專利名稱：便攜式中小功率質(zhì)子交換膜燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種便攜式中小功率質(zhì)子交換膜燃料電池。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種直接將存貯在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。
目前，在中國專利CN02158872.4中描述了一種常壓空氣做氧源的低功率質(zhì)子交換膜燃料電池及其系統(tǒng)，采用表面修飾過的金屬板為雙極板，常壓空氣做氧源，空氣從電池堆側(cè)面?zhèn)让孢M(jìn)入，從相對應(yīng)的另一側(cè)面流出，是一種小功率電源系統(tǒng)。然而上述專利存在以下不足質(zhì)量較重，體積較大。
在中國專利CN200410031172.1中描述了一種自呼吸空氣的便攜式電源，只要加入燃料便會(huì)從空氣中呼吸氧氣，安靜地進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，不斷地輸出電能，是一種便利的便攜式電源。由于采用了自呼吸空氣結(jié)構(gòu)，這就限制了燃料電池的輸出功率范圍，一般最大只能輸出幾十瓦，不能廣泛適用于需要較大中小功率電源的應(yīng)用場合。
在美國專利No.6190791中描述了一種系統(tǒng)，包括質(zhì)子交換膜燃料電池與為該電池提供空氣的壓縮機(jī)，以及與之相匹配的驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的膨脹機(jī)。上述專利存在系統(tǒng)復(fù)雜、輔助件較多、增加了電池系統(tǒng)的重量和體積等不足。
在美國專利No.5,514,486與No.5,595,834中描述了一種便攜式燃料電池堆的實(shí)例，一單元電池包括一固態(tài)聚合物電解質(zhì)膜，膜的兩側(cè)分別是陽極(燃料電極)與陰極(氧電極)；燃料流場板和氧流場板分別設(shè)置在陽極(燃料電極)與陰極(氧電極)的側(cè)邊上，金屬分隔板設(shè)置在燃料流場板和氧流場板之間；通過將這些部分相互集成從而形成了單元電池，多個(gè)單元電池相互集成從而形成整體結(jié)構(gòu)的電池堆。然而在上述專利中，存在著以下問題采用了金屬分隔板，一方面增加了電堆重量與體積，另一方面增加了電堆的接觸界面，導(dǎo)致了內(nèi)阻增大，而且金屬表面易被腐蝕，從而降低整個(gè)電池堆的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供了一種便攜式中小功率質(zhì)子交換膜燃料電池。
本發(fā)明的目的是提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池，該電池是一種低溫燃料電池，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好、壽命長、比功率高等特點(diǎn)。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案便攜式中小功率質(zhì)子交換膜燃料電池，包括端板、導(dǎo)流片、燃料單極板、膜電極、雙極板、氧單極板，依次安裝構(gòu)成燃料電池電堆，其特點(diǎn)是端板、導(dǎo)流片、燃料單極板、膜電極、雙極板、氧單極板中心有孔，各孔串聯(lián)組合后形成電堆空氣通道。
電池采用反應(yīng)物空氣供給與電池冷卻相結(jié)合的集成設(shè)計(jì)。電池采用風(fēng)冷形式，冷卻源為反應(yīng)物空氣。
本發(fā)明還可以采用如下技術(shù)措施所述的便攜式中小功率質(zhì)子交換膜燃料電池，其特點(diǎn)是端板、導(dǎo)流片和燃料單極板、膜電極、雙極板、氧單極板中心孔中間由緊固螺栓串聯(lián)組裝在一起。
所述的便攜式中小功率質(zhì)子交換膜燃料電池，其特點(diǎn)是電堆的緊固靠中心孔處的一根螺栓配合墊片、螺母使用方案，通過壓力的傳遞使電池堆壓緊。
所述的便攜式中小功率質(zhì)子交換膜燃料電池，其特點(diǎn)是端板外側(cè)中心孔處，安裝有直流風(fēng)扇。
所述的便攜式中小功率質(zhì)子交換膜燃料電池，其特點(diǎn)是兩端板外側(cè)中心孔處，安裝有兩個(gè)直流風(fēng)扇。空氣從電堆兩端中心孔處進(jìn)入電堆的空氣主管道，然后從單體電池中心孔處進(jìn)入電池氧流場區(qū)域。
所述的便攜式中小功率質(zhì)子交換膜燃料電池，其特點(diǎn)是雙極板為石墨雙極板，石墨雙極板上有氫氣進(jìn)出氣孔。
所述的便攜式中小功率質(zhì)子交換膜燃料電池，其特點(diǎn)是雙極板陽極側(cè)有外密封圈和內(nèi)密封圈，兩密封圈之間是燃料流場區(qū)域。
所述的便攜式中小功率質(zhì)子交換膜燃料電池，其特點(diǎn)是雙極板陰極側(cè)是內(nèi)周與外周均與大氣直接相通的氧流場區(qū)域，陰極側(cè)在氫氣進(jìn)出孔周圍設(shè)有陰極密封圈。
