專利名稱：一種具有均勻緊固壓力的燃料電池堆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及燃料電池，尤其涉及一種具有均勻緊固壓力的燃料電池堆。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)淙剂霞把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導(dǎo)電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細(xì)小分散的引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)過程中生成的電子，通過外電路引出，構(gòu)成電流回路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質(zhì)子交換膜，到達(dá)膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負(fù)離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質(zhì)子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負(fù)離子，并與陽極區(qū)遷移過來的氫正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達(dá)陽極反應(yīng)陰極反應(yīng)在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導(dǎo)電的極板中間，每塊導(dǎo)流電極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機械銑刻，形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)流電極板可以是金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導(dǎo)流電極板上的導(dǎo)流孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導(dǎo)流極板與陰極氧化劑的導(dǎo)流極板。這些導(dǎo)流極板既作為電流集流母板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導(dǎo)流極板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進(jìn)入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通?？赏ㄟ^直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進(jìn)出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池組后進(jìn)行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進(jìn)出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
質(zhì)子交換膜燃料電池既可以用作車、船等運載工具的動力系統(tǒng)，又可以用作移動式或固定式發(fā)電站。
質(zhì)子交換膜燃料電池一般由若干個單電池通過串聯(lián)或并聯(lián)方式組裝一起成為燃料電池堆。
如圖1是現(xiàn)有燃料電池單電池中的導(dǎo)流極板，它包括空氣進(jìn)氣口1a，進(jìn)水口2a，氫氣進(jìn)氣口3a，流道4a，空氣出氣口5a，出水口6a，氫氣出氣口7a；如圖2是現(xiàn)有燃料電池單電池中的三合一膜電極，它包括空氣進(jìn)氣口1a，進(jìn)水口2a，氫氣進(jìn)氣口3a，電極活性區(qū)域8a，空氣出氣口5a，出水口6a，氫氣出氣口7a；如圖3是現(xiàn)有的燃料電池堆，它包括燃料電池堆9a、集流母板10a、端板11a、金屬拉桿12a、螺帽13a。
現(xiàn)有燃料電池堆一般由若干個單電池(單電池由導(dǎo)流極板、三合一膜電極構(gòu)成)，集流母板、前、后端板組裝而成，前、后端板上有許多條拉桿，一般用緊固件使拉桿將前、后端板壓緊成為一個燃料電池堆；緊固件拉桿加螺絲的方法是通常的緊固方法。
燃料電池堆必須用緊固件將前后端板充分壓緊，但又必須均勻地壓緊到某一合適的壓力范圍內(nèi)，確保燃料電池堆安全、高效運行。
目前這種通常的用拉桿加緊固件的緊固方法有以下技術(shù)缺陷(1)對燃料電池堆拉桿緊固裝配要求特別高，必須達(dá)到整個燃料電池堆的前、后端板上每個區(qū)域受到基本一致及相同的緊固力，這種要求是非常困難的，實際操作往往會使整個燃料電池堆的前、后端板上某個區(qū)域受到的緊固力較小，而某個區(qū)域受到的緊固力較大，而導(dǎo)致燃料電池極板上的某些區(qū)域受到壓緊力不夠，導(dǎo)致電極與導(dǎo)流極板接觸電阻太大，而某些區(qū)域受到壓緊力太大，導(dǎo)致極板變形或碎裂，或?qū)е码姌O受傷。
(2)這種燃料電池堆靠拉桿緊固裝配在燃料電池受熱膨脹或冷縮時，燃料電池堆的前后端板上受到的壓力大不一樣，嚴(yán)重時會導(dǎo)致極板或電極受傷。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種具有均勻緊固壓力的燃料電池堆。
本實用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種具有均勻緊固壓力的燃料電池堆，包括至少一組由導(dǎo)流極板與質(zhì)子交換膜電極構(gòu)成的單電池，前、后集流母板，前、后端板，所述的前、后集流母板夾設(shè)于至少一組單電池的兩端，所述的前、后端板夾設(shè)于前、后集流母板的兩外側(cè)，所述的前、后端板上穿設(shè)有至少兩條拉桿，該拉桿兩端設(shè)有緊固螺帽，通過調(diào)節(jié)該緊固螺帽，將前、后端板壓緊，從而將燃料電池堆緊固；其特征在于，還包括一氣墊囊，該氣墊囊夾設(shè)于集流母板與端板之間。
所述的氣墊囊的側(cè)部設(shè)有一充氣嘴。
所述的氣墊囊可夾設(shè)于前集流母板與前端板之間，或者夾設(shè)于后集流母板與后端板之間。
