專利名稱：一種具有較高功率密度的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及電池，尤其涉及電化學(xué)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)一般均放在二塊導(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)流板與陰極氧化劑的導(dǎo)流板。這些導(dǎo)流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)。
根據(jù)質(zhì)子交換膜燃料電池的不同用途，其總體上的設(shè)計有很大不同。在用作小功率的可移動電源或可移動的動力電源時，質(zhì)子交換膜燃料電池的設(shè)計上采用與正常大氣壓接近的壓力下運行，因為這種電源往往要求整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積很小。
目前大量專利報道了這種小功率的可移動電源或可用作移動的動力電源的燃料電池報道如H—Power等有類似的專利報道。這些類型的小功率(小于1千瓦)的燃料電池都存在功率密度不高的缺陷，就是指燃料電池輸出功率與其系統(tǒng)重量、體積比的值，普遍都在小于＜200W/公斤的值。主要原因是1.燃料電池采用自散熱設(shè)計，主要依靠排出空氣及空氣攜帶的水來散熱，但由于空氣的比熱有限，散熱量也有限。所以常需要額外設(shè)上排熱、散熱片，從而增加了電池體積。
2.由于散熱方法不得當(dāng)，設(shè)計結(jié)構(gòu)不當(dāng)導(dǎo)致燃料電池只能在低電流密度(低功率輸出)的條件下運行，以防電池散熱來不及，所以妨礙了燃料電池的功率輸出。
3.燃料電池中的內(nèi)部關(guān)鍵部件膜電極及導(dǎo)流板的設(shè)計及它們之間的組合設(shè)計關(guān)系不足導(dǎo)致燃料電池體積增加，重量增加，而功率密度降低。
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具有較高功率密度的燃料電池。
本實用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種具有較高功率密度的燃料電池，包括可傳導(dǎo)質(zhì)子和電子的膜電極、可分別導(dǎo)入燃料與氧化劑的導(dǎo)流極板、正極板、負極板、連接拉桿、冷卻單元、監(jiān)控單元，所述的膜電極兩側(cè)附著有催化劑及多孔性碳紙，所述的導(dǎo)流極板設(shè)有導(dǎo)流槽，用兩塊導(dǎo)流極板將一張膜電極夾在中間構(gòu)成一單電池，所述的正極板、負極板將多個單電池夾緊并通過連接拉桿串接在一起構(gòu)成一燃料電池組，所述的冷卻單元對過程產(chǎn)生的熱量進行冷卻，所述的監(jiān)控單元對過程的數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，其特點是，所述的冷卻單元為一充滿去離子水的外圍水箱，所述的燃料電池組設(shè)置在該外圍水箱內(nèi)。
所述的外圍水箱內(nèi)去離子水的溫度為40～80℃。
所述的外圍水箱設(shè)有外循環(huán)去離子水管路，該管路上設(shè)有一熱交換器以及一循環(huán)泵。
所述的熱交換器可將燃料進行預(yù)熱或傳熱。
所述的導(dǎo)電極板為雙極板，該雙極板的正、反面分別設(shè)有引導(dǎo)燃料和氧化劑的導(dǎo)流槽。
還包括水板，該水板設(shè)在去離子水循環(huán)管的管口處。
所述的外圍水箱采用不銹鋼或塑料。
所述的外圍水箱設(shè)有散熱片。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下優(yōu)點1.整個燃料電池放入去離子水箱中，燃料電池生成的熱可以快速被外圍去離子水吸收帶出，燃料電池可以在高電流密度下工作，一般溫度(外圍水箱)可控制在40℃～80℃之間。
2.外圍去離子水經(jīng)泵循環(huán)可以將燃料電池的熱帶出，進入外圍的儲氫瓶內(nèi)的熱交換器，因為金屬粉末儲氫瓶里面吸附有大量的氫氣，當(dāng)氫氣放出供給燃料電池時，需要吸收大量熱，而用這種循環(huán)熱水的方法又安全，又有效。
3.這種燃料帶出內(nèi)部本身不再需要內(nèi)冷卻水進、水出的設(shè)計，燃料帶出可以均采用雙極板作為導(dǎo)流板，而不需內(nèi)夾冷卻夾板。這樣實際上平均每一塊雙極板，就有一張膜電極，增加了功率密度。
4.這種燃料電池若采用內(nèi)增濕的設(shè)計，也不需要額外供水，可以將水板經(jīng)過特殊設(shè)計加工，可以讓去離子水自由快速進入水板中，去離子的循環(huán)口正對水板，水可以快速進入水板。


圖1為本實用新型實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型實施例2的雙極板的主視圖；圖3為本實用新型實施例2的雙極板的后視圖；圖4為本實用新型實施例2的膜電極的主視圖；圖5為本實用新型實施例3的水板的主視圖；圖6為本實用新型實施例3的水板的后視圖；圖7為本實用新型實施例3的氣水增濕交換膜的主視圖。
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。
