一種高功率密度pemfc電堆的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種高功率密度PEMFC (質(zhì)子交換膜燃料電池)電堆。
【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)子交換膜燃料電池是將氫氣的化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其優(yōu)點是產(chǎn)物是水，零排放無污染，噪音低，轉(zhuǎn)化效率高。工作溫度可在低溫環(huán)境下運行，是移動電源和基站電源和固定電源的首選。傳統(tǒng)的燃料電池，是由膜電極、雙極板、集電板、端板和緊固件組成。由于聚合物膜燃料電池單片電壓低，在實際應(yīng)用中，是由多個電池單元疊加在一起進行串聯(lián)起來，形成電堆。
[0003]輕質(zhì)化和結(jié)構(gòu)緊湊化是燃料電池未來發(fā)展的重點之一，目前的燃料電池由于體積、重量等原因，只能在一些特定場所適用，極大的制約了燃料電池的推廣應(yīng)用，如何減輕燃料電池電堆的重量，提高燃料電池體積能量密度，將燃料電池應(yīng)用范圍更廣泛，成為目前急需解決的重要問題。
[0004]雙極板是燃料電池部件中最重的構(gòu)件，主要起支撐和分配氣體的作用。傳統(tǒng)的雙極板基本上是石墨雙極板或金屬雙極板，重量占電堆重量一半以上，體積占燃料電池體積的30%—70%左右，使得燃料電池重量與體積偏大，限制燃料電池應(yīng)用范圍與領(lǐng)域，在當今對燃料電池的體積密度和重量密度要求接近苛求的條件下，越來越制約燃料電池的商業(yè)化腳步。因此，燃料電池電堆輕質(zhì)化和緊湊化的問題重點便在于對燃料電池傳統(tǒng)雙極板結(jié)構(gòu)的改造。
[0005]目前市場上的燃料電池中，還很少見不使用雙極板直接組裝電堆的，即使有，也是出于一定的目的使用其它裝置來代替雙極板，比如公開號為CN 102422469 A的一件發(fā)明專利申請，便公開了一種未設(shè)置雙極板的電堆，具有固體聚合物電解質(zhì)膜和夾持所述聚合物電解質(zhì)膜的一對催化劑層。固體聚合物電解質(zhì)膜和催化劑層的層壓體由一對氣體擴散層進一步夾持。相鄰的催化劑層和氣體擴散層構(gòu)成氣體擴散電極。固體聚合物電解質(zhì)膜和一對氣體擴散電極進一步以層壓狀態(tài)構(gòu)成膜電極組件(MEA)。MEA進一步由一對隔離膜夾持。該隔離膜通過以下方式來獲得:將沖壓成型工藝應(yīng)用在厚度0.5mm以下的薄板上，成型為凹凸形狀。從MEA側(cè)觀察到的隔離膜的凸部與MEA接觸。從MEA側(cè)觀察到的隔離膜的凹部用作在燃料電池運行期間氣體通過用氣體通路。該公開文件中，包括電解質(zhì)膜層、催化劑層、氣體擴散層和最外側(cè)的隔離膜，其中雖然未設(shè)置雙極板，然而隔離膜不論從形狀上還是功能上與雙極板所起的作用都是一致的，相比雙極板減輕了一些重量，但仍占據(jù)一定的重量與體積，并不能從根本上解決問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:基于目前的燃料電池雙極板的狀況和市場對燃料電池的能量密度要求，本發(fā)明提供一種高功率密度PEMFC電堆的結(jié)構(gòu)，減輕電堆的重量與體積，提高電堆的能量密度，拓寬電堆的應(yīng)用領(lǐng)域，為電堆的商業(yè)化奠定了堅實的基礎(chǔ)。
[0007]技術(shù)方案:本發(fā)明所述高功率密度PEMFC電堆，包括兩側(cè)的端板，固定在所述端板內(nèi)側(cè)的集電板，和重復堆疊在兩側(cè)集電板之間的若干片單元電池，其特征在于，每片所述單元電池均包括三合一膜電極和分布在所述三合一膜電極兩側(cè)的質(zhì)子交換膜燃料電池專用極板，該專用極板的表面一面為平板面，另一面根據(jù)設(shè)計的流場壓制有氣體流場，其中，平板表面涂覆導電緩沖層后貼合在所述三合一膜電極上，流場表面緊密貼合在導電連接件上，所述導電連接件由金屬材料或非金屬材料制成，外部表面設(shè)置有導電鍍層，傳導電流，內(nèi)部具有冷卻液流場，冷卻電堆；
所述質(zhì)子交換膜燃料電池專用極板由如下組分制備而成:
碳纖維短纖40~60份；
樹脂4~18份；
碳粉或石墨粉10~40份；
造孔劑0.5-1.5份；
增強劑DH-41.5-2.5份，
各組分以重量份計。
