[发明专利]大批量制造的燃料电池布置及其生产方法无效
申请号: | 200980159477.1 | 申请日: | 2009-04-30 |
公开(公告)号: | CN102449830A | 公开(公告)日: | 2012-05-09 |
发明(设计)人: | 玛丽亚·辛普森;托伦斯·达菲;查尔斯·辛普森 | 申请(专利权)人: | FDI能源有限公司 |
主分类号: | H01M8/04 | 分类号: | H01M8/04;H01M8/10 |
代理公司: | 上海市华诚律师事务所 31210 | 代理人: | 彭里 |
地址: | 美国*** | 国省代码: | 美国;US |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 大批量 制造 燃料电池 布置 及其 生产 方法 | ||
技术领域
本发明涉及燃料电池及其制造方法。更特别地,本发明涉及燃料电池布置和大批量处理,该燃料电池布置首次能够实用地以相对低的成本大批量地被制造,该大批量处理提供稳固的并且可靠的燃料电池结构。
背景技术
试验性的燃料电池在19世纪中期第一次被生产作为在电化学存储装置中展开的研究。那些早期的工作导致现代的蓄电池,然而,蓄电池在过去的百年发展相对很少。当在二十世纪六十年代NASA需要紧凑的、有效的发电系统用于美国太空计划时,因为费用不是首要因素,所以燃料电池变成储能装置的选择。
一般而言,燃料电池和蓄电池两者实质上都以同样的方式产生电。也就是说,它们在源极(阴极)的氧化材料(燃料)产生正离子,并且在返回电极(阳极)的还原材料(氧化剂)产生负离子。这些正和负离子组合在电解质中形成新的稳定的材料以及完成电学路径。
电池的燃料和氧化剂的来源是电极材料,当电池的燃料和氧化剂耗尽时,使电池不工作。然而,燃料电池中的电极是不变的构造,该构造提供电学的路径并且对化学活性没有贡献。催化剂促使氧化处理,当从外部来源补充燃料和氧化剂时,维持该氧化处理。大多数现代的燃料电池使用氢作为燃料,并且使用空气作为氧化剂。
原子能级、氢容许过滤器(质子交换膜或PEM)大大地简化燃料电池的构造。在PEM燃料电池中,富氢的流体被供给到PEM的负电极(阴极)侧,其中,催化剂使得氢原子和围绕的流体材料分离,同时分离的氢原子的电子在经过PEM之前被交出给负电极。空气中的氧通过在PEM的正电极(阳极)侧的催化活性获得电子。氢和氧原子(离子)结合,完成循环并且生成物被排出。
许多燃料电池系统中的PEM是在市场上例如从杜邦和戈尔工业可买到的薄塑料膜,并且在操作特性上类似于塑料食物包装。因此许多机械的困难与这个“塑料包装”型的PEM有关。需要包括燃料和冷却流体路径两者的、复杂的、昂贵的、物理支持的构造。
电解质、PEM和隔板加工需要精确操作,该精确操作使得最后的组装极其困难。密封和连接电池堆的处理是最需要的,因为PEM和隔板对流体润湿和高温两者都敏感。由于高价的材料和产量这两方面的损失,稀有的金属催化剂和容易损坏的碳混合电极显著地有助于成本。最后的困难是组装和密封电池,因为结合温度和压力必须被保持极其低,以避免毁坏部件。
用于汽车的燃料电池的使用存在另一个巨大的挑战。例如,对于仅仅有日常维修的家庭车辆的最低的预期寿命在5年的跨度中是100,000英里。汽车必须在各式各样的不利条件下起动和操作,并且驱动装置必须足够小型,以允许远离乘客室便利地放置而且还易于维修。即使当被误用或轻微受损时,驱动装置也必须安全地工作并且迅速地起动。此外,必须符合严格的排放标准。从经济的观点,重要的是,燃料电池必须比得上当前的传动技术以及部件替换,而不是完整的系统替换。
大量的研究和开发已经致力于汽车的燃料电池。然而,在本发明之前,这样的研发到目前为止仍未能产生经济的实用的燃料电池产品,因为已经大量地集中在基本的科学原则以及基础发展上,诸如PEM系的全氟磺酸。一方面,对于PEM电池的观察到的电流密度在大约25mA/cm2到4000mA/cm2的范围内变化。另一方面,获得这种电流密度通常已经包括使用石墨作为导电的电极材料。
碳的固有的结块以及粒状结构存在大的多孔表面区域栅格,燃料和氧化剂流过该多孔表面区域栅格。如果在形成碳电极之后用催化剂材料处理这个大的表面区域,则使用大量的贵金属。如果碳在形成或附着作为电极之前被掺合有催化剂和粘合剂,则电阻增大。因为碳的已经高的内电阻,所以在分界面产生的任何外电阻实质上增加了作为热能的能量损失。
此外,从电连接、流体密封以及将其保持在适当位置的构造的观点出发,将PEM电解质和碳电极电池组装成能用的堆已经证明是困难的。同样,当温度接近90℃时,PEM迅速地恶化。因此,在商界中,已经在实验室可接受的分离的冷却部件以及复杂的水合系统当然较少。归因于高成本以及生产困难,陶瓷电解质的开发已经被缩减。
我们已经认识到尤其对于成本是主要因素的汽车应用而言,燃料电池的关键要求是它们可被大量生产并且具有稳定的高质量,但是迄今为止,传统的燃料电池得不到这样的特性。
发明内容
根据本发明,公开燃料电池制造、处理以及组装方法,具有以下目的,有利地除去许多部件以及普通燃料电池制造的大部分昂贵的处理步骤,以便实质上降低成本以及增加可制造性,而不牺牲当前使用的燃料电池的优点。
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