專利名稱：一種可實現(xiàn)輸出電流數(shù)倍增加輸出電壓數(shù)倍降低的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及燃料電池，尤其涉及一種可實現(xiàn)輸出電流數(shù)倍增加輸出電壓數(shù)倍降低的燃料電池。
背景技術(shù)：
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)膜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)膜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)膜電極板上的導(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。
質(zhì)子交換膜燃料電池可用作車、船等運載工具的動力系統(tǒng)，又可用作手體式、移動式、固定式的發(fā)電裝置。
質(zhì)子交換膜燃料電池輸出電流的大小與燃料電池中電極工作的有限面積有關(guān)，例如燃料電池在0.5安培/(每平方厘米膜電極)電流密度工作時，采用200平方厘米的有效膜電極即可輸出100安培電流；另一方面質(zhì)子交換膜燃料電池輸出電壓的大小與燃料電池中工作單電池個數(shù)有關(guān)，每個工作單電池的輸出電壓大約在1～0.5伏之間，將若干個工作單電池以串聯(lián)方式成燃料電池堆，那么燃料電池堆可以實現(xiàn)較高的電壓輸出。
如圖1、圖2、圖3所示，分別表示燃料電池的導(dǎo)流極板膜電極及燃料電池堆。
根據(jù)質(zhì)子交換膜燃料電池在不同功率范圍的應(yīng)用要求，在質(zhì)子交換膜燃料電池工程設(shè)計上必須考慮膜電極有效面積，導(dǎo)流極板大小、形狀以及整個質(zhì)子交換膜燃料電池堆中的單電池個數(shù)。
因為導(dǎo)流極板、膜電極有效面積大小決定了燃料電池堆的寬度與高度，以及相應(yīng)的燃料電池輸出電流的大小，而燃料電池堆中的單電池個數(shù)決定了燃料電池堆的長度與輸出電壓的大小。
所以，目前國際上著名Ballard Power System公司生產(chǎn)的質(zhì)子交換膜燃料電池堆，當用作較大功率的動力系統(tǒng)裝置或發(fā)電裝置時，其Mark9型的單個模塊單電池堆在工程設(shè)計上體現(xiàn)了燃料電池堆的寬和高較大(大約有20公分)，但用作手提式小功率發(fā)電裝置時，其另一種小型燃料電池工程設(shè)計上體現(xiàn)出燃料電池堆的寬和高較小(不超過5公分)，但為了增加輸出電壓，增加工作單電池個數(shù)其長度較長，有幾十公分長。
這種燃料電池工程設(shè)計原則上是根據(jù)質(zhì)子交換膜燃料電池在不同功率范圍的應(yīng)用要求，得到適合應(yīng)用要求的輸出電流與電壓。但是按上述目前普遍推行的燃料電池工程設(shè)計方法而成的燃料電池堆在低電壓、大電流應(yīng)用方面有其不可克服的缺陷(1)在燃料電池堆輸出大電流應(yīng)用要求時，按上述方法一般加大燃料電池堆中的每塊極板面積。但在某些特殊應(yīng)用領(lǐng)域，如電解、電鍍領(lǐng)域，要求超過一千，甚至數(shù)千安培時，依靠增大燃料電池堆中極板面積來增大其輸出電流是不可能的。
(2)在燃料電池堆輸出低電壓應(yīng)用要求時，按上述方法一般減少電池堆中的單電池個數(shù)，但在某些特殊應(yīng)用領(lǐng)域，如電解、電鍍領(lǐng)域時要求輸出電壓非常低，一般在2～5伏之間，這樣對燃料電池堆中的單電池個數(shù)的要求大約在3～10個單電池之間，這樣少的單電池數(shù)目，嚴重限制了燃料電池堆的大功率輸出。
(3)假如采用正常設(shè)計的燃料電池堆，其輸出電壓必定高于2～5伏，而輸出電流不會超過一千安培。采用整流設(shè)備將其整流成低電壓高電流，需要額外設(shè)備，并且整流效率只有80％～90％左右，浪費了大量的可貴電能。

發(fā)明內(nèi)容
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在保證燃料電池具有一般正常體積大小的前提下，可實現(xiàn)輸出電流數(shù)倍增加輸出電壓數(shù)倍降低的燃料電池。
