專利名稱：一種改進型燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及電化學(xué)燃料電池，尤其涉及一種改進型燃料電池。
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)一般均放在兩塊導(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)。在一個質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導(dǎo)流極板與陰極氧化劑的導(dǎo)流極板。這些導(dǎo)流極板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導(dǎo)流極板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通?？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膜電極的陽極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個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。
一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進口和導(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)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內(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，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、冷卻流體的進出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
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入燃料電池活性區(qū)進行反應(yīng)之前，必須進行濕化，以便保證膜電極中的膜處于水濕化飽和狀態(tài)。
目前，質(zhì)子交換膜然料電池在各流體通道的設(shè)計上通常采用犧牲極板的有效利用面積，在各膜電極與極板的相同位置開設(shè)流體孔，并將各塊膜電極與極板經(jīng)疊合組成各流體通道。也就是說，每塊膜電極與極板上均設(shè)有燃料進、燃料出、氧化劑進、氧化劑出、冷卻流體進、冷卻流體出的孔，這些模電極與極板經(jīng)一定方式疊合后就組成燃料電池組內(nèi)部的燃料進出、氧化劑進出、冷卻流體進出的各流體通道，并將這些流體通道集合在燃料電池組前后端板上組成燃料進口、燃料出口、氧化劑進口、氧化劑出口、冷卻流進口、冷卻流體出口。到目前為止，幾乎所有的質(zhì)子交換膜燃料電池組都采用上述這種結(jié)構(gòu)。上述這種通用結(jié)構(gòu)存在以下諸多缺陷1.各個流體通道占據(jù)了極板或膜電極的非常大的面積，使燃料電池中極板或膜電極的有效面積大大降低，一般只利用了不到70％的面積。
2.極板材料和膜電極材料一般都很貴，在加工上必須沖出許多各個流體道孔，浪費了大量的原材料。
3.燃料電池組的部分流體通道，由于加工精度及不同材料熱脹冷縮原因，表面非常不平滑，因此給各流體傳輸增加了阻力，浪費了傳輸能量。
本實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極板和膜電極的有效面積大、流體傳輸阻力小、成本較低的改進型燃料電池。
本實用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種改進型燃料電池，包括至少一膜電極、至少二導(dǎo)流極板、至少一連接桿、一冷卻單元、一監(jiān)控單元，所述的各膜電極為質(zhì)子交換膜兩側(cè)附著催化劑及多孔性碳紙構(gòu)成，所述的各導(dǎo)流極板設(shè)有導(dǎo)流槽，其特點是，還包括至少一外設(shè)流體通道、至少一支管，所述的各導(dǎo)流極板一端面設(shè)有進流孔，該進流孔的一端通過支管與外設(shè)流體通道連通，另一端與導(dǎo)流槽相通，所述的各導(dǎo)流極板的另一端面設(shè)有出流孔，該出流孔與導(dǎo)流槽相通；將兩塊導(dǎo)流極板夾住一塊膜電極即構(gòu)成一電池單元，將各電池單元通過連接桿串接在一起，并接入冷卻單元和監(jiān)控單元即構(gòu)成燃料電池。
所述的外設(shè)流體通道包括外設(shè)進流體通道。
所述的外設(shè)流體通道還包括外設(shè)出流體通道，該外設(shè)出流體通道通過支管與出流孔連通。
所述的外設(shè)流體通道包括外設(shè)燃料氫氣通道。
所述的外設(shè)流體通道還包括外設(shè)氧化劑通道。
所述的外設(shè)流體通道還包括外設(shè)冷卻水通道。