[0008]在本發(fā)明中，質(zhì)子交換膜燃料電池專用極板不僅起到將氣體擴散到三合一膜電極進行反應(yīng)的作用，還在表面壓制有流場，無需設(shè)置雙極板，即可對氣體進行均勻分布，集合傳統(tǒng)燃料電池中的氣體擴散層和雙極板為一體，大幅度減輕電堆的重量。而為了防止氫氣與氧氣在電堆里面泄漏與混合，又在兩片單元電池之間設(shè)置了具有密封、冷卻和導電性能的導電連接件。
[0009]本發(fā)明進一步優(yōu)選地技術(shù)方案為，所述三合一膜電極兩側(cè)的質(zhì)子交換膜燃料電池專用極板分別為陽極專用極板和陰極專用極板，所述陽極專用極板表面的流場深度為
0.3~1 mm，所述陰極專用極板表面的流場深度為0.5~2 mm。
[0010]進一步地，所述陽極專用極板和陰極專用極板的平板表面對稱疊放在三合一膜電極兩側(cè)。
[0011]進一步地，所述質(zhì)子交換膜燃料電池專用極板的制備方法為:
(1)混料:將碳纖維短纖與樹脂混合，并攪拌均勻后，再加入碳粉或石墨粉、造孔劑、增強劑DH-4，繼續(xù)攪拌；
(2)壓制:根據(jù)設(shè)計的流場形狀與尺寸，將步驟(1)處理后混合物放入模具內(nèi)壓制成一面為平板面，另一面具有流場結(jié)構(gòu)的極板，該極板厚度為0.6-3 mm,孔隙率為50%~80%，孔徑為 0.1 μ m~3 μ m ；
(3)石墨化:將壓制成型的極板進行高溫石墨化處理，石墨化條件為:高溫18002300°C，氮氣保護或者在真空氛圍內(nèi)，完成后冷卻待用；
(4)疏水:將石墨化后的極板放入10%~60%的PTFE溶液中浸泡，瀝干后，在300~400°C下灼燒疏水處理，完成后冷卻，得到該質(zhì)子交換膜燃料電池專用極板。
[0012]優(yōu)選地，電堆兩側(cè)的兩塊端板之間還設(shè)置有L型定位支撐件，所述L型定位支撐件將若干片所述單元電池固定支撐在兩側(cè)端板之間。
[0013]進一步地，所述L型定位支撐件為4個，分別固定在所述端板的四個角上。
[0014]優(yōu)選地，單元電池之間通過導電連接件隔開，所述導電連接件的兩面四周具有與單元電池相匹配的密封墊，用于電堆密封。
[0015]優(yōu)選地，電堆兩側(cè)的兩塊端板之間通過工字型緊固件固定，將兩塊端板之間的若干片單元電池壓貼固定。
[0016]本發(fā)明的工作原理是:由于燃料電池的單片電壓較低，需要將單片電池進行疊加串聯(lián)在一起形成電堆。氫氣與氧氣分別由各自的進氣口進入電堆，在專用極板流場的作用下均勻分布，并通過專用極板的孔隙擴散到膜電極的表面進行相應(yīng)的電化學反應(yīng)，產(chǎn)生的水通過專用極板的孔隙擴散到對應(yīng)的流場中，經(jīng)流場排出。
[0017]有益效果:(1)本發(fā)明的電堆不使用雙極板，使用輕質(zhì)化的極板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雙極板和氣體擴散層，大幅度減少了電堆重量，提高了電堆比功率密度，與傳統(tǒng)的電堆相比較，本發(fā)明組成的風冷的電堆功率密度> 2.lkw/L，水冷的電堆> 3.2kw/L ;同時由于本發(fā)明的電堆不使用雙極板，降低了電堆的體積，拓寬了質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域；減少了電堆配件數(shù)量和電堆內(nèi)部的接觸電阻，提高電堆的性能；提高了電堆的組裝效率，加快了質(zhì)子交換膜燃料電池產(chǎn)業(yè)化的腳步；
(2)本發(fā)明在兩側(cè)端板之間設(shè)置L型定位支撐件，在專用極板內(nèi)加入增強劑，可確保專用極板完成電堆的支撐，在不設(shè)置雙極板的前提下，保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，外部支撐有利于減輕電堆的重量與體積，提高了電堆的比體積密度和比重量密度。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明所述高功率密度PEMFC電堆的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明所述高功率密度PEMFC電堆的外形圖。
[0019]其中:1_端板、2-集電板、3-膜電極、4-陽極專用極板、5-陰極專用極板、6-導電緩沖層、7-導電連接件、8-L型定位支撐件、9-工字型緊固件、41-陽極氣體流場、51-陰極氣體流場。
【具體實施方式】
[0020]下面通過附圖對本發(fā)明技術(shù)方案進行詳細說明，但是本發(fā)明的保護范圍不局限于所述實施例。
[0021]實施