贴地被放置在两块气体导流板的中间。这都给质子交换膜燃料电池的工业化、规模化生产带来很大的不便。
3)质子交换膜是造成质子交换膜燃料电池价格昂贵的原因之一。在膜电极集合体的电化学非活性部分采用较多质子交换膜实际上是一种浪费。
基于以上种种原因，试图改进传统的质子交换膜燃料电池结构是推动燃料电池商业化的重要工作之一。美国专利No.5,176,966公开了一种质子交换膜燃料电池结构，对传统的质子交换膜燃料电池结构进行了改进。在这种质子交换膜燃料电池中，膜电极集合体的电化学非活性部分的质子交换膜也和碳纸压制在一起，从而使得膜电极集合体的整个表面(包括其电化学活性部分以及电化学非活性部分)都被碳纸所覆盖。此种质子交换膜燃料电池的优点是膜电极集合体的电化学非活性部分的质子交换膜由于有了碳纸的支撑而具有一定的刚性，因而有利于膜电极集合体的成批生产组装及保存。另外，由于膜电极集合体的电化学非活性部分的质子交换膜已被碳纸固定，其尺寸已不再因为膜中水含量的不同而改变，因而保证了燃料电池的严格密封。此结构的最大缺点是增加了碳纸的用量，因而使燃料电池的基本成本费用增加。
美国专利No.5,464,700公开了另一种质子交换膜燃料电池。在这种质子交换膜燃料电池中，膜电极集合体的电化学非活性部分的质子交换膜被普通的薄橡胶片所代替。此种结构的优点是减少了质子交换膜的用量，从而降低了燃料电池的成本。另外，由于橡胶是很好的密封材料，因此燃料电池的密封性也得到了进一步的改善。然而，此结构的缺点在于，由于橡胶片是嵌在碳纸电极与质子交换膜之间，影响了膜电极集合体中的催化剂与质子交换膜的接触，从而使得膜电极集合体的发电性能下降。
美国专利No.5,514,487公开的质子交换膜燃料电池采用的结构是将气体导流板上的电化学非活性部分用耐热的工程塑料所替代。此结构的优点是节省了昂贵的石墨板材料，并且燃料电池的密封性能也得到了一定程度的改善。然而，此结构需将工程塑料板压制在气体导流板上，该项工艺技术复杂、难度大，使得燃料电池的制作费用增加，没有达到降低燃料电池成本的目的。
本发明的目的是提供一种质子交换膜燃料电池，其能在不降低其发电性能的前提下显著减少质子交换膜的用量，从而降低该燃料电池的成本，并且其密封性能和组装工艺能得到明显改善。
为此，本发明提供一种质子交换膜燃料电池，其包括至少一个基本电池单元，所述基本电池单元由两个平行的气体导流板和夹在其间的膜电极集合体层叠而成。膜电极集合体和气体导流板均由电化学活性部分和电化学非活性部分组成，其中膜电极集合体的电化学活性部分与气体导流板的电化学活性部分相对，且大小相等、形状相同。在气体导流板上围绕其电化学活性部分设有第一气体密封圈；在第一气体密封圈的相对的两侧，围绕气体导流板的电化学非活性部分设有两个第二气体密封圈。膜电极集合体的电化学活性部分由质子交换膜、催化剂和碳纸热压在一起形成。膜电极集合体的电化学非活性部分由其电化学活性部分的质子交换膜向周边扩展形成，其形状和尺寸与第一气体密封圈相同。第一气体密封圈的高度与质子交换膜的厚度的一半之和与第二气体密封圈的高度相等。
气体导流板上的电化学非活性部分，必要时可喷有绝缘、耐热的高分子材料以达到完全绝缘的目的。
由于在本发明的质子交换膜燃料电池中，膜电极集合体的电化学非活性部分仅仅由一条宽度与第一气体密封圈宽度基本相等(约8毫米)的质子交换膜组成，因此既克服了因膜电极集合体的电化学非活性部分的质子交换膜所造成的密封和保存困难的缺点，使其密封性能和组装工艺得到明显改善，又在不降低其发电性能的前提下减少质子交换膜的用量，从而显著降低了质子交换膜燃料电池的基本成本。
下面参照附图详细介绍本发明的实施例。
图1表示本发明的质子交换膜燃料电池所用的基本电池单元在移去一块气体导流板后的剖面图；图2表示本发明质子交换膜燃料电池中的膜电极集合体的俯视图；图3表示本发明的质子交换膜燃料电池中的气体导流板的俯视图；通常，质子交换膜燃料电池包括多个基本电池单元，每一个基本电池单元由一片膜电极集合体和两块气体导流板组成。膜电极集合体被夹在两块气体导流板之间。在这种情况下，采用的是单面气体导流板，即只有在气体导流板面向膜电极集合体的一面上设有气体导流槽，而另一面与另一个基本电池单元接合。当然，如果采用两面均设有气体导流槽的气体导流板，也可以实现同样的质子交换膜燃料电池。下面的描述基于采用单面气体导流板的基本电池单元来进行。