本實用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種可實現(xiàn)輸出電流數(shù)倍增加輸出電壓數(shù)倍降低的燃料電池，包括膜電極，導(dǎo)流極板、集流母板、前端板、后端板、連接桿，所述的膜電極為質(zhì)子交換膜兩側(cè)附著催化劑及多孔性碳紙構(gòu)成，該膜電極設(shè)有導(dǎo)流孔道，所述的導(dǎo)流極板設(shè)有導(dǎo)流槽及導(dǎo)流孔道，將兩塊導(dǎo)流極板夾住一塊膜電極即構(gòu)成一單電池，將各單電池通過連接桿串接在一起，并在兩端設(shè)置集流母板構(gòu)成燃料電池堆，在該燃料電池堆兩端設(shè)置前、后端板即構(gòu)成燃料電池；其特征在于，還包括絕緣隔板，該絕緣隔板將燃料電池堆分隔成數(shù)個電池單元，每個電池單元由數(shù)個單電池組成，所述的電池單元各設(shè)有兩塊集流母板，分正、負極，將整個燃料電池堆中的數(shù)個電池單元的正極集流母板并聯(lián)在一起，同時將負極集流母板并聯(lián)在一起，構(gòu)成輸出電流是一個電池單元數(shù)倍、輸出電壓只與一個電池單元的輸出電壓相同的燃料電池堆，在該燃料電池堆兩端設(shè)置前、后端板即構(gòu)成一種可實現(xiàn)輸出電流數(shù)倍增加輸出電壓數(shù)倍降低的燃料電池。
所述的絕緣隔板可以采用聚碳酸酯板或環(huán)氧樹脂板。
所述的絕緣隔板設(shè)有與膜電極、導(dǎo)流極板及集流母板相對應(yīng)的導(dǎo)流孔道。
所述的絕緣隔板可將燃料電池堆分隔成任意個電池單元，每個電池單元由至少三個單電池組成。
所述的絕緣隔板將燃料電池堆分隔成十個電池單元，每個電池單元由四個單電池組成。
所述的絕緣隔板將燃料電池堆分隔成八個電池單元，每個電池單元由五個單電池組成。
本實用新型由于采用了以上技術(shù)方案，因此所制成的燃料電池堆在具有一般正常大小的燃料電池導(dǎo)流板與電極有效工作面積，及較多數(shù)目單電池(具有較長長度)時，同樣可以實現(xiàn)數(shù)倍地增加燃料電池電流輸出，而數(shù)倍地減少電池電壓輸出，達到在某些高電流、低電壓輸出的應(yīng)用領(lǐng)域(如電解、電鍍)的目的，這樣可以降低能耗，節(jié)省材料。


圖1為現(xiàn)有燃料電池導(dǎo)流極板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有燃料電池膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為現(xiàn)有燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為現(xiàn)有燃料電池導(dǎo)流極板、膜電極、集流母板及前后端板的排列結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本實用新型燃料電池導(dǎo)流極板、膜電極、集流母板及前后端板的排列結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖及具體比較例、實施例，對本實用新型作進一步說明。
比較例如圖4所示，按目前技術(shù)裝配與設(shè)計的質(zhì)子交換膜燃料電池堆，共有導(dǎo)流極板(帶冷卻水板的雙極板)41塊，膜電極40張，二塊正、負極集流母板，二塊前、后端板。圖中1′、4′為前后端板；2′、3′為集流母板；5′、6′、7′、……、45′為燃料電池中的導(dǎo)流極板(每塊都帶冷卻水夾板的雙極板)；點劃線表示燃料電池堆中的膜電極。
在采用氫氣為燃料，空氣為氧化劑，每張膜電極有效面積為280平方厘米，導(dǎo)流極板(帶冷卻水夾板的雙極板)的尺寸是高206毫米，寬206毫米，厚5厘米，工作壓力(氫氣、空氣)是0.5～2個大氣壓，溫度是76℃，共有40個工作單電池。
當每個工作單電池輸出0.6伏時電極工作電流密度為0.8A/平方厘米，整個燃料電池堆輸出總電壓是24伏，總電流是224安培。
目前這種正常設(shè)計的燃料電池堆的排列，輸出電流不大，輸出電壓較高；實施例1如圖5所示，一種可實現(xiàn)輸出電流十倍增加輸出電壓十倍降低的燃料電池(與比較例相比)，共有導(dǎo)流極板(帶冷卻水板的雙極板)50塊，膜電極40張，正、負極集流母板20塊，前、后端板各1塊，本例每隔四個單電池放置一塊絕緣隔板，隔板兩端放置集流板，分為十個單元，每個單元互相絕緣，但通用所有導(dǎo)流孔道，每個單元的集流母板均進行并聯(lián)連接。圖中1、30為前后端板；2、8、10、16、18、……、21、23、29為集流母板；3、4、5、6、7、11、12、13、14、15、19、……、20、24、25、26、27、28為導(dǎo)流極板(每塊都帶冷卻水夾板的雙極板)；點劃線表示膜電極；9、17、……、22為絕緣隔板。
