质子交换膜燃料电池、电堆、制造方法和流场板复合系统
阅读：1027发布：2020-06-10
专利汇可以提供质子交换膜燃料电池、电堆、制造方法和流场板复合系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且质子交换膜 燃料 电池 、电堆、制造方法和 流场板 复合系统，电池包括氢 氧 气流场板复合系统以及两者之间的质子交换膜 电极 ，流场板复合系统包括流场板、涂覆在流场板表面的导电 镀 膜 部分和旁路导电接头；导 电镀 膜部分为导电材料制造的镀层，用于将氢氧反应所产生的 电流 扩散到整个镀层的表面；旁路导电接头连接导电镀膜部分，跨过流场板复合系统的两极，将流场板复合系统的正负极连接在一起，构成流场板外的旁路导电 电路 ，用于将电化学反应生成的电流不经过流场板地旁路导出。本 发明 使得身兼气体流场、导电、导热功能的高需求双极板变成了容易制造的流场板复合系统：流场板、导电镀膜部分和导电接头部分，将极大地促进流场板材料和制造工艺的发展。，下面是质子交换膜燃料电池、电堆、制造方法和流场板复合系统专利的具体信息内容。
1.一种质子交换膜燃料电池，包括氢气流场板复合系统、氧气流场板复合系统以及两者之间的质子交换膜电极，
质子交换膜电极包括：顺序叠置的第一扩散层、第一催化剂层、质子交换膜、第二催化剂层、第二扩散层，
所述氢气流场板复合系统和氧气流场板复合系统每个都包括流场板(407)、涂覆在流场板(407)表面的导电镀膜部分(406)和旁路导电接头(402)，其中流场板(407)为导电或不导电材料制造；导电镀膜部分(406)为导电材料制造的镀层，用于将氢氧反应所产生的电流扩散到整个镀层的表面；旁路导电接头(402)连接导电镀膜部分(406)，跨过流场板系统的两极，将流场板系统的正负极连接在一起，构成流场板外的旁路导电电路，用于将电化学反应生成的电流不经过流场板地旁路导出。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池，其中所述氢气流场板复合系统还包括位于氢气流场板边缘的气体密封圈，用于阻断气体扩散到密封圈外的途径，防止气体泄漏；
在氧气流场板复合系统的进气是氧气源而非空气的情况下，还包括位于氧气流场板边缘的气体密封圈，用于阻断气体扩散到密封圈外的途径，防止气体泄漏。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池，所述流场板(407)为不导电的材料制造。
4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池，所述流场板(407)为陶瓷或塑料制造。
5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池，所述流场板(407)为不锈钢制造。
6.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池，导电镀膜部分(6)是金属镀膜、石墨沉积层或石墨烯制造。
7.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池，旁路导电接头(2)是导电的金属或石墨烯制造。
8.一种质子交换膜燃料电池电堆，由根据权利要求1到7任一项所述的质子交换膜电池堆叠形成。
9.一种质子交换膜燃料电池中使用的流场板复合系统，流场板复合系统每个都包括流场板(407)、涂覆在流场板(407)表面的导电镀膜部分(406)和旁路导电接头(402)，其中流场板(407)为导电或不导电材料制造；导电镀膜部分(406)为导电材料制造的镀层，用于将氢氧反应所产生的电流扩散到整个镀层的表面；旁路导电接头(402)连接导电镀膜部分(406)，跨过流场板系统的两极，将不同流场板系统的正负极连接在一起，构成流场板外的旁路导电电路，用于将电化学反应生成的电流不经过流场板地旁路导出。
10.一种权利要求1到7任一项所述的质子交换膜燃料电池的制造方法，包括：
顺序叠置第一扩散层、第一催化剂层、质子交换膜、第二催化剂层、第二扩散层，构成质子交换膜电极；
氢气流场板和氧气流场板每个的表面涂覆导电镀膜部分(406)，连接旁路导电接头，得到氢气流场板复合系统和氧气流场板复合系统；
顺序叠置氢气流场板复合系统、质子交换膜电极、氧气流场板复合系统；
布置旁路导电接头(402)连接导电镀膜部分(406)，跨过流场板系统的两极，将流场板系统的正负极连接在一起，构成流场板外的旁路导电电路，用于将电化学反应生成的电流不经过流场板地旁路导出。
质子交换膜燃料电池、电堆、制造方法和流场板复合系统
技术领域
[0001] 本发明总体地涉及燃料电池，更具体地涉及一种燃料气体(如氢气、甲烷气、乙醇气体等)和空气反应产生电能的装置，可以用作发电设备，用于各种交通工具、各种设备等的电源装置，涉及石墨烯基高导热材料在新能源领域的应用，还涉及燃料气体和空气发生化学反应产生能源装置的设计和制造方法。
背景技术
[0002] 氢燃料电池电堆是将氢氧反应的化学能转换为电能的装置，一般由阴极流场板、阳极流场板，以及两者之间的膜电极所组成。其中膜电极包括扩散层、催化剂层、质子膜等五层所组成。膜电极将氢氧反应的化学能转换为电能和热能，假设氢氧反应的化学能转换为电能的效率为50％，则有50％的化学能转换为热能。因此，散热是质子交换膜燃料电池电堆稳定运行所必须解决的重要问题之一。
[0003] 目前质子交换膜燃料电池电堆根据其散热方式主要分为两种：气冷堆和水冷堆。气冷堆结构简单，但气冷效率低，主要用于小型、实验型质子交换膜燃料电池电堆的冷却。
由于干燥空气容易吹干质子膜，造成电堆的运行效率降低，因此气冷堆的使用效率有限，一般用于示范电堆。水冷或液冷堆结构复杂，散热效果好，同时降低了堆内空气流量，通过对进堆的空气的加湿，而使得电堆能够在干燥的空气环境中稳定运行。但水冷堆结构复杂，水冷通路占了反应堆的30％～50％的位置，使得反应堆的反应区域减少，质子膜及其催化剂不能有效地得到利用，最终使得反应堆的价格高昂。目前汽车用堆一般都采用这种液冷方式。
由于干燥空气容易吹干质子膜，造成电堆的运行效率降低，因此气冷堆的使用效率有限，一般用于示范电堆。水冷或液冷堆结构复杂，散热效果好，同时降低了堆内空气流量，通过对进堆的空气的加湿，而使得电堆能够在干燥的空气环境中稳定运行。但水冷堆结构复杂，水冷通路占了反应堆的30％～50％的位置，使得反应堆的反应区域减少，质子膜及其催化剂不能有效地得到利用，最终使得反应堆的价格高昂。目前汽车用堆一般都采用这种液冷方式。