根据本发明的质子交换膜燃料电池采用的基本电池单元包括两个单面气体导流板及夹在其间的一个膜电极集合体。图1示出了该基本电池单元在移去其中一个气体导流板后的剖面图，其中虚线部分表示的是移去的气体导流板及其上设置的气体密封圈。如图1所示，该基本电池单元包括气体导流板3、膜电极集合体4和另一个气体导流板。在气体导流板3上还有围绕其电化学活性部分设置的第一气体密封圈1和位于第一气体密封圈1两侧并围绕其电化学非活性部分设置的两个第二气体密封圈2。膜电极集合体4由两片涂有催化剂的碳纸42和夹在其间的质子交换膜41组成。
图2示出了膜电极集合体的电化学活性部分与电化学非活性部分的关系。可以看出，由涂有催化剂的碳纸42和质子交换膜41叠置形成的区域为膜电极集合体4的电化学活性部分，而质子交换膜41上未被涂有催化剂的碳纸42所覆盖的区域为膜电极集合体4的电化学非活性部分。气体导流板3上与膜电极集合体4的电化学活性部分相对的区域为气体导流板3的电化学活性部分，而与其电化学活性部分相对的两侧边相邻的区域是该气体导流板的电化学非活性部分。
图3示出了本发明的质子交换膜燃料电池中的气体导流板3的俯视图。从图1和图3可清楚地看出，在气体导流板3上围绕其电化学活性部分设有第一气体密封圈1。膜电极集合体4的电化学非活性部分的质子交换膜的宽度与第一气体密封圈1的宽度相当。这样，第一气体密封圈1的外侧可与膜电极集合体4的质子交换膜41的外周边齐平。围绕气体导流板3上的两个电化学非活性部分分别设置一个与第一气体密封圈1的外周边相邻的第二气体密封圈2，其高度等于第一气体密封圈1的高度与质子交换膜41的厚度的一半之和。
这样，膜电极集合体4的电化学非活性部分仅由与第一气体密封圈1的宽度相当的质子交换膜组成，用于气体的密封。
在使用弹性较好的气体密封圈(如硅橡胶)，而质子交换膜燃料电池的基本电池单元又比较少、或者所用的质子交换膜比较薄时，质子交换膜的厚度可以忽略不计。此时，第一气体密封圈和第二气体密封圈可采用同样的高度，而膜电极集合体仍采用本发明所述的结构也可以达到相同的效果。
气体导流板3可由石墨碳板制成，也可以由耐腐蚀的金属板制成。必要时可以在气体导流板的电化学非活性部分喷涂绝缘、耐热的高分子材料，以达到完全绝缘的目的。
权利要求
1.一种质子交换膜燃料电池，其包括至少一个基本电池单元，所述基本电池单元由两个平行的气体导流板(3)和夹在其间的膜电极集合体(4)层叠而成；所述膜电极集合体(4)和所述气体导流板(3)均由电化学活性部分和电化学非活性部分组成，其中所述膜电极集合体(4)的电化学活性部分与所述气体导流板(3)的电化学活性部分相对，且大小相等、形状相同，在所述气体导流板(3)上围绕其电化学活性部分设有第一气体密封圈(1)；在所述第一气体密封圈(1)的相对的两侧，围绕所述气体导流板(3)的电化学非活性部分设有两个第二气体密封圈(2)，所述膜电极集合体(4)的电化学活性部分由质子交换膜(41)、催化剂和碳纸(42)热压在一起形成，其特征在于，所述膜电极集合体(4)的电化学非活性部分由其电化学活性部分的质子交换膜向周边扩展形成，其形状和尺寸与所述第一气体密封圈(1)相同。
2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述第一气体密封圈(1)的高度与所述质子交换膜(41)的厚度的一半之和与所述第二气体密封圈(2)的高度相等。
3.如权利要求1或2所述的质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述气体导流板(3)由石墨碳板制成。
4.如权利要求1或2所述的质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述气体导流板(3)由耐腐蚀的金属板制成。
全文摘要
一种质子交换膜燃料电池,其包括至少一个由两块气体导流板和夹在其间的膜电极集合体层叠而成的基本电池单元。膜电极集合体的电化学非活性部分仅保留一条其宽度与气体导流板上的第一气体密封圈密度相当的质子交换膜。气体导流板上的气体密封圈可以由两种不同厚度的气体密封圈组成。此结构不仅改善了质子交换膜燃料电池的密封性能和组装工艺,同时还显著减少了质子交换膜的用量,从而降低了质子交换膜燃料电池的基本成本。
文档编号H01M8/10GK1270423SQ99104990
公开日2000年10月18日 申请日期1999年4月13日 优先权日1999年4月13日
发明者魏金柱 申请人:钟家轮, 魏金柱