[发明专利]对PEM燃料电池的密封垫和双极板的改进

说明书

技术领域

本发明涉及用于PEM燃料电池的双极板。本发明还涉及用于该双极 板在PEM燃料电池组内的有效密封的密封件。

背景技术

燃料电池是一种用于将物质清洁且相对高效地转换为电能和热的装 置。近几十年来已经发展了一系列不同的技术，每种技术都有其自身的原 理、反应物种类、最佳操作条件等。近年来一种受到特别关注的技术就是 所谓的PEM燃料电池。

PEM(质子交换膜，proton exchange membrane)燃料电池包括阳极、 阴极和插入在其间的质子交换膜。该质子交换膜在朝向阳极的侧面和朝向 阴极的侧面上都包括催化剂。PEM燃料电池的原理是依靠膜朝向阳极的侧 面上的催化剂向膜朝向阳极的侧面提供氢，发生化学反应：

(1)阳极反应：H₂→2H⁺+2e^-

阳极由导电材料制成并因此输送在膜的阳极侧产生的电子，而在 PEM-膜的阳极侧产生的质子通过膜扩散。

在膜的阴极侧提供氧(或空气)。如果在电池阴极和阳极之间连接电 力负载从而构成电路，则在阳极产生的电子通过该负载流向阴极。依靠膜 朝向阴极的侧面上的催化剂提供给膜的阴极侧的氧按照下述化学方程式与 通过膜扩散的质子和流向阴极的电子发生反应：

(2)阴极反应：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O+热

因此，PEM燃料电池中发生的净反应是：

(3)2H₂+O₂→2H₂O+电能+热

一个PEM燃料电池能够产生1.23V的电压。为使PEM燃料电池产生 更高的电压，多个PEM燃料电池通常串联在所谓的PEM燃料电池组中。 为了经济，燃料电池组常设计为将一个燃料电池的阴极与相应电池组中相 邻燃料电池的阳极结合的方式。这通过使用所谓的双极板实现。双极板是 具有两个侧面的板，其中一个侧面用作一个燃料电池的阳极，另一侧面用 作相应燃料电池组中相邻燃料电池的阴极。

向阳极提供的氢不受其它气体污染是很重要的，在这个意义上讲， PEM燃料电池很敏感。此外，由于阴极侧产生热，因此使该侧面冷却从而 使燃料电池组保持在能提供最佳性能的温度范围内是很重要的。可以通过 相对于向每个电池的阳极侧提供的氢的量向每个电池的阴极侧提供比所需 的更多的氧(或空气)来冷却燃料电池组。冷却的另一原理是在电池组中 设置冷却回路。

基于上述考虑，近年来对PEM燃料电池的更多的研究与开发集中于 燃料电池的特殊的结构设计，特别是双极板的结构设计。

US专利申请NO.2003/0059664公开了一种电池组构造中的双极板，其 中，该双极板夹在氧电极和氢电极之间，所述氧电极和氢电极相邻于由该 双极板分开的电解液室。该电极由网格状的通道形成，使该构造在生产方 面复杂且昂贵。

一种简单的电池组结构作为现有技术的例子公开于国际专利申请WO 2007/003751中，其中，双极板通过正方形O型圈形式的弹性密封件对电 极密封。这些O型圈使氧或氢不能通过，从而提出了一种不同的、改进的 系统，然而该系统具有生产方面复杂的结构。

WO 03/077341公开了一种带有双极板的双极电池组构造，该双极板具 有从双极板的一边向另一边延伸的通道。这些通道通过纤维复合材料对电 解液密封。为实现气密设置，该纤维板的尺寸公差很小，其在生产方面复 杂。

因此，双极板的许多不同设计已经在该领域被公开。然而，尽管这些 设计中的很多都满足了对该板的技术要求，但它们都具有结构很复杂并因 此其制造昂贵的缺点。特别是在除双极板之外燃料电池组还包括冷却板的 情况下更是如此。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于PEM燃料电池的、克服了上述缺点 的双极板和适于与根据本发明的双极板一起使用的密封件。