[0004] 图10～13示出了传统气冷质子交换膜燃料电池电堆的结构原理图。其中图10中31示出了阴极流场，32示出了氢气流通道，图11中33示出了阳极流场。图12示出了夹在两个流场板之间的五层结构膜电极，包括中间的质子交换膜34，膜两则的催化剂35，以及更外侧的扩散层36。图13示出由多个流场板和膜电极堆叠而成的质子交换膜燃料电池电堆，以及电堆的产生的电流9。
[0005] 一般情况下，流场板水平放置，阴极流场呈水平状，气体自左至右或自右至左流动，氢氧反应生成的水从其中一端或两端流出。氢氧反应时氢气在催化剂的作用下释放出电子穿过流场板被氧气俘获，而质子则穿过质子交换膜和另一侧的氧气结合同时俘获氢气在催化剂作用下释放的电子。电子和质子的运动形成电流，穿过流场板从电堆的两端输出(图13)。目前，流场板的材料一般采用石墨。一方面，石墨具有抗腐蚀、高电导、不渗漏、易于制造等诸多优点。另一方面，石墨流场板的导热性差，氢氧的反应热难以及时散出，从而导致电堆难以做大。因此，石墨气冷电堆大都是数千瓦之内的小功率电堆。
[0006] 空气直冷的反应堆中，氢氧反应所需的氧气和冷却所需的空气都来源于穿过反应堆流场板的空气流，通过调节阴极空气流的大小可以很方便地控制质子膜的湿度和电堆的温度，维持电堆的稳定发电。这样设计的优点是电堆系统结构简单，体积小、重量轻，造价便宜。相应地，这种设计的缺点也十分明确，首先是由于空气散热的效率有限，流场板不能做得太大，从而限制了电堆的总功率；其次，在空气干燥的地区，如沙漠、冬天低温干燥等，散热空气所带走的水汽太多，从而导致质子膜干燥而影响发电；最后，大量的散热空气进入电堆带入大量的空气污染物，引起堵塞扩散层、毒化催化剂等多种问题，从而大大地降低电堆的寿命。因此，空气直冷的电堆在低成本的小功率电堆方面有优势，而在大功率的商用电堆方面，则有明显的劣势。
[0007] 上述情况本质上是质子膜氢电堆所面临的共同问题，即流场板在电堆内要承担三重功能：一是气体流场，要求流场板足够致密，不能有任何泄露，否则氢氧直接混合，容易导致危险；二是散热流场，要求通过流场板的气体或者液体来对电堆进行散热；三是导电，要求流场板是电的良导体，氢氧反应产生的电流穿过流场板，到达电堆的两端。另外，流场板还要抗酸蚀，氢电堆在反应时生成氢离子，具有强酸性，会对金属流场板产生强烈的酸蚀、氢蚀。而且，酸蚀过程中产生的金属离子对于质子交换膜中的催化剂具有毒性。因此，同时满足上述所有要求，且价格合适的流场板材料，目前只有高纯度的石墨。但也存在散热效率不高、制造成本高等问题。相反，金属流场板具有制造成本低，其中含有散热液体使得其散热效率高的优点，但不耐酸蚀、氢蚀、导电性差。
[0008] 关于质子膜电堆的研究近年来一直很热，主要方向是解决其散热问题，同时寻找更好的双极板的材料。目前代表性的方向是金属水冷堆，其主要思想是在阴极、阳极流场中加入封闭的液冷管道，使得电堆的反应热能够通过冷却液将热量带到电堆外部。这种金属板电堆理论上可以完全不依赖于空气的冷却，可以制造氢氧电堆。金属板电堆主要有三个问题：首先，如上所述，液冷管道占用了反应堆内部大量的空间，导致反应堆内质子膜和催化剂的利用率降低，增加了反应堆的成本；其次，一般金属的导电性不好，阻碍氢氧反应时电子的移动，且大功率电堆的运行时产生强电流会导致金属板发热；再次，电堆运行时产生质子流，呈强酸性，对金属有腐蚀作用，在电流和氢的作用下金属发生氢脆而降低强度，同时产生金属离子，对催化剂中的金属具有毒性。而符合高强度、高导电性、耐腐蚀等条件的金属或合金，一般都是贵金属或贵金属合金等。这大大地提高了电堆的制造成本。
[0009] 国内外关于质子交换膜燃料电池电堆的专利非常多，本申请优选了最近十多年来12个相关的专利如下。从这些专利可以看出，早期的燃料电池是小功率气冷电池系统，经过多年的改进，燃料电池逐步从气冷小功率转变为金属双极板水冷大功率电堆。
[0010] 【1】CN 03120950，小功率气冷式燃料电池系统，亚太燃料电池科技股份有限公司，2003-03-24；
[0011] 【2】CN 200620069309，空冷型燃料电池堆，南京博能燃料电池有限责任公司，2006-02-15；
[0012] 【3】CN 200710007706，具有改进的流动通道的冷却板，三星Sdi株式会社，2007-01-29；
[0013] 【4】CN 200710172148，金属薄板成形的质子交换膜燃料电池双极板，上海交通大学，2007-12-13；
[0014] 【5】CN 200880010515，燃料电池系统及电源控制方法，丰田自动车株式会社，2008-04-18；
[0015] 【6】CN 201010288866，质子交换膜燃料电池金属双极板及其构成的单池和电堆，武汉理工大学，2010-09-21；
[0016] 【7】CN 201010543786，空冷型质子交换膜燃料电池双极板，无锡国赢科技有限公司，2010-11-15；
[0017] 【8】CN 201420388910，基于金属双极板的氢电源，江苏冰城电材股份有限公司，2014-07-14；
[0018] 【9】CN 201420213337，一种增强燃料电池电堆散热的双极板，南京双登科技发展研究院有限公司，2014-04-29；
[0019] 【10】CN 201410543495，水冷质子交换膜燃料电池电堆和水冷质子交换膜燃料电池，北京氢璞创能科技有限公司，2014-10-15；
[0022] 综上所述，目前的燃料电池主要是两种构造方式：基于石墨双极板的气冷电堆，以及基于金属双极板的水冷电堆。其中石墨双极板具有性能稳定、导电性好、无腐蚀和无金属离子污染，但气冷散热效率低，不能制造氢氧电池电堆的特点；金属双极板具有水冷散热效率高、但一般金属导电性能差、易腐蚀、易氢脆等特点。产生这些问题的根本原因是流场板在电堆内集气体流场、导电、散热、抗酸蚀等诸多功能为一体，使得充分满足这些要求的流场板价格高、难以制造，也难以大规模商业化地推广和应用氢电堆。
发明内容
[0023] 本发明旨在解决上述燃料电堆中流场板所面临的流场、导电、散热的综合问题。
[0024] 本发明一个实施例创造性地制造高导电导热质子交换膜电极(例如采用新型高导电导热薄层材料等)，用于将氢氧反应生成的电流、反应热从反应堆内部传导到反应堆周围，即旁路导电固态导热的质子交换膜电池电堆。氢氧反应所生成的电流先通过质子交换膜电极上的高导电导热薄膜传导到反应堆的外部，再通过堆外的旁路电路流到反应堆的两端，对外输出电能。而反应热在堆内部是固态导热，即通过质子交换膜电极上的高导电导热薄膜传导到反应堆的外部，再在反应堆的周围通过空气或者液体散热。因此，本发明实施例提出了堆外旁路导电固态导热的质子交换膜燃料电池电堆，具有至少两大创造性贡献：(1)固态导热质子交换膜燃料电池电堆。相比于现有燃料电池电堆基于气态、液态导热材料的散热方式而言，本发明实施例采用固态的高导热薄膜将燃料电池的反应热从电堆内部传导到电堆周围，具有更高的散热效率、电堆的结构更加紧凑。(2)堆外旁路电流质子交换膜燃料电池电堆。相比于现有燃料电池电堆的电流穿过流场板到达电堆两端的内部导电方式而言，本发明实施例采用高导电薄膜将燃料电池反应生成的电流从电堆内部传导到电堆周围，再传导到电堆的两端的旁路电流方式，使得流场板无需具有导电的功能，从而大大降低流场板的材料和制造成本。
