專利名稱：一種具有較高功率密度的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電池，尤其涉及電化學(xué)燃料電池。
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)淙剂霞把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡(jiǎn)稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導(dǎo)電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細(xì)小分散的引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)過程中生成的電子，通過外電路引出，構(gòu)成電流回路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質(zhì)子交換膜，到達(dá)膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負(fù)離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質(zhì)子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會(huì)相互混合而產(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負(fù)離子，并與陽極區(qū)遷移過來的氫正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達(dá)陽極反應(yīng)陰極反應(yīng)在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在二塊導(dǎo)電的極板中間，每塊導(dǎo)電極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機(jī)械銑刻，形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)電極板可以是金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導(dǎo)電極板上的導(dǎo)流孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個(gè)膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導(dǎo)流板與陰極氧化劑的導(dǎo)流板。這些導(dǎo)流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機(jī)械支撐，導(dǎo)流板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進(jìn)入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運(yùn)行過程中生成的水的通道。
為了增大整個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個(gè)或兩個(gè)以上的單電池通?？赏ㄟ^直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個(gè)膜電極的陽極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個(gè)相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個(gè)電池組。電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個(gè)典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個(gè)陽極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進(jìn)出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個(gè)電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池組后進(jìn)行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時(shí)，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進(jìn)出口都開在燃料電池組的一個(gè)端板上或兩個(gè)端板上。
在陽極區(qū)的正氫離子遷移穿過質(zhì)子交換膜，通常需要攜帶大量的水分子一起通過，所以膜的兩邊表面必須保持水分子存在，才能使正氫離子的遷移電導(dǎo)不受影響。因此，燃料與氧化劑氣體在進(jìn)入燃料電池活性區(qū)進(jìn)行反應(yīng)之前，必須進(jìn)行濕化，以便保證膜電極中的膜處于水濕化飽和狀態(tài)。
根據(jù)質(zhì)子交換膜燃料電池的不同用途，其總體上的設(shè)計(jì)有很大不同。在用作小功率的可移動(dòng)電源或可移動(dòng)的動(dòng)力電源時(shí)，質(zhì)子交換膜燃料電池的設(shè)計(jì)上采用與正常大氣壓接近的壓力下運(yùn)行，因?yàn)檫@種電源往往要求整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積很小。
