專利名稱：：一種適用于高溫操作的質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及燃料電池，具體地說是一種適用于高溫操作的質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)一即"膜電極雙極板組件(MembraneElectrodeBipolarplateAssemble,MEBA)，，。技術(shù)背景燃料電池是一種等溫的按電化學(xué)方式直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。它不經(jīng)過熱機過程，因此不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)化效率高，環(huán)境友好。由于以上這些突出的優(yōu)點，近些年來燃料電池技術(shù)的研究和開發(fā)倍受各國政府和大公司的重視，被認為是21世紀首選的潔凈高效的發(fā)電方式。其中高溫質(zhì)子交換膜燃料電池，近來來引起了國際上的普遍關(guān)注。所謂高溫質(zhì)子交換膜燃料電池是指操作溫度高于IO(TC的燃料電池(常規(guī)的質(zhì)子交換膜燃料電池通常操作溫度《8(TC)。在該種條件下的電池有如下優(yōu)點1)電化動力學(xué)反應(yīng)速率提高，有利于電性能的提高；2)提高了燃料電池廢熱品質(zhì)，有利于廢熱的有效利用，提高系統(tǒng)效率；降低了冷卻系統(tǒng)的重量與體積，提高了系統(tǒng)的重量與體積比功率密度；3)水處于汽態(tài),減少了兩相流引起的傳質(zhì)極化；流場設(shè)計也可以得到大幅度的簡化，減少為了保證對水的吹掃高氣速引起的阻力降增加。4)有利于CO在陽極的氧化與脫附，提高抗CO能力；從而可以簡化重整系統(tǒng)的凈化部分。5)高溫操作狀態(tài)下，水含量少，因此可以減少由于低溫冷凍狀態(tài)下水的冰凍引起的電池性能衰減，有利于低溫啟動。而常規(guī)的系統(tǒng)低溫停車時為了消除水的影響，需要吹掃，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，且在膜中的液態(tài)水也會有部分殘存。目前，高溫膜的研究引起了國際上普遍重視，但是，適用于高溫操作的質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)還是個空白，由于高溫燃料電池中流體的形態(tài)和熱質(zhì)傳遞的特性均區(qū)別于常規(guī)的燃料電池，所以有必要建立新的燃料電池結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的需要。
發(fā)明內(nèi)容在試驗與理論分析的基礎(chǔ)上，通過工程計算與設(shè)計，本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、厚度小的適用于高溫操作的質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種適用于高溫操作的質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)一即"膜電極雙極板組件(MembraneElectrodeBipolarplateAssemble,MEBA)"。，由燃料流場、CCM(陽極電極、質(zhì)子交換膜、陰極電極)、氧化劑流場，及其兩側(cè)設(shè)置的薄金屬分隔板構(gòu)成，在薄金屬分隔板內(nèi)側(cè)附著有多孔導(dǎo)電材料層，多孔導(dǎo)電材料層即為流場、又兼作擴散層。該結(jié)構(gòu)利用流場兼作擴散層，釆用多孔導(dǎo)電材料如炭氈、不銹鋼纖維私、泡沬鈥、金屬細絲網(wǎng)等或特殊設(shè)計的多孔微通道等結(jié)構(gòu)，與CCM和薄金屬分隔板組合建立膜電極雙極板組件(MEBA),它與冷卻腔組成了一個單節(jié)電池。本i明采用這種結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點1)本發(fā)明所述的結(jié)構(gòu)可以使燃料電池結(jié)構(gòu)簡化，體積大幅度減少。新結(jié)構(gòu)把流場與擴散層功能結(jié)合為一體，結(jié)構(gòu)相對簡單，此外厚度也可以減少。2)提高傳質(zhì)速率，增加電化學(xué)反應(yīng)效率。