[0025] 本发明实施例革命性地提出了将流场板的气体流场、导电、散热三大功能分开的方法和实施方案，使得具有气体流场不必再同时具有气体流场、导电、散热这三大功能，包括：(1)具有散热功能但不导电的流场板，(2)具有导电但不具有散热功能的流场板，以及(3)不导电、不散热的流场板。因此，本发明该实施例将极大地促进流场板材料和制造工艺的发展，从而最终促进氢电堆的商业化发展。
[0026] 本发明还提出了在流场板表面涂覆导电涂层并将电流旁路导出的技术方案。
[0027] 本发明还提出了使用导电性材料制造扩散层并将电流旁路导出的技术方案。
[0028] 根据本发明的一个方面，提出了一种质子交换膜燃料电池，包括氢气流场板、氧气流场板以及两者之间的质子交换膜电极，质子交换膜电极包括：顺序叠置的第一扩散层、第一催化剂层、质子交换膜、第二催化剂层、第二扩散层，其特征在于，质子交换膜电极还包括第一导电导热薄膜层和第二导电导热薄膜层，分别位于第一扩散层和第二扩散层的外侧，第一导电导热薄膜层和第二导电导热薄膜层用于将电化学反应生成的电流不经过流场板地旁路导出。
[0029] 可选的，第一导电导热薄膜层和第二导电导热薄膜层还用于将电化学反应生成的热量旁路导出。
[0030] 可选的，第一导电导热薄膜层和第二导电导热薄膜层的每个包括：旁路导电散热部、氢气通道，导电导热薄膜网，旁路导电电路，旁路导电散热部连接导电导热薄膜网和旁路导电电路，电流从导电电热薄膜网经旁路导电散热部流到旁路导电电路而引出到电堆的氢氧反应区域的外部，形成串联电路，提高反应堆的电压。
[0031] 可选的，其中所述旁路导电散热部位于氢氧反应区域外，具有导电的功能，联通流场板的正负两极，使得膜电极中氢氧反应生成的电流，不再穿过流场板而导出到电堆的两端。
[0032] 可选的，旁路导电散热部通过空气或者液体散热。
[0033] 可选的，所述流场板是采用不导电材料制造的。
[0034] 可选的，所述流场板是采用不散热材料制造的。
[0035] 可选的，所述流场板是采用不导电且不散热材料制造的。
[0036] 可选的，所述流场板不作为电极使用。
[0037] 可选的，质子交换膜燃料电池还包括：过滤和加湿装置，氢氧反应所需的空气或氧气经过过滤和加湿装置通过氢气流场板和氧气流场板，进入反应堆。
[0038] 可选的，所述流场板采用树脂、陶瓷、塑料之一的材料制作。
[0039] 可选的，旁路电路采用非贵金属的金属制作。
[0040] 可选的，导电导热薄膜网由石墨烯复合材料薄膜或高导热石墨薄膜制造。
[0041] 根据本发明的另一方面，提供了一种质子交换膜燃料电池电堆，由前述质子交换膜电池堆叠形成，其中氢氧反应所生成的电流先通过质子交换膜电极上的导电导热薄膜网传导到电堆反应区域的外部，再通过堆外的旁路导电电路流到的电堆两端。
[0042] 可选的，其中质子交换膜燃料电池电堆中两个相邻的质子交换膜燃料电池中的相邻的旁路导电电路相连，使得与流场板堆叠在一起的质子交换膜通过旁路电路形成串联结构，其中电流不流经流场板。
[0043] 根据本发明的再一方面，提供了一种质子交换膜电极，包括：顺序叠置的第一扩散层、第一催化剂层、质子交换膜、第二催化剂层、第二扩散层，其特征在于，质子交换膜电极还包括第一导电导热薄膜层和第二导电导热薄膜层，分别位于第一扩散层和第二扩散层的外侧，第一导电导热薄膜层和第二导电导热薄膜层用于将电化学反应生成的电流不经过流场板地旁路导出。
[0044] 根据本发明的另一方面，提供了一种前述质子交换膜燃料电池的制造方法，包括：顺序叠置第一扩散层、第一催化剂层、质子交换膜、第二催化剂层、第二扩散层；特征在于还包括：在第一扩散层和第二扩散层的外侧布置第一导电导热薄膜层和第二导电导热薄膜层，用于将电化学反应生成的电流不经过流场板地旁路导出。
[0045] 本发明实施例的实施方案至少具有如下优势中的一个或多个：
[0046] (1)针对质子交换膜燃料电池电堆运行中普遍存在的导电、散热问题，利用导电导热薄膜，优选地高导电导热薄膜材料，将反应电流和反应热从反应堆中间扩散到反应堆周围，其中电流通过堆外电路传导到反应堆的两端，而反应热则可以通过反应堆周围的空气或者液体散热，从而维持燃料电池电堆内部的温度，保障电堆的正常运行。因此，本发明中，与传统技术不同，将氢氧反应电流和热量从电堆内部传导到电堆外部的介质既非气态物质，如空气，二氧化碳等，也非液态物质，如水等，而是固态物质，高导电导热薄膜材料。
[0047] (2)创造了质子交换膜燃料电池电堆的第三种冷却方式：固体导热质子交换膜燃料电池电堆。同时本发明实施例还创造了质子交换膜燃料电池电堆的全新的电流传导方式：堆外旁路电流质子交换膜燃料电池电堆。
[0048] (3)由于上述固体导热、旁路导电的优秀性能，使得本发明实施例的质子交换膜燃料电池电堆具有大功率、性能稳定、功率重量比高等特点；可以方便地实现氢空气、氢氧气质子交换膜燃料电池电堆，以及甲烷气氧气燃料电池电堆等。
[0049] 本发明创造的高导电导热质子交换膜、电池和电堆是本领域的基础发明，可以应用于所有的质子交换膜电池电堆装置。突破了国外厂家的专利壁垒，为中国自主的绿色洁能源的发展开辟了广阔的前景。
[0050] 根据本发明的另一方面，提供了一种质子交换膜燃料电池，包括氢气流场板复合系统、氧气流场板复合系统以及两者之间的质子交换膜电极，质子交换膜电极包括：顺序叠置的第一扩散层、第一催化剂层、质子交换膜、第二催化剂层、第二扩散层，其中所述氢气流场板复合系统和氧气流场板复合系统每个都包括流场板、涂覆在流场板表面的导电镀膜部分和旁路导电接头，其中流场板为导电或不导电材料制造；导电镀膜部分为导电材料制造的镀层，用于将氢氧反应所产生的电流扩散到整个镀层的表面；旁路导电接头连接导电镀膜部分，跨过流场板系统的两极，将流场板系统的正负极连接在一起，构成流场板外的旁路导电电路，用于将电化学反应生成的电流不经过流场板地旁路导出。
[0051] 可选的，其中所述氢气流场板复合系统还包括位于氢气流场板边缘的气体密封圈，用于阻断气体扩散到密封圈外的途径，防止气体泄漏；在氧气流场板复合系统的进气是氧气源而非空气的情况下，还包括位于氧气流场板边缘的气体密封圈，用于阻断气体扩散到密封圈外的途径，防止气体泄漏。
[0052] 可选的，所述流场板为不导电的材料制造。
[0053] 可选的，所述流场板为陶瓷或塑料制造。