目前大量專利報(bào)道了這種小功率的可移動(dòng)電源或可用作移動(dòng)的動(dòng)力電源的燃料電池報(bào)道如H—Power等有類似的專利報(bào)道。這些類型的小功率(小于1千瓦)的燃料電池都存在功率密度不高的缺陷，就是指燃料電池輸出功率與其系統(tǒng)重量、體積比的值，普遍都在小于＜200W/公斤的值。主要原因是1.燃料電池采用自散熱設(shè)計(jì)，主要依靠排出空氣及空氣攜帶的水來散熱，但由于空氣的比熱有限，散熱量也有限。所以常需要額外設(shè)上排熱、散熱片，從而增加了電池體積。
2.由于散熱方法不得當(dāng)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不當(dāng)導(dǎo)致燃料電池只能在低電流密度(低功率輸出)的條件下運(yùn)行，以防電池散熱來不及，所以妨礙了燃料電池的功率輸出。
3.燃料電池中的內(nèi)部關(guān)鍵部件膜電極及導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)及它們之間的組合設(shè)計(jì)關(guān)系不足導(dǎo)致燃料電池體積增加，重量增加，而功率密度降低。
本實(shí)用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種具有較高功率密度的燃料電池。
本實(shí)用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種具有較高功率密度的燃料電池，包括可傳導(dǎo)質(zhì)子和電子的膜電極、可分別導(dǎo)入燃料與氧化劑的導(dǎo)流極板、正極板、負(fù)極板、連接拉桿、冷卻單元、監(jiān)控單元，所述的膜電極兩側(cè)附著有催化劑及多孔性碳紙，所述的導(dǎo)流極板設(shè)有導(dǎo)流槽，用兩塊導(dǎo)流極板將一張膜電極夾在中間構(gòu)成一單電池，所述的正極板、負(fù)極板將多個(gè)單電池夾緊并通過連接拉桿串接在一起構(gòu)成一燃料電池組，所述的冷卻單元對(duì)過程產(chǎn)生的熱量進(jìn)行冷卻，所述的監(jiān)控單元對(duì)過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，其特點(diǎn)是，所述的冷卻單元為一充滿去離子水的外圍水箱，所述的燃料電池組設(shè)置在該外圍水箱內(nèi)。
所述的外圍水箱內(nèi)去離子水的溫度為40～80℃。
所述的外圍水箱設(shè)有外循環(huán)去離子水管路，該管路上設(shè)有一熱交換器以及一循環(huán)泵。
所述的熱交換器可將燃料進(jìn)行預(yù)熱或傳熱。
所述的導(dǎo)電極板為雙極板，該雙極板的正、反面分別設(shè)有引導(dǎo)燃料和氧化劑的導(dǎo)流槽。
還包括水板，該水板設(shè)在去離子水循環(huán)管的管口處。
所述的外圍水箱采用不銹鋼或塑料。
所述的外圍水箱設(shè)有散熱片。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)1.整個(gè)燃料電池放入去離子水箱中，燃料電池生成的熱可以快速被外圍去離子水吸收帶出，燃料電池可以在高電流密度下工作，一般溫度(外圍水箱)可控制在40℃～80℃之間。
2.外圍去離子水經(jīng)泵循環(huán)可以將燃料電池的熱帶出，進(jìn)入外圍的儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)的熱交換器，因?yàn)榻饘俜勰﹥?chǔ)氫瓶里面吸附有大量的氫氣，當(dāng)氫氣放出供給燃料電池時(shí)，需要吸收大量熱，而用這種循環(huán)熱水的方法又安全，又有效。
3.這種燃料帶出內(nèi)部本身不再需要內(nèi)冷卻水進(jìn)、水出的設(shè)計(jì)，燃料帶出可以均采用雙極板作為導(dǎo)流板，而不需內(nèi)夾冷卻夾板。這樣實(shí)際上平均每一塊雙極板，就有一張膜電極，增加了功率密度。
4.這種燃料電池若采用內(nèi)增濕的設(shè)計(jì)，也不需要額外供水，可以將水板經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)加工，可以讓去離子水自由快速進(jìn)入水板中，去離子的循環(huán)口正對(duì)水板，水可以快速進(jìn)入水板。


圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例2的雙極板的主視圖；圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例2的雙極板的后視圖；圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例2的膜電極的主視圖；圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例3的水板的主視圖；圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例3的水板的后視圖；圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例3的氣水增濕交換膜的主視圖。
以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
