專利名稱：一種自增濕氫/空氣質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種燃料電池，具體是指一種自增濕氫/空氣質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池具有潔凈、噪音小、操作溫度低、電流密度大、能量轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)。小功率的這種燃料電池可以用作電動(dòng)自行車、電動(dòng)滑板車、電動(dòng)割草機(jī)、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)輪椅車、電動(dòng)工具等的動(dòng)力電源。這種燃料電池系統(tǒng)除了燃料電池堆之外，還需要燃料和氧化劑的供給系統(tǒng)、電子智能控制等輔助系統(tǒng)。其燃料氫的供給一般都有一個(gè)可通過調(diào)節(jié)水溫來(lái)調(diào)節(jié)氫氣濕度的對(duì)氫增濕系統(tǒng)，電池堆則有一個(gè)用水或其他液體對(duì)電池堆進(jìn)行溫度控制的液體冷卻系統(tǒng)。膜電極是電堆的核心部件。它由一張質(zhì)子交換膜和陰陽(yáng)兩個(gè)電極熱壓而成。在膜電極的陽(yáng)極側(cè)，燃料氫氣在催化劑的表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電子和質(zhì)子，質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜遷移到陰極側(cè)，并與從外電路傳導(dǎo)過來(lái)的電子結(jié)合而生成水。陽(yáng)極側(cè)的質(zhì)子在膜內(nèi)與水結(jié)合成水合質(zhì)子并在電滲力的作用下向陰極遷移，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)極側(cè)的膜脫水。雖然存在水在濃度差作用下的反滲透現(xiàn)象，但在風(fēng)機(jī)抽風(fēng)或鼓(吹)風(fēng)過程中，這種反滲透作用往往會(huì)被大大地削弱，從而使質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳導(dǎo)性能嚴(yán)重下降而危及電堆的電性能?，F(xiàn)有背景技術(shù)中存在的缺陷包括1、采用外增濕系統(tǒng)和采用壓縮機(jī)來(lái)提供高壓氧源的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的體積大、重量重、結(jié)構(gòu)不緊湊，不適于用作可移動(dòng)電源，特別不適于用作可移動(dòng)的動(dòng)力電源。
2、對(duì)采用常壓空氣作為氧源的質(zhì)子交換膜燃料電池，若采用風(fēng)機(jī)抽風(fēng)或鼓(吹)風(fēng)作為其動(dòng)力，在空氣經(jīng)過電堆雙極板的貫通式流道時(shí)，會(huì)使水從陰極向陽(yáng)極的反滲透現(xiàn)象削弱，若不對(duì)陽(yáng)極的氫氣進(jìn)行增濕，則在陽(yáng)極側(cè)的膜就會(huì)脫水，從而使本來(lái)功率較低的電堆的電性能進(jìn)一步下降。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的就是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，提供一種能克服以上缺陷、避免陽(yáng)極側(cè)的膜脫水、阻止電堆的電性能下降、工作性能穩(wěn)定優(yōu)良的自增濕氫/空氣質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)。
本實(shí)用新型的目的通過下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)所述自增濕氫/空氣質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)由電堆模塊、風(fēng)機(jī)和密封腔相互連接而成，所述電堆模塊通過密封腔與風(fēng)機(jī)相連通；所述電堆模塊由端板、集流金屬板、石墨雙極板與自增濕膜電極相互連接而組成，所述電堆模塊的兩端為端板，端板的內(nèi)側(cè)通過橡膠墊與集流金屬板相貼合，所述集流金屬板之間交替貼合多組由石墨雙極板與自增濕膜電極組成的單電池單元；所述石墨雙極板開有貫通式的空氣流道；所述端板開有氫氣的進(jìn)出口。