[0055] 可选的，导电镀膜部分是金属镀膜、石墨沉积层或石墨烯制造。
[0056] 可选的，旁路导电接头是导电的金属或石墨烯制造。
[0057] 根据本发明的另一方面，提供了一种质子交换膜燃料电池电堆，由前述质子交换膜电池堆叠形成。
[0058] 根据本发明的另一方面，提供了一种质子交换膜燃料电池中使用的流场板复合系统，流场板复合系统每个都包括流场板、涂覆在流场板表面的导电镀膜部分和旁路导电接头，其中流场板为导电或不导电材料制造；导电镀膜部分为导电材料制造的镀层，用于将氢氧反应所产生的电流扩散到整个镀层的表面；旁路导电接头连接导电镀膜部分，跨过流场板系统的两极，将不同流场板系统的正负极连接在一起，构成流场板外的旁路导电电路，用于将电化学反应生成的电流不经过流场板地旁路导出。
[0059] 根据本发明的另一方面，提供了一种前述质子交换膜燃料电池的制造方法，包括：顺序叠置第一扩散层、第一催化剂层、质子交换膜、第二催化剂层、第二扩散层，构成质子交换膜电极；氢气流场板和氧气流场板每个的表面涂覆导电镀膜部分，连接旁路导电接头，得到氢气流场板复合系统和氧气流场板复合系统；顺序叠置氢气流场板复合系统、质子交换膜电极、氧气流场板复合系统；布置旁路导电接头连接导电镀膜部分，跨过流场板系统的两极，将流场板系统的正负极连接在一起，构成流场板外的旁路导电电路，用于将电化学反应生成的电流不经过流场板地旁路导出。
[0060] 本发明实施例的创造性贡献是：旁路电流质子交换膜燃料电池电堆。相比于现有燃料电池电堆的电流穿过流场板/双极板到达电堆两端的内部导电方式而言，本发明实施例采用包含导电镀层的流场板复合系统将燃料电池反应生成的电流从电堆内部传导到电堆周围，再传导到电堆的两端的旁路电流方式，使得双极板无需具有导电的功能，成为只具有氢氧气体导流的流场板，从而大大降低流场板的材料和制造成本。
[0061] 本发明实施例革命性地提出了将流场板的气体流场、导电二大功能分开的方法和实施方案，使得流场板不必再同时具有气体流场、导电这二大功能。因此，本发明实施例能够使得身兼气体流场、导电、导热功能的高需求双极板变成了容易制造的流场板复合系统：流场板、导电镀膜部分和导电接头部分，将极大地促进流场板材料和制造工艺的发展，从而最终促进氢电堆的商业化发展。
[0062] 根据本发明的另一方面，提供了一种质子交换膜燃料电池，包括氢气流场板、氧气流场板以及两者之间的质子交换膜电极，质子交换膜电极包括：顺序叠置的第一扩散层、第一催化剂层、质子交换膜、第二催化剂层、第二扩散层，其中所述第一扩撒层和第二扩撒层具有氢氧气体扩散、导电性、旁路导电功能，向外延展并连接旁路导电接头，构成流场板外的旁路导电电路,以及在扩散层周围形成密封圈，以防止气体扩散至电池的氢氧反应区域外，但扩散层延展到氢氧气体反应区域外形成旁路导电区，电能通过该旁路导电区传导到氢氧反应区域外。
[0063] 可选的，在第一扩散层的旁路导电部分和第二扩散层的旁路导电部分之间形成绝缘部。
[0064] 可选的，所述氢气流场板和氧气流场板采用不导电材料制造的。
[0065] 可选的，所述氢气流场板和氧气流场板不作为电极使用。
[0066] 可选的，质子交换膜燃料电池还包括过滤和加湿装置，氢氧反应所需的空气或氧气经过过滤和加湿装置后通过氢气流场板和氧气流场板，进入反应堆。
[0067] 可选的，所述氢气流场板和氧气流场板采用树脂、陶瓷、塑料之一的材料制作。
[0068] 根据本发明的另一方面，提供了一种质子交换膜燃料电池电堆，由前述质子交换膜电池串联形成。
[0069] 根据本发明的另一方面，提供了一种质子交换膜燃料电池的制造方法，包括：用导电性材料制作第一扩散层和第二扩散层；顺序叠置第一扩散层、第一催化剂层、质子交换膜、第二催化剂层、第二扩散层，构成质子交换膜电极；第一扩散层和第二扩散层具有氢氧气体扩散、导电性、旁路导电性，向外延展并连接旁路导电接头，构成流场板外的旁路导电电路,以及在扩散层周围布置密封圈，以防止气体扩散至电池外，但扩散层延展到氢氧气体反应区域外形成旁路导电区，电能通过该旁路导电区传导到氢氧反应区域外；以及顺序叠置氢气流场板、质子交换膜电极、氧气流场板。
[0070] 本发明实施例的创造性贡献是：旁路电流质子交换膜燃料电池电堆。相比于现有燃料电池电堆的电流穿过流场板/双极板到达电堆两端的内部导电方式而言，本发明实施例采用延展的扩散层加旁路导电接头将燃料电池反应生成的电流从电堆内部传导到电堆周围，再传导到电堆的两端的旁路电流方式，使得双极板无需具有导电的功能，成为只具有氢氧气体导流的流场板，从而大大降低流场板的材料和制造成本。
[0071] 本发明实施例革命性地提出了将流场板的气体流场、导电二大功能分开的方法和实施方案，使得流场板不必再同时具有气体流场、导电这二大功能。因此，本发明实施例能够使得传统身兼气体流场、导电、导热功能的高需求双极板变成了容易制造的流场板，将极大地促进流场板材料和制造工艺的发展，从而最终促进氢电堆的商业化发展。附图说明
[0072] 图1示出了根据本发明实施例的七层结构的质子交换膜电极的侧视图；
[0073] 图2更清晰地示出了根据本发明一个实施例的高导电导热薄膜的结构；
[0074] 图3(a)和图3(b)示出了根据本发明实施例的七层结构质子交换膜电极中高导电导热薄膜的另一种结构；
[0075] 图4示出了根据本发明实施例的单体燃料电池200的结构组成示例；
[0076] 图5示出了根据本发明实施例的高导电导热质子交换膜燃料电池电堆300的组成结构示意图；
[0077] 图6和图7示出了一种高导热质子交换膜燃料电池电堆及其液体散热装置，其中图6示出了氢流场视图，图7示出了氧流场视图。
[0078] 图8示出了根据本发明实施例的一种旁路导电质子交换膜燃料电池电堆及其旁路电路装置的组成结构示意图。
[0079] 图9示出了一种高导电导热质子交换膜燃料电池电堆及其旁路导电、液体散热装置的组成结构示意图。
[0080] 图10～13示出了传统气冷质子交换膜燃料电池电堆的结构原理图。
[0081] 图14示出了根据本发明第二方面的质子交换膜燃料电池电堆的旁路导电氢流场板复合系统的结构的示意图。
[0082] 图15示出了根据本发明实施例的质子交换膜燃料电池电堆的旁路导电氧气流场板复合系统的结构示例。
[0083] 图16示出了本发明一个实施例的三层结构的高导电旁路导电流场板复合系统示例的侧视图。
[0084] 图17示出了根据本发明一个实施例的由旁路导电流场板复合系统408、质子交换膜电极409所组成的燃料电池电堆的结构的侧视图。
[0085] 图18示出了根据本发明一个实施例的旁路导电质子交换膜燃料电池电堆的氧流场板的正视图。
[0086] 图19示出根据本发明一个实施例的旁路导电质子交换膜燃料电池电堆的氢流场板的正视图。