實(shí)施例1如圖1所示，為本實(shí)用新型一種具有較高功率密度的燃料電池的實(shí)施例，包括可傳導(dǎo)質(zhì)子的膜電極1、可導(dǎo)入氫氣的導(dǎo)流極板2、可導(dǎo)入空氣的導(dǎo)流極板3、正極板4、負(fù)極板5、連接拉桿(圖未示)、外圍水箱6、去離子水7、監(jiān)控單元(圖未示)，所述的膜電極1兩側(cè)附著有催化劑及多孔性碳紙，所述的導(dǎo)流極板2和導(dǎo)流極板3將一張膜電極1夾在中間構(gòu)成一單電池，所述的正極板4、負(fù)極板5將多個(gè)單電池夾緊并通過連接拉桿串接在一起構(gòu)成一燃料電池組，該燃料電池組設(shè)置在外圍水箱6內(nèi)；所述的外圍水箱采用不銹鋼或塑料材料，水箱內(nèi)去離子水的溫度控制在40～80℃，外圍水箱6設(shè)有外循環(huán)去離子水管路8，該管路上設(shè)有一熱交換器9以及一循環(huán)泵10；所述的燃料氫氣在進(jìn)入電池之前經(jīng)過熱交換器9進(jìn)行預(yù)熱，這種工藝既經(jīng)濟(jì)又安全。
實(shí)施例2如圖2、圖3、圖4所示，一種具有較高功率密度的燃料電池，其特點(diǎn)是將導(dǎo)電極板改為雙極板，該雙極板的正、反面分別設(shè)有引導(dǎo)氫氣的導(dǎo)流槽11和引導(dǎo)空氣的導(dǎo)流槽12，這樣實(shí)際上平均每一塊雙極板就有一張膜電極13，從而增加了功率密度；其余結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例3如圖5、圖6、圖7所示，一種具有較高功率密度的燃料電池，其特點(diǎn)是采用內(nèi)增濕設(shè)計(jì)，不需要額外供水，在實(shí)施例2的去離子水循環(huán)管的管口處設(shè)置一水板14，該水板內(nèi)設(shè)有氣水增濕交換膜15；其余結(jié)構(gòu)與實(shí)施例2相同。
權(quán)利要求1.一種具有較高功率密度的燃料電池，包括可傳導(dǎo)質(zhì)子和電子的膜電極、可分別導(dǎo)入燃料與氧化劑的導(dǎo)流極板、正極板、負(fù)極板、連接拉桿、冷卻單元、監(jiān)控單元，所述的膜電極兩側(cè)附著有催化劑及多孔性碳紙，所述的導(dǎo)流極板設(shè)有導(dǎo)流槽，用兩塊導(dǎo)流極板將一張膜電極夾在中間構(gòu)成一單電池，所述的正極板、負(fù)極板將多個(gè)單電池夾緊并通過連接拉桿串接在一起構(gòu)成一燃料電池組，所述的冷卻單元對(duì)過程產(chǎn)生的熱量進(jìn)行冷卻，所述的監(jiān)控單元對(duì)過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，其特征在于，所述的冷卻單元為一充滿去離子水的外圍水箱，所述的燃料電池組設(shè)置在該外圍水箱內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有較高功率密度的燃料電池，其特征在于，所述的外圍水箱內(nèi)去離子水的溫度為40～80℃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有較高功率密度的燃料電池，其特征在于，所述的外圍水箱設(shè)有外循環(huán)去離子水管路，該管路上設(shè)有一熱交換器以及一循環(huán)泵。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有較高功率密度的燃料電池，其特征在于，所述的熱交換器可將燃料進(jìn)行預(yù)熱或傳熱。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有較高功率密度的燃料電池，其特征在于，所述的導(dǎo)電極板為雙極板，該雙極板的正、反面分別設(shè)有引導(dǎo)燃料和氧化劑的導(dǎo)流槽。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有較高功率密度的燃料電池，其特征在于，還包括水板，該水板設(shè)在去離子水循環(huán)管的管口處。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有較高功率密度的燃料電池，其特征在于，所述的外圍水箱采用不銹鋼或塑料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有較高功率密度的燃料電池，其特征在于，所述的外圍水箱設(shè)有散熱片。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種具有較高功率密度的燃料電池,包括膜電極、導(dǎo)流極板、正極板、負(fù)極板、連接拉桿、冷卻單元、監(jiān)控單元,所述的導(dǎo)流極板將一張膜電極夾在中間構(gòu)成一單電池,所述的正極板、負(fù)極板將多個(gè)單電池夾緊并通過連接拉桿串接在一起構(gòu)成一燃料電池組,所述的冷卻單元為一充滿去離子水的外圍水箱,所述的燃料電池組設(shè)置在該外圍水箱內(nèi)。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本實(shí)用新型具有功率密度高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01M8/00GK2475147SQ01238848
公開日2002年1月30日 申請(qǐng)日期2001年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月13日
發(fā)明者胡里清 申請(qǐng)人:上海神力科技有限公司