在采用氫氣為燃料，空氣為氧化劑，每張電極有效面積為280平方厘米，導(dǎo)流極板(帶冷卻水夾板的雙極板)的尺寸是高206毫米，寬206毫米，厚5厘米，工作壓力(氫氣、空氣)是0.5～2個大氣壓，溫度是76℃，共有40個工作單電池。
當每個工作單電池輸出0.6伏時，膜電極工作電流密度為0.8A/平方厘米，整個燃料電池輸出電壓降為2.4伏，電流增加到2240安培，總功率不變。
實施例2一種可實現(xiàn)輸出電流八倍增加輸出電壓八倍降低的燃料電池(與比較例相比)，與實施例1的分隔方法類似，每隔五個單電池作為一個單元進行分隔共八個單元，然后按相同原理進行連接，結(jié)果燃料電池輸出電壓為3.0伏，電流為1792安培。
權(quán)利要求1.一種可實現(xiàn)輸出電流數(shù)倍增加輸出電壓數(shù)倍降低的燃料電池，包括膜電極，導(dǎo)流極板、集流母板、前端板、后端板、連接桿，所述的膜電極為質(zhì)子交換膜兩側(cè)附著催化劑及多孔性碳紙構(gòu)成，該膜電極設(shè)有導(dǎo)流孔道，所述的導(dǎo)流極板設(shè)有導(dǎo)流槽及導(dǎo)流孔道，將兩塊導(dǎo)流極板夾住一塊膜電極即構(gòu)成一單電池，將各單電池通過連接桿串接在一起，并在兩端設(shè)置集流母板構(gòu)成燃料電池堆，在該燃料電池堆兩端設(shè)置前、后端板即構(gòu)成燃料電池；其特征在于，還包括絕緣隔板，該絕緣隔板將燃料電池堆分隔成數(shù)個電池單元，每個電池單元由數(shù)個單電池組成，所述的電池單元各設(shè)有兩塊集流母板，分正、負極，將整個燃料電池堆中的數(shù)個電池單元的正極集流母板并聯(lián)在一起，同時將負極集流母板并聯(lián)在一起，構(gòu)成輸出電流是一個電池單元數(shù)倍、輸出電壓只與一個電池單元的輸出電壓相同的燃料電池堆，在該燃料電池堆兩端設(shè)置前、后端板即構(gòu)成一種可實現(xiàn)輸出電流數(shù)倍增加輸出電壓數(shù)倍降低的燃料電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可實現(xiàn)輸出電流數(shù)倍增加輸出電壓數(shù)倍降低的燃料電池，其特征在于，所述的絕緣隔板可以采用聚碳酸酯板或環(huán)氧樹脂板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可實現(xiàn)輸出電流數(shù)倍增加輸出電壓數(shù)倍降低的燃料電池，其特征在于，所述的絕緣隔板設(shè)有與膜電極、導(dǎo)流極板及集流母板相對應(yīng)的導(dǎo)流孔道。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可實現(xiàn)輸出電流數(shù)倍增加輸出電壓數(shù)倍降低的燃料電池，其特征在于，所述的絕緣隔板可將燃料電池堆分隔成任意個電池單元，每個電池單元由至少三個單電池組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的可實現(xiàn)輸出電流數(shù)倍增加輸出電壓數(shù)倍降低的燃料電池，其特征在于，所述的絕緣隔板將燃料電池堆分隔成十個電池單元，每個電池單元由四個單電池組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的可實現(xiàn)輸出電流數(shù)倍增加輸出電壓數(shù)倍降低的燃料電池，其特征在于，所述的絕緣隔板將燃料電池堆分隔成八個電池單元，每個電池單元由五個單電池組成。
專利摘要本實用新型涉及一種可實現(xiàn)輸出電流數(shù)倍增加輸出電壓數(shù)倍降低的燃料電池，包括膜電極，導(dǎo)流極板、集流母板、前端板、后端板、連接桿、絕緣隔板，所述的絕緣隔板將燃料電池堆分隔成數(shù)個電池單元，每個電池單元由數(shù)個單電池組成，所述的電池單元各設(shè)有兩塊集流母板，分正、負極，將整個燃料電池堆中的數(shù)個電池單元的正極集流母板并聯(lián)在一起，同時將負極集流母板并聯(lián)在一起，構(gòu)成一個可升流降壓的燃料電池。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型適用于高電流低電壓的場合，具有降低能耗，節(jié)省材料等優(yōu)點。
文檔編號H01M8/10GK2554808SQ0221765
公開日2003年6月4日 申請日期2002年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月24日
發(fā)明者胡里清, 劉成剛 申請人:上海神力科技有限公司