[0087] 1旁路导电散热部，2氢气通道，3导电导热薄膜网，4旁路导电电路，5氢流场板，6氧流场板，7电堆外部的散热装置，8过滤和加湿装置，9电流，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，20，21，22，23，24，25，26，27，28，29，30，31氢气流场，32氢气流通道，33氧气流场，34质子交换膜，35催化剂层，36扩散层，401旁路导电接头，402导电镀膜部分，403氢流场板，404气体密封圈，405氧流场板，407基材，408旁路导电流场板复合系统，409质子交换膜电极，360第一扩散层、第二扩散层，361气体密封圈，362旁路导电部,363绝缘部363，364旁路导电接头，
具体实施方式
[0088] 需要说明的是，本文中的“氧气流场板”既包括使用纯氧气源的情况，也包括使用空气作为氧气源的情况。
[0089] 本文中“氢气流场板”和“氢流场板”可以互换使用，“氧气流场板”和“氧流场板”可以互换使用。
[0090] I.第一方面
[0091] 利用高导电导热薄膜的堆外旁路电流质子交换膜电极、质子交换膜燃料电池和质子交换膜燃料电池电堆。
[0092] 首先概述本发明第一实施例的总体思想，针对质子交换膜燃料电池电堆运行中普遍存在的导电、散热问题，本发明第一实施例利用高导电导热薄膜新材料，将反应电流和反应热从反应堆中间扩散到反应堆周围，其中电流通过堆外电路传导到反应堆的两端，而反应热则通过反应堆周围的空气或者液体散热，从而维持燃料电池电堆内部的温度，保障电堆的正常运行。因此，将氢氧反应电流和热量从电堆内部传导到电堆外部的介质既非气态物质，如空气，二氧化碳等，也非液态物质，如水等，而是本发明第一实施例提出的固态物质，高导电导热薄膜新材料。本发明第一实施例创造了质子交换膜燃料电池电堆的第三种冷却方式：固态导热质子交换膜燃料电池电堆。同时本发明还创造了质子交换膜燃料电池电堆的全新的电流传导方式：堆外旁路电流质子交换膜燃料电池电堆。
[0093] 由于上述固体导热、旁路导电的优秀性能，使得本发明的质子交换膜燃料电池电堆具有大功率、性能稳定、功率重量比高等特点。可以方便地实现氢空气、氢氧气质子交换膜燃料电池电堆，以及甲烷气氧气燃料电池电堆等。
[0094] 如前所述，燃料电池电堆是将多个单燃料电池层叠组合而成的，传统地单燃料电池由阴极流场板、阳极流场板以及两者之间的质子交换膜电极构成的，其中传统的质子交换膜电极为5层结构，即顺序叠置的第一扩散层、第一催化剂层、质子交换膜、第二催化剂层、第二扩散层组成，且传统的质子交换膜，换句话说由质子交换膜和分别在其两侧的催化剂层、扩散层组成。为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合图示顺序描述本发明如下方面：1、新颖的质子交换膜；2、质子交换膜燃料电池；3、质子交换膜燃料电池堆。
[0095] 一、新颖的质子交换膜
[0096] 如背景技术所述，现有技术的质子交换膜燃料电池电堆中的核心部件膜电极是由五层结构所组成，包括中间的质子交换膜、两侧的催化剂层和扩散层。这种结构的膜电极可以有效地促进氢氧反应产生电流和热，但完全不具有导电、散热功能。本发明在传统的五层膜电极的基础上，在膜电极的两侧各增加一层高导电导热薄膜材料所制造的高导电导热层，形成七层结构的质子交换膜电极。
[0097] 下面结合附图说明根据本发明实施例的七层结构的质子交换膜电极。
[0098] 图1示出了根据本发明实施例的七层结构的质子交换膜电极的侧视图，其具有高导电导热性能。质子交换膜电极包括质子交换膜34、两侧的催化剂层35和扩散层36，这三种层的结构和性能可以和传统的相同。本发明实施例的质子交换膜电极和传统的质子交换膜电极的不同在于：还包括位于最外侧的两个导电导热薄膜层30(30-1和30-2)。
[0099] 从图1中可以看出，导电导热薄膜层30包括旁路导电散热部1、氢气通道2、导电导热薄膜网3、旁路导电电路4，高导电导热薄膜网3位于膜电极的两侧，使得反应所生产的电流9能够从一层膜30-1表面流到另一层膜30-2的表面，形成新型的高导电导热质子交换膜电极。氢氧反应所需的氢气穿过高导电导热薄膜网3后，经过扩散层36的扩散，在催化剂35的作用下产生氢离子，氢离子穿过质子交换膜34后，和质子交换膜34另一侧的氧气、电子(氢释放的电子)发生电化学反应，生成电流和反应热、水等；其中氢所释放的电子不穿过质子交换膜，由高导电导热薄膜网30-1导出，图中示出了两个高导电导热薄膜网30-1和30-2。
[0100] 作为示例，第一导电导热薄膜层和第二导电导热薄膜层30-1和30-2还用于将电化学反应生成的热量旁路导出。
[0101] 示例中，旁路导电散热部1位于氢氧反应区域外。
[0102] 示例性地，旁路导电散热部1通过空气或者液体散热。
[0103] 示例性地，旁路电路4采用非贵金属的金属制作。
[0104] 示例性地，导电导热薄膜网3由石墨烯复合材料薄膜或高导热石墨薄膜制造。
[0105] 图2更清晰地示出了根据本发明一个实施例的高导电导热薄膜的结构。所述的结构由四部分所组成，其中1为旁路导电散热部，该部分和空气或液体接触，通过与气体或液体的热交换而散热；2为氢气通道，氢氧反应所需的氢气通过该通道2到达反应堆中的氢流场；3是高导电导热薄膜网，氢氧反应所产生的电流9、热量通过高导热网3扩散到散热部1，同时，氢氧反应的气体穿过高导电导热薄膜网3中的空隙而到达膜电极100的扩散层，反应所生成的水亦穿过该导电导热薄膜网3而排出；4为旁路导电电路，旁路导电散热部1连接导电导热薄膜网(3)和旁路导电电路(4)，电流从导电电热薄膜网(3)经旁路导电散热部(1)流到旁路导电电路(4)而引出到氢氧反应区域的外部，由导电的金属和高导电导热薄膜接触并穿过高导电导热薄膜，形成联结氢氧流场板两侧的两片高导电导热薄膜之间的导电电路，使得单体电池串联输出更高的电压。
[0106] 图3(a)和图3(b)示出了根据本发明实施例的七层结构质子交换膜电极中高导电薄膜的一种结构，其中图3(a)示出了散热结构。所述高导电薄膜结构由四部分所组成：旁路导电部1、氢气通道2、导电薄膜网3、旁路导电电路4。其中1为旁路导电部，该部分和旁路导电电路4，由导电的金属和高导电薄膜接触并穿过高导电薄膜，形成高导电薄膜之间的导电电路，使得反应所生产的电流9能够从流场板一侧的导电膜表面流到流场板另一侧的导电膜表面；2为氢气通道，氢氧反应所需的氢气通过该通道到达反应堆中的氢流场；3是高导电薄膜网，氢氧反应所产生的电流通过高导电网扩散到旁路导电电路，同时，氢氧反应的气体穿过高导电网中的空隙而到达膜电极的扩散层，反应所生成的水亦穿过该网而排出。图3(a)和图3(b)所示的高导电薄膜结构与图2所示的高导电导热薄膜结构区别在于图3(a)和图3(b)所示的高导电薄膜结构不具有图2所示的散热结构。