所述的外設(shè)流體通道采用工程塑料或不銹鋼管材。
本實用新型由于采用了以上技術(shù)方案，即各種流體分別走燃料電池外通道的結(jié)構(gòu)，任何一種流體進或出均采用一根統(tǒng)一的外通道管，這根通道管可以采用表面很光滑的工程塑料管或不銹鋼管，從這根統(tǒng)一外通道管中分支出許多支管與每一塊極板相連，流體可以由通道管流經(jīng)極板的進流孔而流至導(dǎo)流槽中，也可以由導(dǎo)流槽流經(jīng)極板的出流孔而流至通道管中。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下優(yōu)點1.大大增加了極板與膜電極的有效面積，從而提高了燃料電池的工作效率。
2.流體統(tǒng)一走外設(shè)通道，該通道管可以采用較便宜的工程塑料管制造，表面可以做到很光滑，因此可以大大減少流體的流動阻力，節(jié)約了能源，降低了成本。
3.極板和膜電極加工簡單，電池裝配方便。
以下結(jié)合附圖及具體實施例，對本實用新型作進一步說明。


圖1為本實用新型一塊導(dǎo)流氧化劑的導(dǎo)流極板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型一塊導(dǎo)流燃料氫的導(dǎo)流極板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實用新型一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
實施例1如圖1、圖2、圖3所示，一種改進型燃料電池，包括六片膜電極1、七塊導(dǎo)流極板2、四根外設(shè)流體通道3、四根連接桿(圖未示)、一套冷卻單元(圖未示)、一套監(jiān)控單元(圖未示)，所述的各膜電極1為質(zhì)子交換膜兩側(cè)附著催化劑及多孔性碳紙構(gòu)成，所述的各導(dǎo)流極板2設(shè)有導(dǎo)流槽21，所述的外設(shè)流體通道3包括二根外設(shè)進流體通道31、二根外設(shè)出流體通道32，所述的各導(dǎo)流極板2一端面設(shè)有進流孔22，該進流孔的一端通過支管23與外設(shè)進流體通道31連通，另一端與導(dǎo)流槽21相通，所述的各導(dǎo)流極板2的另一端面設(shè)有出流孔24，該出流孔的一端通過支管23與外設(shè)出流體通道32連通，另一端與導(dǎo)流槽21相通；將兩塊導(dǎo)流極板2夾住一塊膜電極1即構(gòu)成一電池單元，將各電池單元通過連接桿串接在一起，并接入冷卻單元和監(jiān)控單元即構(gòu)成燃料電池。在本實施例中，所述的二根外設(shè)進流體通道31分別為外設(shè)進燃料氫氣通道和外設(shè)進氧化劑空氣通道；所述的二根外設(shè)出流體通道32分別為外設(shè)出燃料氫氣通道和外設(shè)出氧化劑空氣通道；所述的外設(shè)流體通道采用工程塑料管材。本實施例的冷卻水通道設(shè)在電池內(nèi)部(圖未示)。
實施例2請參考圖1、圖2、圖3，一種改進型燃料電池，包括六片膜電極1、七塊導(dǎo)流極板2、六根外設(shè)流體通道3(有兩根圖未示)、四根連接桿(圖未示)、一套冷卻單元(圖未示)、一套監(jiān)控單元(圖未示)，所述的各膜電極1為質(zhì)子交換膜兩側(cè)附著催化劑及多孔性碳紙構(gòu)成，所述的各導(dǎo)流極板2設(shè)有導(dǎo)流槽21，所述的外設(shè)流體通道3包括三根外設(shè)進流體通道31、三根外設(shè)出流體通道32，所述的各導(dǎo)流極板2一端面設(shè)有進流孔22，該進流孔的一端通過支管23與外設(shè)進流體通道31連通，另一端與導(dǎo)流槽21相通，所述的各導(dǎo)流極板2的另一端面設(shè)有出流孔24，該出流孔的一端通過支管23與外設(shè)出流體通道32連通，另一端與導(dǎo)流槽21相通；將兩塊導(dǎo)流極板2夾住一塊膜電極1即構(gòu)成一電池單元，將各電池單元通過連接桿串接在一起，并接入冷卻單元和監(jiān)控單元即構(gòu)成燃料電池。在本實施例中，所述的三根外設(shè)進流體通道31分別為外設(shè)進燃料氫氣通道、外設(shè)進氧化劑空氣通道和外設(shè)進冷卻水通道；所述的三根外設(shè)出流體通道32分別為外設(shè)出燃料氫氣通道、外設(shè)出氧化劑空氣通道和外設(shè)出冷卻水通道；所述的外設(shè)流體通道采用不銹鋼管材。