為了更好地實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型，所述自增濕膜電極是由質(zhì)子交換膜以及陽(yáng)極側(cè)的自增濕層和陰極側(cè)的電極催化層組成，并外覆碳紙；所述自增濕層是指將由Nafion溶液和碳載鉑(Pt/C)催化劑混合成的涂層；所述電極催化層由聚四氟乙烯(PTFE)乳液和Pt/C催化劑混合成的途層；所述石墨雙極板采用陰極面貫通式結(jié)構(gòu)雙極板；所述電堆模塊有1～2個(gè)；所述電堆模塊的工作溫度范圍為30～85℃，重量比功率在0.1～0.3W/cm2之間；所述風(fēng)機(jī)包括抽風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果本實(shí)用新型通過對(duì)膜電極的陽(yáng)極側(cè)進(jìn)行自增濕處理，燃料電池在運(yùn)行過程中不需要額外增加增濕系統(tǒng)，即水在滲透力的作用下可以從陰極滲回到陽(yáng)極，達(dá)到膜內(nèi)部的水平衡，從而實(shí)現(xiàn)燃料電池的正常穩(wěn)定運(yùn)行。雙極板采用風(fēng)冷貫通式流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，常壓空氣在風(fēng)機(jī)的作用下，流過陰極的貫通式流場(chǎng)。這樣不但提供了電堆所用的氧化劑，而且還帶走了電堆所生成的熱量和水分，起到散熱和排水的作用。用空氣冷卻電堆即用風(fēng)冷取代傳統(tǒng)的水冷卻系統(tǒng)，電堆的輸出功率可在1W～1000W的范圍。整個(gè)電堆運(yùn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、體積小、重量輕、性能優(yōu)良，可用作電動(dòng)自行車、電動(dòng)滑板車、電動(dòng)割草機(jī)、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)輪椅車、電動(dòng)工具等的動(dòng)力電源。


圖1是自增濕膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是電堆模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型采用抽風(fēng)形式的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本實(shí)用新型采用鼓風(fēng)形式的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施例一如圖1所示，將Nafion112型質(zhì)子交換膜4(美國(guó)杜邦公司產(chǎn)品)依次放入濃度為5wt.％雙氧水、去離子水、0.5M硫酸、去離子水中處理30分鐘，溫度均為80℃，然后存于去離子水中備用。將碳紙浸泡在濃度為5wt.％的聚四氟乙烯(PTFE)乳液中30分鐘，然后取出，烘干，放入馬福爐內(nèi)，在340℃下焙燒30分鐘，取出冷卻后，在其一側(cè)表面均勻涂上一層由碳黑與聚四氟乙烯乳液的混合物(重量比5∶1)，使其表面平整，晾干后在馬福爐內(nèi)于340℃焙燒30分鐘，即制得具有一定疏水性有利于氣體擴(kuò)散的碳紙1。將Pt/C催化劑與PTFE乳液的混合物(重量比4∶1)經(jīng)超聲波分散后均勻地涂抹在碳紙上，形成電極催化層2，烘干后即得到疏水性的電極。在質(zhì)子交換膜4的一側(cè)噴涂上一層由Nafion溶液(美國(guó)杜邦公司產(chǎn)品)與Pt/C催化劑的混合物(重量比7∶1)，構(gòu)成自增濕層3，再與制備好的疏水性電極熱壓成三合一膜電極，壓力為1MPa、溫度為125℃，時(shí)間為2分鐘，鉑的擔(dān)載量為0.5mg/cm2，其中有自增濕層的一側(cè)為陽(yáng)極。這樣在三合一膜電極中形成了由疏水到親水的梯度結(jié)構(gòu)。這種梯度結(jié)構(gòu)的形成有利于保證電子通道、質(zhì)子通道、水通道和氣體通道的暢通，從而使電堆能保持一個(gè)良好、穩(wěn)定的工作狀態(tài)。
如圖2所示，電堆模塊由端板7、集流金屬板9、石墨雙極板10和自增濕膜電極11相互連接而組成。電堆模塊的兩端為端板7，端板7的內(nèi)側(cè)通過橡膠墊8與集流金屬板9相貼合，集流金屬板9之間交替貼合著多組由石墨雙極板10和自增濕膜電極11所組成的單電池單元。石墨雙極板10的陰極面采用貫通式結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)即空氣流道12，端板7開有氫氣的進(jìn)口5和出口6。
本實(shí)用新型所述自增濕氫/空氣質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)由電堆模塊13、風(fēng)機(jī)14和密封腔15相互連接而組成。電堆模塊13通過密封腔15與風(fēng)機(jī)14相連通。風(fēng)機(jī)14安置在石墨雙極板10的空氣流道12的一邊，風(fēng)機(jī)是常壓空氣流動(dòng)的動(dòng)力源，在常壓下采用抽風(fēng)的方式為電池提供氧源，同時(shí)排出電堆模塊13所生成的水和廢熱。風(fēng)機(jī)14與電堆模塊13之間采用塑料板和熱熔膠密封。電堆模塊13的工作溫度可為45℃，重量比功率可達(dá)到0.3W/cm2。
實(shí)施例二如圖3所示，當(dāng)單電池單元的數(shù)目過多時(shí)，電堆模塊13采用兩個(gè)平行排列，兩電堆模塊13的石墨雙極板10出風(fēng)口的間距為60mm，風(fēng)機(jī)14安裝在兩個(gè)電堆模塊13的端板7的外側(cè)，風(fēng)機(jī)14與兩個(gè)電堆模塊13之間采用塑料板和熱熔膠密封。電堆模塊13的工作溫度為85℃，重量比功率達(dá)到0.2W/cm2。
