專利名稱：自屏蔽質(zhì)子交換膜燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于燃料電池領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池(pemfc)是一種直接利用氫能的發(fā)電裝置，pemfc把貯存在 氫燃料和氧化劑中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能，而不經(jīng)過熱機過程，因此不受卡諾循環(huán)的限 制，能量轉(zhuǎn)化效率高(40%——66% );燃料電池環(huán)境友好，幾乎不排放氮和硫的氧化物，二 氧化碳的排放量也比常規(guī)發(fā)電廠減少40%以上。因此，燃料電池技術(shù)被認為是21世紀首選 的潔凈、高效的發(fā)電技術(shù)。pemfc近年來有了很大的進步，目前國外燃料電池壽命較長的有 3000多個小時，國內(nèi)為1000多小時，但是許多情況下的電池還達不到這個水平。燃料電池 至今無法滿足商業(yè)化的要求，電池壽命不長是其中最重要的原因之一。 pemfc是由多個電池組成的電堆，其內(nèi)電阻主要由質(zhì)子交換膜含水率與溫度決定， 電動勢主要由氣體和發(fā)電能力決定，電流主要由整體發(fā)電能力和外部輸出決定。當pemfc 總體發(fā)電能力滿足負載要求時，其輸出電流就會基本不變。當由于負載的突然變化要求電 流突然增大時，具體表現(xiàn)就是輸出功率瞬間加大，某個電堆氣體的傳遞速度就會出現(xiàn)小于 消耗速度，這樣這個電堆的催化劑表面就處于欠氣狀態(tài)。而如果輸出功率增加到一定值，其 某個電堆本身輸出的電壓會小于本身產(chǎn)生的電壓降，電池極性發(fā)生反轉(zhuǎn)，即發(fā)生反極現(xiàn)象。
同樣當pemfc中某個單電池由于氣體流道堵塞或發(fā)成故障無法發(fā)電時，單電池消耗同樣會 大于單電池產(chǎn)生的電動勢而發(fā)生反極現(xiàn)象。反極現(xiàn)象容易引起電池燒毀，甚至引發(fā)爆炸，即 使沒有發(fā)生危險，反極對電池造成的損害同樣很嚴重，會改變催化劑層孔結(jié)構(gòu)和扭曲結(jié)構(gòu) 等，從而影響電池壽命。 目前為了能夠有效的解決這些問題，通常把pemfc和蓄電池或超級電容器混合使 用。pemfc提供恒功率輸出，蓄電池或超級電容器提供瞬間加速或加載所需功率，減緩動力 系統(tǒng)對pemfc的加載速度。這樣， 一套發(fā)電系統(tǒng)或能量供給系統(tǒng)就包括由pemfc系統(tǒng)和蓄 電池或超級電容器系統(tǒng)的兩個電系統(tǒng)混合，既增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，又增加了系統(tǒng)重量、體 積和成本。在轎車和便攜通訊設(shè)備等嚴格限制體積和重量的場合，大大限制了 pemfc優(yōu)點 的發(fā)揮。

實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種自屏蔽質(zhì)子交換膜燃料電池，有效避 免單電池因發(fā)生反極而降低電池使用壽命。 本實用新型為解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為一種自屏蔽質(zhì)子交換膜燃 料電池，包括一個或多個單電池，所述單電池包括陽極、陰極和設(shè)置在所述陽極和陰極之間 的質(zhì)子交換膜，陽極和陰極都含有加速電極電化學反應(yīng)的催化劑，其特征在于它還包括與 所述單電池相并聯(lián)的二極管，其中二極管正極與所述陽極相聯(lián)接，二極管負極與所述陰極 相聯(lián)接。[0007] 按上述方案，所述的每個單電池均并聯(lián)一個二極管，所述陽極和陰極上分別設(shè)置 有焊接二極管的金屬片。 按上述方案，所述的二極管為鍺型二極管。 本實用新型的工作過程為質(zhì)子交換膜燃料電池由多個單電池組成，單電池包括 陽極、陰極和設(shè)置在所述陽極和陰極之間的質(zhì)子交換膜，陽極為氫燃料發(fā)生氧化的場所，陰 極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解 質(zhì)，工作時相當于一直流電源，其陽極即電源負極，陰極為電源正極。當質(zhì)子交換膜燃料電 池遇到汽車啟動、停止和路況動態(tài)變化需要瞬時大電流時，電池內(nèi)一些單電池由于突然的 變化而出現(xiàn)反極時二極管就會被導(dǎo)通，由于二極管的電阻遠遠小于單電池的電阻，出現(xiàn)反 極的燃料電池電堆會被二極管自動屏蔽；同樣當燃料電池某個單電池由于氣體流道被水堵 塞或單電池出現(xiàn)故障無法發(fā)電等情況時，單電池會由于消耗大于產(chǎn)生的電能而發(fā)生反極， 出現(xiàn)反極的單電池也會被二極管瞬間屏蔽。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果為1、有效避免單電池因發(fā)生反極而導(dǎo) 致的電極腐蝕以及催化劑中毒；2、大大增加電池的使用壽命；3、降低了電池系統(tǒng)的復(fù)雜 性；4、減少了電池的重量、體積和成本。

圖1為本實用新型一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖 圖2為陽極(陰極)的結(jié)構(gòu)示意圖