[0107] 二、质子交换膜燃料电池
[0108] 高导电导热质子交换膜电极和流场板结合，形成高导电导热质子交换膜燃料电池单体，多个质子交换膜燃料电池单体堆叠形成燃料电池电堆。
[0109] 图4示出了根据本发明实施例的单体燃料电池200的结构组成示例，单体燃料电池200由高导电导热质子交换膜电极100和氢流场板5、氧流场板6这两个流场板所组成。其中高导电导热质子交换膜电极100位于中间，氢流场板5和空气流场板6分别位于高导电导热质子交换膜电极100的两侧。高导电导热薄膜层100的旁路导电电路4、使得反应所生产的电流9能够从一层高导电导热薄膜表面流到另一层高导电导热薄膜的表面，电流不再如传统那样穿过双极板(位置对应于本发明实施例中的氢流场板5、氧流场板6)。可见，高导电导热质子交换膜电极100中的旁路导电散热部1位于单体电池的中氢氧反应区域外。图4中最外侧的黑色部分表示氢流场板和氧流场板，以区别于电堆内部的氢氧流场板。
[0110] 三、质子交换膜燃料电池堆
[0111] 图5示出了根据本发明实施例的高导电导热质子交换膜燃料电池电堆300的组成结构示意图。高导电导热质子交换膜燃料电池电堆300由多个高导电导热质子交换膜燃料电池单体堆叠而成。氢流场板5和氧空气流场板6重叠时形成氢氧流场板，高导电导热质子交换膜电极位于氢氧流场板的中间。高导电导热薄膜层的旁路导电电路4采用高导电材料避开氢氧流场板5和6将两个高导电导热质子交换膜电极链接在一起，从而使得氢氧反应所生成的电流9通过旁路导电电路4导电，从一层膜表面流到另一层膜的表面，而不再穿过氢氧流场板，从而氢氧流场板不需要导电，由此能够采用成本低得多的材料例如陶瓷来制作。高导电导热质子交换膜电极的旁路导电散热部1位于质子交换膜电池电堆的氢氧反应区域外，通过空气或者液体散热。图5中最外侧的黑色部分表示氢流场板和氧流场板，以区别于电堆内部的氢氧流场板。
[0112] 上述根据本发明实施例的基于高导电导热质子交换膜的燃料电池电堆具有旁路导电、固态导热二个重大创新点。基于该创新，原来电堆中的双极板已经不再具有导电的功能，在新的电堆中，只起到对氢氧气体的导流作用，因此，在新发明的电堆中，称为：氢氧流场板，或简称为流场板。具体的实施可以组合形成多种具有不同功能的质子交换膜的燃料电池电堆，下面给出具体实施示例。
[0113] 实施例一：固态导热质子交换膜燃料电池电堆
[0114] 散热是质子交换膜电池电堆所面临的核心问题之一，本实施例采用固态高导热膜材料，将氢氧反应的反应热从电堆内部导出到电堆周围，再通过空气或者液态热交换装置散热。
[0115] 图6和图7示出了一种高导热质子交换膜燃料电池电堆及其液体散热装置，其中标号7指示电堆外部的散热装置，8指示过滤和加湿装置。其中图6示出了氢流场视图，其中液体散热装置在高导电导热薄膜的散热部周围，和散热部进行热交换，从而将氢氧反应热散出。图7示出了氧流场视图，除了和图6所示的一样的散热部以外，该视图还提供了一种氧气或空气加热、增湿装置，使得氢氧电堆能够有更广泛的气候适应性和更长的寿命。标号7指示散热装置，所述的电堆中，散热装置所需的热交换空气或液体和反应堆反应所需的氧气或空气相互独立，互不干扰，从而使得高导热质子交换膜燃料电池电堆的氧气源既可以是空气，即氢空气燃料电池电堆，也可以是氧气，即氢氧燃料电池电堆。
[0116] 从图6和图7中可以看出，本实施例的电堆无论是采用空气散热还是液体散热，其氢空气反应所需的空气和散热所需的气流或液体相互独立，互不干扰，从而使得氢空气反应所需的空气可以经过过滤和加湿装置8，延长电池的使用寿命，增加电池的使用环境适应性。
[0117] 实施例二：旁路导电质子交换膜燃料电池电堆
[0118] 高导电性是质子交换膜电池电堆的所面临的另一核心问题。一般而言，质子交换膜电池电堆在发电时内部的电流极大，例如发电功率为数十千瓦的小型电堆，其内部电流高达数百安培，从而要求流场板具有极好的导电性能，极低的内阻。目前满足这个要求的流场板材料是高纯度的石墨，但制造和散热都困难。对于金属流场板质子交换膜电池电堆而言，氢氧反应所需的氢气会对很多金属产生氢蚀作用，氢氧反应中产生的氢离子会和金属反应，腐蚀金属的同时产生金属离子毒害催化剂。因此，金属流场板一般需要贵金属和复杂的处理工艺，极大地提高了电堆的价格。本发明实施例采用高导电膜新材料来制作导电导热薄膜网3，将氢氧反应产生的电流从电堆内部导出到电堆周围，再通过电堆外部的旁路电路传导电流，从而使得电堆内部的流场板无需具有导电的功能，可以用树脂、陶瓷、塑料等不导电、耐腐蚀的材料来制造。而电堆外部的旁路电路不接触氢气和氢离子，可以用普通的导电性能好的金属来实现。
[0119] 图8示出了根据本发明实施例的一种旁路导电质子交换膜燃料电池电堆及其旁路电路装置的组成结构示意图。所述的旁路导电质子交换膜燃料电池电堆中，高导电膜将氢氧反应所产生的电流9扩散到整个膜表面，电堆外部的旁路导电装置4跨过流场板，将两个高导电质子交换膜电极的正负极连接在一起，构成流场板外的旁路导电电路，从而使得与流场板堆叠在一起的质子交换膜通过旁路电路形成串联结构。
[0120] 从图8可以看出，本发明实施例的电堆外部的旁路导电装置和流场板导电所实现的效果是一样的，都是将两个高导电质子交换膜电极的正负极连接在一起，使得堆叠在一起的单体电池形成串联结构，提高电堆的输出电压。但是，采用旁路电路后，流场板可以是不导电的材料来制造，比如各种塑料、陶瓷等材料，也可以是导电能力差但价格便宜易于制造的金属材料，从而大大降低电堆的成本，延长电池的使用寿命，增加电池的使用环境适应性。
[0121] 实施例三：固态导热质子交换膜燃料电池电堆
[0122] 随着材料科学技术的发展，导电导热膜新材料的膜表面可以同时具有高导电、高导热的优秀性能，使得膜表面的局域热、电迅速地扩散到全表面。本发明采用固态高导电高导热膜新材料，将氢氧反应的反应热从电堆内部迅速导出到电堆周围，再通过空气或者液态热交换装置散热。同时，高导电导热膜将氢氧反应产生的电流从电堆内部导出到电堆周围，再通过电堆外部的旁路电路传导电流，从而使得电堆内部的流场板无需具有导电的功能，可以用树脂、陶瓷、塑料等不导电、耐腐蚀的材料来制造。
[0123] 图9示出了一种高导电导热质子交换膜燃料电池电堆及其旁路导电、液体散热装置的组成结构示意图。所述的电堆中，氢氧反应所产生的电和热都通过高导电导热膜从电堆内部传导到电堆周围，再通过电堆外部的旁路电路传导电流，散热装置散热。其中散热装置所需的热交换空气或液体和反应堆反应所需的氧气或空气相互独立，互不干扰，从而使得高导热质子交换膜燃料电池电堆的氧气源即可以是空气，即氢空气燃料电池电堆，也可以是氧气，即氢氧燃料电池电堆。延长电池的使用寿命，增加电池的使用环境适应性。