實施例3請參考圖1、圖2、圖3，一種改進型燃料電池，包括一片膜電極1、兩塊導(dǎo)流極板2、六根外設(shè)流體通道3(有兩根圖未示)、兩根連接桿(圖未示)、一套冷卻單元(圖未示)、一套監(jiān)控單元(圖未示)，所述的各膜電極1為質(zhì)子交換膜兩側(cè)附著催化劑及多孔性碳紙構(gòu)成，所述的各導(dǎo)流極板2設(shè)有導(dǎo)流槽21，所述的外設(shè)流體通道3包括三根外設(shè)進流體通道31、三根外設(shè)出流體通道32，所述的各導(dǎo)流極板2一端面設(shè)有進流孔22，該進流孔的一端通過支管23與外設(shè)進流體通道31連通，另一端與導(dǎo)流槽21相通，所述的各導(dǎo)流極板2的另一端面設(shè)有出流孔24，該出流孔的一端通過支管23與外設(shè)出流體通道32連通，另一端與導(dǎo)流槽21相通；將兩塊導(dǎo)流極板2夾住一塊膜電極1并通過連接桿串接在一起，再接入冷卻單元和監(jiān)控單元即構(gòu)成燃料電池。在本實施例中，所述的三根外設(shè)進流體通道31分別為外設(shè)進燃料氫氣通道、外設(shè)進氧化劑空氣通道和外設(shè)進冷卻水通道；所述的三根外設(shè)出流體通道32分別為外設(shè)出燃料氫氣通道、外設(shè)出氧化劑空氣通道和外設(shè)出冷卻水通道；所述的外設(shè)流體通道采用工程塑料管材。
實施例4請參考圖1、圖2、圖3，一種改進型燃料電池，包括六片膜電極1、七塊導(dǎo)流極板2、一根外設(shè)流體通道3、四根連接桿(圖未示)、一套冷卻單元(圖未示)、一套監(jiān)控單元(圖未示)，所述的各膜電極1為質(zhì)子交換膜兩側(cè)附著催化劑及多孔性碳紙構(gòu)成，所述的各導(dǎo)流極板2設(shè)有導(dǎo)流槽21，所述的一根外設(shè)流體通道3為外設(shè)進氧化劑通道31，該外設(shè)進氧化劑通道采用不銹鋼管材，所述的各導(dǎo)流極板2一端面設(shè)有進流孔22，該進流孔的一端通過支管23與外設(shè)進氧化劑通道31連通，另一端與導(dǎo)流槽21相通，所述的各導(dǎo)流極板2的另一端面設(shè)有出流孔24，該出流孔的一端與導(dǎo)流槽21相通，另一端通過支管23與大氣相通；將兩塊導(dǎo)流極板2夾住一塊膜電極1即構(gòu)成一電池單元，將各電池單元通過連接桿串接在一起，并接入冷卻單元和監(jiān)控單元即構(gòu)成燃料電池。在本實施例中，燃料氫氣通道、冷卻水通道均設(shè)在電池內(nèi)部。
權(quán)利要求1.一種改進型燃料電池，包括至少一膜電極、至少二導(dǎo)流極板、至少一連接桿、一冷卻單元、一監(jiān)控單元，所述的各膜電極為質(zhì)子交換膜兩側(cè)附著催化劑及多孔性碳紙構(gòu)成，所述的各導(dǎo)流極板設(shè)有導(dǎo)流槽，其特征在于，還包括至少一外設(shè)流體通道、至少一支管，所述的各導(dǎo)流極板一端面設(shè)有進流孔，該進流孔的一端通過支管與外設(shè)流體通道連通，另一端與導(dǎo)流槽相通，所述的各導(dǎo)流極板的另一端面設(shè)有出流孔，該出流孔與導(dǎo)流槽相通；將兩塊導(dǎo)流極板夾住一塊膜電極即構(gòu)成一電池單元，將各電池單元通過連接桿串接在一起，并接入冷卻單元和監(jiān)控單元即構(gòu)成燃料電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改進型燃料電池，其特征在于，所述的外設(shè)流體通道包括外設(shè)進流體通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改進型燃料電池，其特征在于，所述的外設(shè)流體通道還包括外設(shè)出流體通道，該外設(shè)出流體通道通過支管與出流孔連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改進型燃料電池，其特征在于，所述的外設(shè)流體通道包括外設(shè)燃料氫氣通道。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種改進型燃料電池，其特征在于，所述的外設(shè)流體通道還包括外設(shè)氧化劑通道。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種改進型燃料電池，其特征在于，所述的外設(shè)流體通道還包括外設(shè)冷卻水通道。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改進型燃料電池，其特征在于，所述的外設(shè)流體通道采用工程塑料或不銹鋼管材。
專利摘要本實用新型涉及一種改進型燃料電池，包括至少一膜電極、至少二導(dǎo)流極板、至少一外設(shè)流體通道、至少一支管、至少一連接桿、一冷卻單元、一監(jiān)控單元，將兩塊導(dǎo)流極板夾住一塊膜電極即構(gòu)成一電池單元，將各電池單元通過連接桿串接在一起，并接入冷卻單元和監(jiān)控單元即構(gòu)成燃料電池。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型極板和膜電極的有效面積大、流體傳輸阻力小、制造成本低、安裝方便。
文檔編號H01M8/04GK2476106SQ0123926
公開日2002年2月6日 申請日期2001年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月11日
發(fā)明者胡里清 申請人:上海神力科技有限公司