本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果1、本發(fā)明采用了反應(yīng)物空氣供給與電池冷卻相結(jié)合的集成設(shè)計(jì)技術(shù)，簡化了電堆組成。
2、本發(fā)明采用了從電堆兩端中心孔處，通過小型直流風(fēng)扇進(jìn)空氣，經(jīng)過空氣主管道，從每個(gè)單體電池的中心孔處流入空氣，然后從電池陰極流場四周與大氣相通的流道口處流出，隨著空氣的有效流動(dòng)，一方面可以將電池反應(yīng)生成物水排放，另一方面可以對電池起到良好的散熱作用，提高了散熱效率。
3、本發(fā)明采用中間一根螺栓配合墊片、螺母緊固電堆，省去了傳統(tǒng)電堆中四周使用均勻分布的緊固螺栓，簡化了緊固部件，電堆更緊湊、美觀、輕便。
4、本發(fā)明采用石墨雙極板，因而電池組結(jié)構(gòu)緊湊，可以有效地降低重量、減小體積；同時(shí)大大地減少電堆組件數(shù)量、安裝難度，以及電池接觸表面的數(shù)量和接觸電阻，降低電池內(nèi)阻，從而提高電池比功率等優(yōu)點(diǎn)。
5、本發(fā)明采用了小型直流風(fēng)扇代替自呼吸方式，為電堆提供空氣，增大了電堆可用空氣的流量和流速，從而可以有效地提高電池的輸出功率，擴(kuò)大輸出功率范圍，可以廣泛地適用于中小功率電源(0-500w)需求的應(yīng)用場合。
本發(fā)明便攜式中小功率質(zhì)子交換膜燃料電池，與通常的加溫、加壓質(zhì)子交換膜燃料電池相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明具有能量轉(zhuǎn)換效率高、輸出功率范圍廣、適用性廣等優(yōu)點(diǎn)。因此，本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于多種場合，例如用作野外通訊、電動(dòng)助力車、電子終端設(shè)備等的清潔能源。


圖1是本發(fā)明便攜式中小功率質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為電池的空氣流向示意圖；圖3為電池雙極板陽極側(cè)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為電池雙極板陰極側(cè)結(jié)構(gòu)示意圖。
其中1-端板，2-導(dǎo)流片，3-燃料單極板，4-膜電極，5-石墨雙極板，6-氧單極板，7-直流風(fēng)扇，8-緊固螺栓，9-空氣主管道，10-外密封圈，11-內(nèi)密封圈，12-燃料流場區(qū)域，13-氫氣進(jìn)出孔，14-陰極流場區(qū)域，15-流道口，16-密封圈。
具體實(shí)施例方式
為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，茲列舉以下實(shí)例并進(jìn)行詳細(xì)說明如下實(shí)施例1參照附圖1、圖2、圖3和圖4。
便攜式中小功率質(zhì)子交換膜燃料電池，如圖1，包括端板1、導(dǎo)流片2、燃料單極板3、膜電極4、石墨雙極板5、氧單極板6依次安裝構(gòu)成燃料電池電堆單元；端板1、導(dǎo)流片2、燃料單極板3、膜電極4、石墨雙極板5、氧單極板6中心有孔，各孔串聯(lián)組合后形成電堆空氣主管道9。中間的一根緊固螺栓8配合墊片、螺母，通過壓力的傳遞使電池堆壓緊。石墨雙極板5陽極側(cè)有外密封圈10和內(nèi)密封圈11，兩密封圈之間是燃料流場區(qū)域12。石墨雙極板5陰極側(cè)是內(nèi)周與外周均與大氣直接相通的氧流場區(qū)域，陰極側(cè)在氫氣進(jìn)出孔13周圍設(shè)有陰極密封圈16。
兩端板1外側(cè)中心主管道9處，安裝有兩個(gè)直流風(fēng)扇7?？諝鈴碾姸褍啥酥行目滋庍M(jìn)入電堆的空氣主管道9，然后從單體電池中心孔處進(jìn)入電池氧流場區(qū)域。電池采用反應(yīng)物空氣供給與電池冷卻相結(jié)合的集成設(shè)計(jì)。電池采用風(fēng)冷形式，冷卻源為反應(yīng)物空氣。
電池的反應(yīng)物燃料為氫氣，氧為空氣中所含的氧氣，通過固定在電堆兩端外側(cè)中心孔處的小型直流風(fēng)扇7為電池提供空氣，風(fēng)扇的額定電壓為12V，風(fēng)壓為4.3mmH2O柱。
圖2為電池的空氣流向分布示意圖，空氣由電堆兩端的小型直流風(fēng)扇7提供，并從電堆兩端外側(cè)中心孔處進(jìn)入電堆內(nèi)部空氣的主管道9，然后從單體電池中心孔處進(jìn)入陰極流場區(qū)域14，最后從陰極流場四周與大氣相通的流道口15流出。通過空氣在電池中的流動(dòng)，一方面既可以為電池提供反應(yīng)物氧氣，另一方面可以將電池反應(yīng)物生成物水排放，以及對電池起到冷卻、散熱作用。