實施例1如圖1所示，為本實用新型一種具有較高功率密度的燃料電池的實施例，包括可傳導(dǎo)質(zhì)子的膜電極1、可導(dǎo)入氫氣的導(dǎo)流極板2、可導(dǎo)入空氣的導(dǎo)流極板3、正極板4、負極板5、連接拉桿(圖未示)、外圍水箱6、去離子水7、監(jiān)控單元(圖未示)，所述的膜電極1兩側(cè)附著有催化劑及多孔性碳紙，所述的導(dǎo)流極板2和導(dǎo)流極板3將一張膜電極1夾在中間構(gòu)成一單電池，所述的正極板4、負極板5將多個單電池夾緊并通過連接拉桿串接在一起構(gòu)成一燃料電池組，該燃料電池組設(shè)置在外圍水箱6內(nèi)；所述的外圍水箱采用不銹鋼或塑料材料，水箱內(nèi)去離子水的溫度控制在40～80℃，外圍水箱6設(shè)有外循環(huán)去離子水管路8，該管路上設(shè)有一熱交換器9以及一循環(huán)泵10；所述的燃料氫氣在進入電池之前經(jīng)過熱交換器9進行預(yù)熱，這種工藝既經(jīng)濟又安全。
實施例2如圖2、圖3、圖4所示，一種具有較高功率密度的燃料電池，其特點是將導(dǎo)電極板改為雙極板，該雙極板的正、反面分別設(shè)有引導(dǎo)氫氣的導(dǎo)流槽11和引導(dǎo)空氣的導(dǎo)流槽12，這樣實際上平均每一塊雙極板就有一張膜電極13，從而增加了功率密度；其余結(jié)構(gòu)與實施例1相同。
實施例3如圖5、圖6、圖7所示，一種具有較高功率密度的燃料電池，其特點是采用內(nèi)增濕設(shè)計，不需要額外供水，在實施例2的去離子水循環(huán)管的管口處設(shè)置一水板14，該水板內(nèi)設(shè)有氣水增濕交換膜15；其余結(jié)構(gòu)與實施例2相同。
權(quán)利要求1.一種具有較高功率密度的燃料電池，包括可傳導(dǎo)質(zhì)子和電子的膜電極、可分別導(dǎo)入燃料與氧化劑的導(dǎo)流極板、正極板、負極板、連接拉桿、冷卻單元、監(jiān)控單元，所述的膜電極兩側(cè)附著有催化劑及多孔性碳紙，所述的導(dǎo)流極板設(shè)有導(dǎo)流槽，用兩塊導(dǎo)流極板將一張膜電極夾在中間構(gòu)成一單電池，所述的正極板、負極板將多個單電池夾緊并通過連接拉桿串接在一起構(gòu)成一燃料電池組，所述的冷卻單元對過程產(chǎn)生的熱量進行冷卻，所述的監(jiān)控單元對過程的數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，其特征在于，所述的冷卻單元為一充滿去離子水的外圍水箱，所述的燃料電池組設(shè)置在該外圍水箱內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有較高功率密度的燃料電池，其特征在于，所述的外圍水箱內(nèi)去離子水的溫度為40～80℃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有較高功率密度的燃料電池，其特征在于，所述的外圍水箱設(shè)有外循環(huán)去離子水管路，該管路上設(shè)有一熱交換器以及一循環(huán)泵。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有較高功率密度的燃料電池，其特征在于，所述的熱交換器可將燃料進行預(yù)熱或傳熱。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有較高功率密度的燃料電池，其特征在于，所述的導(dǎo)電極板為雙極板，該雙極板的正、反面分別設(shè)有引導(dǎo)燃料和氧化劑的導(dǎo)流槽。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有較高功率密度的燃料電池，其特征在于，還包括水板，該水板設(shè)在去離子水循環(huán)管的管口處。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有較高功率密度的燃料電池，其特征在于，所述的外圍水箱采用不銹鋼或塑料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有較高功率密度的燃料電池，其特征在于，所述的外圍水箱設(shè)有散熱片。
專利摘要本實用新型涉及一種具有較高功率密度的燃料電池,包括膜電極、導(dǎo)流極板、正極板、負極板、連接拉桿、冷卻單元、監(jiān)控單元,所述的導(dǎo)流極板將一張膜電極夾在中間構(gòu)成一單電池,所述的正極板、負極板將多個單電池夾緊并通過連接拉桿串接在一起構(gòu)成一燃料電池組,所述的冷卻單元為一充滿去離子水的外圍水箱,所述的燃料電池組設(shè)置在該外圍水箱內(nèi)。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本實用新型具有功率密度高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點。
文檔編號H01M8/00GK2475147SQ01238848
公開日2002年1月30日 申請日期2001年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月13日
發(fā)明者胡里清 申請人:上海神力科技有限公司