所述的拉桿為四條拉桿，該四條拉桿分別穿設(shè)于前、后端板的四角。
所述的拉桿為兩條拉桿，該兩條拉桿分別穿設(shè)于前、后端板的左、右邊中間或上、下邊中間。
所述的緊固螺帽與端板之間設(shè)有墊圈。
本實用新型由于采用了以上技術(shù)方案，即在燃料電池堆的集流母板與端板之間設(shè)置了一氣墊囊，因此可以使燃料電池堆前、后端板及每個電極極板的每個區(qū)域承受均勻的緊固壓力，并且可以根據(jù)需要或電池堆運行情況隨時調(diào)節(jié)緊固壓力。


圖1為現(xiàn)有燃料電池堆導(dǎo)流極板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有燃料電池堆三合一膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為現(xiàn)有燃料電池堆的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本實用新型氣墊囊的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖，對本實用新型作進(jìn)一步說明。
如圖4所示，一種具有均勻緊固壓力的燃料電池堆，包括多組由導(dǎo)流極板與質(zhì)子交換膜電極構(gòu)成的單電池1，前、后集流母板2，氣墊囊3，前、后端板4；所述的前、后集流母板2夾設(shè)于多組單電池1的兩端；所述的氣墊囊3概呈燃料電池堆1的導(dǎo)流極板和端板4的形狀(本實施例為接近正方形)，該氣墊囊3夾設(shè)于后集流母板2與后端板4之間，它的側(cè)部設(shè)有一充氣嘴31(如圖5所示)，通過調(diào)節(jié)該充氣嘴31，可控制氣墊囊3中的氣量大小；所述的前、后端板4分別夾設(shè)于前集流母板2以及氣墊囊3的外側(cè)；所述的前、后端板4的四角穿設(shè)有四條拉桿5(也可以設(shè)置兩條拉桿，該兩條拉桿分別穿設(shè)于前、后端板的左、右邊中間或上、下邊中間，以確保壓力平衡)，該拉桿5兩端設(shè)有緊固螺帽6，該緊固螺帽6與端板4之間設(shè)有墊圈7，通過調(diào)節(jié)該緊固螺帽6，將前、后端板4壓緊，從而將燃料電池堆1緊固。
實用新型設(shè)計的氣墊囊原理上與自行車輪胎里的內(nèi)胎相似，但形狀上呈長方體形或正方形(見圖5)，其厚度大約在0.5～2厘米左右，面積形狀大小與燃料電池極板大小差不多，或稍大一點；將這個氣墊囊放在燃料電池后端板(不進(jìn)出燃料電池流體的端板)前面，先將燃料電池堆用通常的拉桿加螺絲緊固件方法將燃料電池堆緊固到較松狀態(tài)；然后，將高壓空氣或其他氣體，如氮氣用打氣筒等充入氣袋中，使之膨脹，將燃料電池堆壓緊，其膨脹程度，主要取決于充氣的壓力，充氣壓力一般控制在2～5個大氣壓之間，并且膨脹程度應(yīng)使燃料電池堆緊縮0.5～2公分之間。
采用這種充氣氣墊囊再加上通常的拉桿及普通緊固件方法，燃料電池堆平常(在不運行狀態(tài)下)可以將氣袋中氣體壓力調(diào)節(jié)低一點，在運行狀態(tài)下，又可調(diào)節(jié)氣袋壓力高一點，使燃料電池堆承受高一點的壓力。
由于氣墊囊的材料一般由柔性的橡膠、塑料等制成，內(nèi)部氣體變形自如，使整個燃料電池堆每個極板及電極，包括前、后端板都處于均勻壓力下，不會出現(xiàn)某個區(qū)域承受壓力過大或過小的問題。本實用新型的方案使燃料電池堆的裝配簡便易行，并使燃料電池堆始終處于承受較安全、均勻的壓力狀態(tài)。
權(quán)利要求1.一種具有均勻緊固壓力的燃料電池堆，包括至少一組由導(dǎo)流極板與質(zhì)子交換膜電極構(gòu)成的單電池，前、后集流母板，前、后端板，所述的前、后集流母板夾設(shè)于至少一組單電池的兩端，所述的前、后端板夾設(shè)于前、后集流母板的兩外側(cè)，所述的前、后端板上穿設(shè)有至少兩條拉桿，該拉桿兩端設(shè)有緊固螺帽，通過調(diào)節(jié)該緊固螺帽，將前、后端板壓緊，從而將燃料電池堆緊固；其特征在于，還包括一氣墊囊，該氣墊囊夾設(shè)于集流母板與端板之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有均勻緊固壓力的燃料電池堆，其特征在于，所述的氣墊囊的側(cè)部設(shè)有一充氣嘴。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有均勻緊固壓力的燃料電池堆，其特征在于，所述的氣墊囊可夾設(shè)于前集流母板與前端板之間，或者夾設(shè)于后集流母板與后端板之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有均勻緊固壓力的燃料電池堆，其特征在于，所述的拉桿為四條拉桿，該四條拉桿分別穿設(shè)于前、后端板的四角。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有均勻緊固壓力的燃料電池堆，其特征在于，所述的拉桿為兩條拉桿，該兩條拉桿分別穿設(shè)于前、后端板的左、右邊中間或上、下邊中間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有均勻緊固壓力的燃料電池堆，其特征在于，所述的緊固螺帽與端板之間設(shè)有墊圈。
專利摘要本實用新型涉及一種具有均勻緊固壓力的燃料電池堆，包括至少一組由導(dǎo)流極板與質(zhì)子交換膜電極構(gòu)成的單電池，前、后集流母板，一氣墊囊以及前、后端板，所述的前、后集流母板夾設(shè)于至少一組單電池兩端，所述的氣墊囊夾設(shè)于集流母板與端板之間，所述的前、后端板分別夾設(shè)于前集流母板及氣墊囊外側(cè)，所述的前、后端板上穿設(shè)有至少兩條拉桿，該拉桿兩端設(shè)有緊固螺帽，通過調(diào)節(jié)該緊固螺帽，將前、后端板壓緊，從而將燃料電池堆緊固；與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便，并使燃料電池堆始終處于承受較安全、均勻的壓力狀態(tài)。
文檔編號H01M8/00GK2554805SQ0226590
公開日2003年6月4日 申請日期2002年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月31日
發(fā)明者胡里清, 葛栩栩 申請人:上海神力科技有限公司