傳統(tǒng)的質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)電過程是伴隨著多尺度多介質(zhì)中的兩相流熱質(zhì)傳遞過程。由于高溫質(zhì)子交換膜燃料電池流體的特點是單相氣態(tài)流，比傳統(tǒng)的質(zhì)子交換膜氣液兩相流在物性上有很大的區(qū)別，如密度、粘度、擴散系數(shù)等，因此決定了阻力特性與傳遞機理的不同，單相流不必擔(dān)心液態(tài)水引起的電極水淹問題，更易于水管理，另外在同等條件下阻力降也小于兩相流。本發(fā)明設(shè)計"膜電極雙極板組件(MEBA)"(MembraneElectrodeBipolarplateAssemble)結(jié)構(gòu)(如圖1)用于高溫質(zhì)子交換膜燃料電池，與常規(guī)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)"MEA+雙極板"(如圖2)不同的是，該結(jié)構(gòu)利用流場兼作擴散層，采用多孔導(dǎo)電材料如炭氈、不銹鋼纖維氈、泡沬鈦、金屬細絲網(wǎng)等或特殊設(shè)計的多孔微通道等結(jié)構(gòu)，與CCM和薄金屬分隔板組合建立膜電極雙極板組件(MEBA),其結(jié)構(gòu)如圖la所示，它與冷卻腔組成了一個單節(jié)電池，如圖lb所示。3)降低雙極板加工成本。4)本發(fā)明所述的MEBA新結(jié)構(gòu)由于雙極板與膜電極組件為一整體單元，提高了電池組的集成度，便于批量化生產(chǎn)。圖1為本發(fā)明所述的適用于高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的"膜電極雙極板組件一MEBA"結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為常規(guī)質(zhì)子交換膜燃料電池的"膜電極組件--MEA+雙極板"結(jié)構(gòu)示意圖。具體實施方式為更好的理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖進一步描述本發(fā)明所述的膜電極雙極板組件的結(jié)構(gòu)。如圖l所示采用炭氈、不銹鋼纖維氈、泡沬鈦、金屬細絲網(wǎng)等或特殊設(shè)計的多孔微通道等結(jié)構(gòu)作為流場兼作擴散層(燃料流場2'，氧化劑流場6'),附在薄金屬分隔板上(薄金屬分隔板1，)，與帶有電極(陽極電極3，陰極電極5)的質(zhì)子交換膜4構(gòu)成了膜電極雙極板組件。它與冷卻腔8組成了一個單節(jié)電池。由于簡化Z結(jié)構(gòu)，使得厚度大幅度減少。本發(fā)明新結(jié)構(gòu)與常規(guī)結(jié)構(gòu)的比較如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>權(quán)利要求1.一種適用于高溫操作的質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)，其特征在于由燃料流場、CCM、氧化劑流場，及其兩側(cè)設(shè)置的薄金屬分隔板構(gòu)成，在薄金屬分隔板內(nèi)側(cè)附著有多孔導(dǎo)電材料層，多孔導(dǎo)電材料層即為流場、又兼作擴散層。2.按照權(quán)利要求l所述的質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)，其特征在于所述多孔導(dǎo)電材料為炭氈、不銹鋼纖維氈、泡沬鈦或金屬細絲網(wǎng)、或多孔微通道材料。全文摘要本發(fā)明涉及燃料電池，具體地說是一種適用于高溫操作的質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)，由燃料流場、CCM、氧化劑流場，及其兩側(cè)設(shè)置的薄金屬分隔板構(gòu)成，在薄金屬分隔板內(nèi)側(cè)附著有多孔導(dǎo)電材料層，多孔導(dǎo)電材料層既為流場、又兼作擴散層。本發(fā)明所述的結(jié)構(gòu)可以使燃料電池結(jié)構(gòu)簡化，體積大幅度減少。文檔編號H01M8/02GK101212057SQ20061013511公開日2008年7月2日申請日期2006年12月27日優(yōu)先權(quán)日2006年12月27日發(fā)明者明侯,姜玉玉,孫立言,明平文,林業(yè)發(fā),燕希強,衣寶廉申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所