實(shí)施例三如圖4所示，選用排氣扇或鼓風(fēng)機(jī)，排氣扇或鼓風(fēng)機(jī)14安裝在石墨雙極板10的空氣流道12的一側(cè)，采用鼓(吹)風(fēng)的方式為電堆模塊13提供氧源。其余同實(shí)施例一。電堆模塊13的工作溫度為30℃，重量比功率達(dá)到0.1W/cm2。
如上所述，即可較好地實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型。
權(quán)利要求1.一種自增濕氫/空氣質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，其特征是，它由電堆模塊、風(fēng)機(jī)和密封腔相互連接而成，所述電堆模塊通過密封腔與風(fēng)機(jī)相連通；所述電堆模塊由端板、集流金屬板、石墨雙極板與自增濕膜電極相互連接而組成，所述電堆模塊的兩端為端板，端板的內(nèi)側(cè)通過橡膠墊與集流金屬板相貼合，所述集流金屬板之間交替貼合多組由石墨雙極板與自增濕膜電極組成的單電池單元；所述石墨雙極板開有貫通式的空氣流道；所述端板開有氫氣的進(jìn)出口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種自增濕氫/空氣質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，其特征是，所述自增濕膜電極是由質(zhì)子交換膜以及陽(yáng)極側(cè)的自增濕層和陰極側(cè)的電極催化層組成，并外覆碳紙。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種自增濕氫/空氣質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，其特征是，所述自增濕層是指將由Nafion溶液和碳載鉑催化劑混合成的涂層。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種自增濕氫/空氣質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，其特征是，所述電極催化層由聚四氟乙烯乳液和碳載鉑催化劑混合成的涂層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種自增濕氫/空氣質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，其特征是，所述石墨雙極板采用陰極面貫通式結(jié)構(gòu)雙極板。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種自增濕氫/空氣質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，其特征是，所述電堆模塊有1～2個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種自增濕氫/空氣質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，其特征是，所述電堆模塊的工作溫度范圍為30～85℃，重量比功率在0.1～0.3W/cm2之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種自增濕氫/空氣質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，其特征是，所述風(fēng)機(jī)包括抽風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種自增濕氫/空氣質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，由電堆模塊、風(fēng)機(jī)和密封腔組成，電堆模塊通過密封腔與風(fēng)機(jī)相連通；電堆模塊由端板、集流金屬板、石墨雙極板與自增濕膜電極組成，電堆模塊的兩端為端板，端板的內(nèi)側(cè)與集流金屬板相貼合，集流金屬板之間交替貼合多組由石墨雙極板與自增濕膜電極組成的單電池單元；石墨雙極板開有貫通式的空氣流道；端板開有氫氣的進(jìn)出口。本實(shí)用新型采用自增濕膜電極代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃料電池的外增濕系統(tǒng)，用空氣冷卻取代水冷卻系統(tǒng)，特別適于用作便攜式電子電器、電動(dòng)自行車、電動(dòng)滑板車、電動(dòng)割草機(jī)、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)輪椅車等的動(dòng)力電源。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行穩(wěn)定，工作性能優(yōu)良。
文檔編號(hào)H01M8/10GK2852409SQ200520065158
公開日2006年12月27日 申請(qǐng)日期2005年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月29日
發(fā)明者周震濤 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)