具體實施方式圖1為本實用新型一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，一種自屏蔽質(zhì)子交換膜燃料電池， 包括多個單電池，所述單電池包括陽極2、陰極3和設(shè)置在所述陽極和陰極之間的質(zhì)子交換 膜4，陽極2為氫燃料發(fā)生氧化的場所，陰極3為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極 電化學反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜4作為電解質(zhì)。工作時相當于一直流電源，其陽極即電源 負極，陰極為電源正極。本燃料電池還包括與所述單電池相并聯(lián)的二極管l，其中二極管正 極與所述陽極2相聯(lián)接，二極管負極與所述陰極3相聯(lián)接，每個單電池均并聯(lián)一個二極管， 因為每個單電池在運行過程中都有缺氣的可能性，為了增加整個燃料電池電堆的壽命需對 每個單電池進行保護。所述陽極和陰極上分別設(shè)置有焊接二極管的金屬片6，所述二極管1 與單電池連接方式采用與作為單電池陰極和陽極的碳板上的金屬片焊接，如圖2所示。 當PEMFC(質(zhì)子交換膜燃料電池)突然發(fā)生負載變化，其電流傳輸會在瞬間完成， 而PEMFC的氣體反應(yīng)則需要一定的時間來完成。在負載變化的瞬間，輸入PEMFC的瞬間氣 體流量是不變的，當這一定量的氣體從燃料電池的氣體入口進入燃料電池電堆后，由于電 流基本不變，燃料電池兩端的會需要產(chǎn)生更高的電動勢來提供給負載，這就必然導(dǎo)致兩端 的單電池消耗的氣體會有所增加，而PEMFC電堆中間的電堆會由于氣體不足無法滿足發(fā)電 需求，產(chǎn)生的電動勢降低，而燃料電池本身消耗的電動勢是大致不變的。單電池如果缺氣嚴 重，就會出現(xiàn)本身產(chǎn)生的電動勢小于消耗的電動勢而出現(xiàn)反極。 當PEMFC中有單電池由于空氣流道被水堵塞而出現(xiàn)空氣不足時，單電池會由于氣 體不足無法滿足發(fā)電需求產(chǎn)生的電動勢降低，而PEMFC本身消耗的電動勢是大致不變的。如果空氣流道5被堵塞的過于嚴重，單電池空氣提供的電動勢無法滿足其消耗，單電池就 會出現(xiàn)反極現(xiàn)象。 在PEMFC供氣足夠下正常運行時，二極管1都處于斷路狀態(tài)，而當PEMFC中一些單 電池出現(xiàn)反極時，單電池陽極電位就會比陰極電位高，當二極管的正極電壓高于負極電壓 時，二極管l就會和電堆連接形成回路，并與反極的單電池形成并聯(lián)電路。鍺型二極管電阻 很小，單電池的電阻遠遠大于二極管的電阻，由于電阻相差過大，電流會自動的選擇電阻較 小的二極管通過，所以缺氣的單電池在二極管的作用下會瞬間被短路。隨著氣體流量增加， 被屏蔽的單電池產(chǎn)生的電動勢逐漸增大，當其產(chǎn)生的電動勢大于其消耗的電動勢時，其陽 極電位就會小于陰極電位，當二極管的正極電位小于負極電位時，二極管單向?qū)щ娛沟闷?電阻突然增加到遠大于單電池的電阻，由于電阻相差過大，電流會選擇通過單電池，而二極 管1就還原為斷路的狀態(tài)。 當PEMFC中有單電池出現(xiàn)故障無法發(fā)電時，這個單電池就會成為一個負載。單電 池陽極電位就會比陰極電位高，當二極管的正極電壓高于負極電壓時，與單電池并聯(lián)的二 極管就會被導(dǎo)通，并與反極的單電池形成并聯(lián)電路。鍺型二極管電阻很小，單電池的電阻遠 遠大于二極管的電阻，由于電阻相差過大，電流會自動的選擇電阻較小的二極管通過，所以 缺氣的單電池在二極管的作用下會瞬間被短路。二極管電阻很小，其處在通路下的電功率 消耗也很小，在通路保護單電池的情況下也為PEMFC減少了功率負載。
權(quán)利要求一種自屏蔽質(zhì)子交換膜燃料電池，包括一個或多個單電池，所述單電池包括陽極、陰極和設(shè)置在所述陽極和陰極之間的質(zhì)子交換膜，陽極和陰極都含有加速電極電化學反應(yīng)的催化劑，其特征在于它還包括與所述單電池相并聯(lián)的二極管，其中二極管正極與所述陽極相聯(lián)接，二極管負極與所述陰極相聯(lián)接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自屏蔽質(zhì)子交換膜燃料電池，其特征在于所述的每個單電 池均并聯(lián)一個二極管，所述陽極和陰極上分別設(shè)置有焊接二極管的金屬片。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自屏蔽質(zhì)子交換膜燃料電池，其特征在于所述的二極 管為鍺型二極管。
專利摘要本實用新型提供一種自屏蔽質(zhì)子交換膜燃料電池，包括一個或多個單電池，所述單電池包括陽極、陰極和設(shè)置在所述陽極和陰極之間的質(zhì)子交換膜，陽極和陰極都含有加速電極電化學反應(yīng)的催化劑，其特征在于它還包括與所述單電池相并聯(lián)的二極管，其中二極管正極與所述陽極相聯(lián)接，二極管負極與所述陰極相聯(lián)接。質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)一些單電池由于突然的變化而出現(xiàn)反極時二極管就會被導(dǎo)通，由于二極管的電阻遠遠小于單電池的電阻，出現(xiàn)反極的燃料電池電堆會被二極管自動屏蔽。本實用新型能夠有效避免單電池因發(fā)生反極而導(dǎo)致的電極腐蝕以及催化劑中毒，大大增加電池的使用壽命，并且降低了電池系統(tǒng)的復(fù)雜性，減少了電池的重量、體積和成本。
文檔編號H01M8/24GK201523041SQ200920228510
公開日2010年7月7日 申請日期2009年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日
發(fā)明者劉超, 羅志平, 羅馬吉, 詹志剛 申請人:武漢理工大學