圖3、圖4為電池的雙極板示意圖，圖3為雙極板陽極側(cè)示意圖，其中外密封圈10和內(nèi)密封圈11對反應(yīng)物氫氣起到密封作用，將氫氣與空氣隔離開，保證了電池的安全性。外密封圈10和內(nèi)密封圈11之間是燃料流場區(qū)域12，氫氣通過氫氣進(jìn)出孔13進(jìn)出燃料流場區(qū)域12。反應(yīng)物氫氣在該區(qū)域、在膜電極4陽極側(cè)催化劑的作用下發(fā)生反應(yīng)，生成氫離子和帶負(fù)電的電子，氫離子以水合形式通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極側(cè)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子導(dǎo)電。圖4為雙極板陰極側(cè)示意圖，空氣從中心孔處進(jìn)入陰極流場區(qū)域14，在膜電極4陰極側(cè)催化劑的作用下，與氫離子反應(yīng)生成水。空氣與生成物水從陰極流場四周與大氣相通的流道口15流出。陰極流場區(qū)域上氫氣進(jìn)出孔13周圍是陰極密封圈16，它將氫氣與空氣隔離開。
本發(fā)明是一種便攜式中小功率質(zhì)子交換膜燃料電池，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小、能量轉(zhuǎn)換效率高、輸出功率范圍大，適用性廣等優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1一種便攜式中小功率質(zhì)子交換膜燃料電池，包括端板(1)、導(dǎo)流片(2)、燃料單極板(3)、膜電極(4)、雙極板(5)、氧單極板(6)，依次安裝構(gòu)成燃料電池電堆單元；其特征是端板(1)、導(dǎo)流片(2)、燃料單極板(3)、膜電極(4)、雙極板(5)、氧單極板(6)中心有孔，各孔串聯(lián)組合后，形成電堆的空氣主管道(9)。
2根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式中小功率質(zhì)子交換膜燃料電池，其特征是端板(1)、導(dǎo)流片(2)、燃料單極板(3)、膜電極(4)、雙極板(5)、氧單極板(6)中心孔中間由緊固螺栓(8)串聯(lián)組裝在一起。
3根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式中小功率質(zhì)子交換膜燃料電池，其特征是電堆的緊固靠中心孔處的一根螺栓，配合墊片、螺母對電堆進(jìn)行緊固。
4根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式中小功率質(zhì)子交換膜燃料電池，其特征是端板(1)外側(cè)中心孔處，安裝有直流風(fēng)扇(7)。
5根據(jù)權(quán)利要求3所述的便攜式中小功率質(zhì)子交換膜燃料電池，其特征是兩端板(1)外側(cè)中心孔處，安裝有兩個(gè)直流風(fēng)扇(7)。
6根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式中小功率質(zhì)子交換膜燃料電池，其特征是雙極板(5)為石墨雙極板，石墨雙極板(5)上有氫氣進(jìn)出氣孔(13)。
7根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式中小功率質(zhì)子交換膜燃料電池，其特征是雙極板(5)陽極側(cè)有外密封圈(10)和內(nèi)密封圈(11)，兩密封圈之間是燃料流場區(qū)域(12)。
8根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式中小功率質(zhì)子交換膜燃料電池，其特征是雙極板(5)陰極側(cè)是內(nèi)周與外周均與大氣直接相通的氧流場區(qū)域，陰極側(cè)在氫氣進(jìn)出孔(13)周圍設(shè)有陰極密封圈(16)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種便攜式中小功率質(zhì)子交換膜燃料電池。本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域。便攜式中小功率質(zhì)子交換膜燃料電池，包括端板、導(dǎo)流片、燃料單極板、膜電極、雙極板、氧單極，板依次安裝構(gòu)成燃料電池電堆單元；其特點(diǎn)是端板、導(dǎo)流片、燃料單極板、膜電極、雙極板、氧單極板中心有孔，各孔串聯(lián)組合后形成電堆空氣主管道。采用中間一根螺栓配合墊片、螺母對電堆進(jìn)行緊固。電池反應(yīng)物空氣供給與電池冷卻相結(jié)合，反應(yīng)物空氣由小型直流風(fēng)扇提供。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小、能量轉(zhuǎn)換效率高、輸出功率范圍大、適用性廣等優(yōu)點(diǎn)，屬于清潔能源。
文檔編號H01M8/10GK1949576SQ20051001539
公開日2007年4月18日 申請日期2005年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月14日
發(fā)明者任麗彬, 虞靖, 金靜, 李勇輝, 劉浩杰, 張遙 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所