[0124] 实施例四：石墨烯固态导电导热质子交换膜燃料电池电堆
[0125] 本发明实施例所述的高导电导热膜可以用贵金属材料，例如金箔，来实现。金箔具有非常好的导电和导热性能，且金本身具有很好的耐酸腐蚀的性能。但是，贵金属一方面是贵，另一方面是资源有限，不适宜于大规模工业应用。
[0126] 近年来，随着材料科学研究和技术的进展，涌现出了许多高导电导热的新薄膜材料。本发明的一个实施例采用符合电堆高导电、耐腐蚀、高导热要求的新型薄膜材料：高导电导热石墨烯复合材料薄膜、高导热石墨薄膜等。
[0127] 石墨烯基的石墨薄膜片也称为导热石墨材料(Thermal Flexible Graphite sheet)，导热石墨片、石墨散热片、石墨烯基复合散热材料等，是一种全新的导电导热散热材料。这类全新的导热材料是由石墨粉经高温提纯，去除石墨粉中众多杂质后合成高纯度的复合石墨烯薄膜或石墨薄膜。或者以天然鳞片石墨为原料，采用Hummers法制备氧化石墨，并用热剥离成石墨烯，或者利用超声波分散剥离为氧化石墨烯，再化学还原成石墨烯，形成石墨烯基复合薄膜材料。
[0128] 石墨烯基的石墨薄膜片的主要特点在于拥有远高于普通天然石墨的超高的水平导电导热率，其水平导热高于1500W/m-k，垂直导热20W/m-k，可以将局部的高热量迅速扩散到全膜表面，实现大面积散热，改善局部高温状态。高导热石墨薄膜材料具有低热阻：热阻比铝低40％，比铜低20％，轻重量：重量比铝轻25％，比铜轻75％，化学性能稳定等诸多优点，给热量管理工业提供了一个综合高性能的独特解决方案，给需求日益广泛的工业散热领域带来新的技术方案，是热量管理的创新技术。
[0129] 针对上述燃料电池电堆的导电散热问题，本发明实施例采用热量管理领域的创新性材料，高导热薄层石墨烯基复合材料、高导热的石墨散热材料等制造高导热石墨烯基复合材料薄层散热体，组成高散热的膜电极，从而将氢氧反应热从反应堆内部带到反应堆周围，并通过空气或者液体，将热量散出。因此，本发明的一个实施例为基于高导电导热石墨烯基材料的质子交换膜燃料电池电堆，创造了质子交换膜燃料电池电堆的固态冷却方式。
[0130] II.第二方面带有导电涂层的双极板
[0131] 前面的第一方面中，质子交换膜电极还包括第一导电导热薄膜层和第二导电导热薄膜层，分别位于第一扩散层和第二扩散层的外侧，第一导电导热薄膜层和第二导电导热薄膜层用于将电化学反应生成的电流不经过流场板地旁路导出。
[0132] 根据本发明的第二方面，改造了流场板，在流场板的靠近质子交换膜的一侧涂覆(这里的涂覆是广义的概念，包括各种电镀、涂等工艺)以导电镀膜，并配上导电接头，而流场板可以用不导电材料制造，这样同样使得原双极板不再一身兼有气体流场、导电二重功能，而是仅需承担气体流场功能，导电功能由其外面的导电镀膜和旁路导电电路来接手。换句话说，现有技术的双极板是由单一材料(主要是石墨)组成的，而本发明的双极板(对应于权利要求中的称谓流场板复合系统)由几部分复合组成，至少包括流场板、涂覆在流场板表面的导电镀膜部分和导电接头。
[0133] 下面结合附图来描述根据本发明实施例的带有导电涂层的双极板。
[0134] 图14示出了根据本发明第二方面的质子交换膜燃料电池电堆的旁路导电氢氧流场板复合系统的结构的示意图。如图14所示，氢氧流场板复合系统包括：导电镀膜部分401(位于氢氧流场板403的正面和背面)、旁路导电接头402、氢氧流场板403，其中旁路导电接头402与导电镀膜部分401接触。旁路导电接头402跨过(绕过或者穿透)氢氧流场板403，和氢氧流场板403背面的导电镀膜部分401接触，形成氢氧流场板两面之间的导电电路，使得反应所生产的电流能够从流场板的一面流到流场板的另一面。氢氧反应所需的氢气经过氢氧流场板中的氢流场，穿过质子交换膜(图14中未示出)的扩散层，和质子交换膜电极的催化剂接触，发生电化学反应。404为气体密封圈，阻断气体扩散到密封圈外的途径，防止气体泄漏。
[0135] 图15示出了根据本发明实施例的质子交换膜燃料电池电堆的旁路导电氢氧流场板复合系统的结构示例。氢氧反应所需的氧气经过氢氧流场板403中的氧流场，穿过质子交换膜(图15中未示出)的扩散层，和质子交换膜电极的催化剂接触，发生电化学反应。
[0136] 需要说明的，氢氧流场板复合系统在使用空气作为氧气源的情况下，不需要在氧流场周围配置气体密封圈，但是在使用纯氧作为氧气源的情况下，与氢气流场板复合系统情况类似，需要配置位于流场板边缘的气体密封圈，用于阻断气体扩散到密封圈外的途径，防止气体泄漏。
[0137] 需要说明的是，氢氧流场板复合系统中的氢流场板的靠近扩散层的表面和相对的另一面涂有导电层、氢氧流场板复合系统中的氧流场板的靠近扩散层的表面和相对的另一面涂有导电层。
[0138] 图16示出了本发明一个实施例的三层结构的高导电旁路导电流场板复合系统示例的侧视图。从图中可以看出，旁路导电流场板系统由作为流场板的基材407，导电镀膜部分4010、4011，以及两端的旁路导电接头402所组成，其特征是基材407可以是任何导电或不导电的材料，如陶瓷、塑料、不锈钢等，导电镀层402可以是金属镀膜、石墨沉积层、石墨烯等；两端的导电接头402可以是高导电的金属、石墨烯等材料，使得反应所生产的电流能够在高导电镀层内迅速扩散，并经过导电接头402所形成的旁路导电电路从流场板的一面流到其背面，形成新型的旁路导电流场板复合系统。
[0139] 旁路导电流场板复合系统和质子交换膜电极结合，形成旁路导电质子交换膜燃料电池单体，多个质子交换膜燃料电池单体堆叠形成旁路导电电路质子交换膜燃料电池电堆。
[0140] 图17示出了根据本发明一个实施例的由旁路导电流场板复合系统408、质子交换膜电极409所组成的燃料电池电堆的结构的侧视图。质子交换膜电极反应所生产的电流经过高导电镀膜层4010和4011和导电接头402从一层流场板的表面通过旁路电路流到流场板的另一面，电流不再穿过流场板，从而使得流场板成为旁路导电的双极板，其特征是所述的氢氧流场板不再具有导电的功能。
[0141] 上述基于旁路导电流场板复合系统的质子交换膜燃料电池电堆具有旁路导电的重大创新点。基于该创新，原来电堆中的双极板已经不再具有电流穿透的导电功能，该导电功能被流场板表面的高导电镀层和外侧的旁路导电结构所形成的旁路导电电路所取代。在本发明实施例的新的电堆中，流场板只起到对氢氧气体的导流作用，因此，在本文中不再称之为双极板，而称之为氢流场板、氧流场板、氢气流场板、氧气流场板，或者偶尔称为旁路导电氢氧流场板，亦或简称为流场板。具体的实施可以组合形成多种具有不同功能的旁路导电燃料电池电堆。
[0142] 如前所述，传统的双极板的高导电性是质子交换膜电池电堆的所面临的核心问题。一般而言，质子交换膜电池电堆在发电时内部的电流大，例如发电功率为数十千瓦的小型电堆，其内部电流高达数百安培，从而要求双极板/流场板具有极好的导电性能，极低的内阻。目前满足这个要求的流场板材料是高纯度的石墨，但制造和散热都困难。对于金属流场板质子交换膜电池电堆而言，氢氧反应所需的氢气会对很多金属产生氢蚀作用，氢氧反应中产生的氢离子会和金属反应，腐蚀金属的同时产生金属离子毒害催化剂。因此，金属流场板一般需要贵金属和复杂的处理工艺，极大地提高了电堆的价格。本发明实施例采用复合流场板新材料(流场板系统镀层为高导电材料，而流场板或者说基材可采用不导电材料)，将氢氧反应产生的电流从电堆内部导出到电堆周围，再通过电堆外部的旁路电路传导电流，从而使得电堆内部的流场板无需具有导电的功能，可以用树脂、陶瓷、塑料等不导电、耐腐蚀的材料来制造。而电堆外部的旁路电路不接触氢气和氢离子，可以用普通的导电性能好的金属来实现。
[0143] 图17示出了根据本发明一个实施例的一种旁路导电质子交换膜燃料电池电堆及其旁路电路装置的侧视图。图14示出了根据本发明一个实施例的旁路导电质子交换膜燃料电池电堆的氢氧流场板的氢流场正视图，图15示出根据本发明一个实施例的旁路导电质子交换膜燃料电池电堆的氢氧流场板的氧流场正视图。
[0144] 所述的旁路导电质子交换膜燃料电池电堆示例中，流场板表面的高导电镀层401将氢氧反应所产生的电流扩散到整个镀层的表面，电堆外部的旁路导电接头装置402跨过流场板的两极，将流场板的氧流场的正极镀层4010和氢流场的负极镀层4011连接在一起，构成流场板外的旁路导电电路，从而使得与流场板堆叠在一起的质子交换膜电极通过旁路电路形成串联结构。
[0145] 从图17、图14和图15可以看出，本发明实施例的电堆外部的旁路导电装置和传统的双极板/流场板导电所实现的效果是一样的，都是将两个质子交换膜电极的正负极连接在一起，使得堆叠在一起的单体电池形成串联结构，提高电堆的输出电压。但是，采用旁路电路后，流场板可以是不导电的材料来制造，从而大大降低电堆的成本，延长电池的使用寿命，增加电池的使用环境适应性。
[0146] 本实施例的流场板复合系统包括流场板、涂覆在流场板(7)表面的导电镀膜部分(6)和导电接头，氢氧反应所生成的电流通过流场板表面的导电层传导到整个导电镀膜，再通过旁路电路流到反应堆的两端，对外输出电能。因此，本发明实施例为旁路导电质子交换膜燃料电池电堆，本发明实施例的创造性贡献是：旁路电流质子交换膜燃料电池电堆。相比于现有燃料电池电堆的电流穿过流场板/双极板到达电堆两端的内部导电方式而言，本发明实施例采用包含导电镀层的流场板复合系统将燃料电池反应生成的电流从电堆内部传导到电堆周围，再传导到电堆的两端的旁路电流方式，使得双极板无需具有导电的功能，成为只具有氢氧气体导流的流场板，从而大大降低流场板的材料和制造成本。
[0147] 本发明实施例革命性地提出了将流场板的气体流场、导电二大功能分开的方法和实施方案，使得流场板不必再同时具有气体流场、导电这二大功能。因此，本发明实施例能够使得身兼气体流场、导电、导热功能的高需求双极板变成了容易制造的流场板复合系统：流场板、导电镀膜部分和导电接头部分，将极大地促进流场板材料和制造工艺的发展，从而最终促进氢电堆的商业化发展。
[0148] III.第三方面：扩散层旁路导电质子交换膜电极
[0149] 前述第一方面提供了质子交换膜电极的扩散层外额外布置的方案，第二方面提供了流场板表面涂覆高导电层的方案，下面提供扩散层旁路导电质子交换膜电极，即具有扩散层旁路导电功能的质子交换膜电极方案。
[0150] 具体地，提供了一种扩散层旁路导电质子交换膜燃料电池，包括氢气流场板、氧气流场板以及两者之间的扩散层旁路导电质子交换膜电极。如图18所示，旁路导电质子交换膜电极包括：顺序叠置的第一扩散层360、第一催化剂层35、质子交换膜34、第二催化剂层35、第二扩散层360。和传统的质子交换膜电极的扩散层36(图12)相比，本发明的扩散层包括气体扩散部分，其功能和传统的质子交换膜电极的扩散层一样，负责气体的扩散；本发明实施例与传统扩散层不同在于将扩散层延展形成旁路导电装置，包括由气体密封胶渗透进入扩散层形成的气体密封圈361，旁路导电部362，以及第一、第二扩散层两者之间的绝缘胶所组成的绝缘部363。
[0151] 如图18和图19所示，所述第一扩撒层和第二扩撒层具有氢氧气体扩散、导电性、旁路导电等功能，构成流场板外的旁路导电电路,以及在扩散层周围形成气体密封圈361，以防止氢氧气体扩散至电堆的反应区外，但扩散层延展到氢氧气体反应区域外形成旁路导电区362，电能通过该旁路导电区到氢氧反应区域外，并通过跨越氢氧流场板的旁路导电接头装置364联结。为了防止第一扩散层和第二扩散层的旁路导电部分接触，在这两者之间由绝缘胶填充形成的绝缘部363，以增加扩散层旁路导电部分的强度并防止气体泄漏。
[0152] 如图19所示，多个单体电池通过旁路导电接头364串联成为高电压输出的氢氧质子交换膜电堆。
[0153] 其余的方面可以参考前面关于第一方面和第二方面的描述。
[0154] 本发明实施例的创造性贡献是：旁路电流质子交换膜燃料电池电堆。相比于现有燃料电池电堆的电流穿过流场板/双极板到达电堆两端的内部导电方式而言，本发明实施例采用延展的扩散层加旁路导电接头将燃料电池反应生成的电流从电堆内部传导到电堆周围，再传导到电堆的两端的旁路电流方式，使得双极板无需具有导电的功能，成为只具有氢氧气体导流的流场板，从而大大降低流场板的材料和制造成本。
[0155] 本发明实施例革命性地提出了将流场板的气体流场、导电二大功能分开的方法和实施方案，使得流场板不必再同时具有气体流场、导电这二大功能。因此，本发明实施例能够使得身兼气体流场、导电、导热功能的高需求双极板变成了容易制造的流场板，将极大地促进流场板材料和制造工艺的发展，从而最终促进氢电堆的商业化发展。
[0156] 需要说明的是，在前面的关于本发明的第一、第二、第三方面的描述中，分别通过在质子交换膜中设置导电导热薄膜层、在流场板上涂覆导电层、以及扩散层旁路导电质子交换膜电极来实现了旁路导电功能，这样的旁路导电部分和装置不能独立存在，原因是反应生成的电是从不同的地方(外加的导电层、流场板上的导电涂层、以及扩散层的延展部分等)引出来的，所以，这个旁路导电部分只能和引出电的装置联合成为一体。
[0157] 以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
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