一種採用自然空氣為氧化劑的燃料電池的製作方法
2023-04-25 04:51:11 1
專利名稱：一種採用自然空氣為氧化劑的燃料電池的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電化學燃料電池，尤其涉及一種採用自然空氣為氧化劑的燃料電池。
電化學燃料電池是一種能夠將氫燃料及氧化劑轉化成電能及反應產物的裝置。該裝置的內部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導電的材料，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電化學反應的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導電物體將發生電化學反應過程中生成的電子，通過外電路引出，構成電流迴路。
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)，並在催化劑表面上發生電化學反應，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質子交換膜，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)，並在催化劑表面上發生電化學反應得到電子，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生反應，形成反應產物。
在採用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區的催化電化學反應就產生了氫正離子(或叫質子)。質子交換膜幫助氫正離子從陽極區遷移到陰極區。除此之外，質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生爆發式反應。
在陰極區，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負離子，並與陽極區遷移過來的氫正離子反應，生成反應產物水。在採用氫氣、空氣(氧氣)的質子交換膜燃料電池中，陽極反應與陰極反應可以用以下方程式表達陽極反應陰極反應在典型的質子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導電的極板中間，每塊導電極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、衝壓或機械銑刻，形成至少一條以上的導流槽。這些導電極板可以是金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導電極板上的導流孔道與導流槽分別將燃料和氧化劑導入膜電極兩邊的陽極區與陰極區。在一個質子交換膜燃料電池單電池的構造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導流極板與陰極氧化劑的導流極板。這些導流極板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導流極板上的導流槽又作為燃料與氧化劑進入陽極、陰極表面的通道，並作為帶走燃料電池運行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通常可通過直疊的方式串聯成電池組或通過平鋪的方式聯成電池組。在直疊、串聯式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面，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、後端板及拉杆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流進口和導流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經重整後得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內冷卻通道中，將燃料電池內氫、氧電化學放熱反應生成的熱吸收並帶出電池組後進行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應的導流通道，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。
在陽極區的正氫離子遷移穿過質子交換膜，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不受影響。因此，燃料與氧化劑氣體在進入燃料電池活性區進行反應之前，必須進行溼化，以便保證膜電極中的膜處於水溼化飽和狀態。
燃料電池採用氫氣為燃料，空氣或純氧為氧化劑。一般情況下，燃料電池外圍輔助設備必須使氫或空氣強制在燃料電池內部流動，以攜帶出燃料電池內部生成的水，這種強制流動必須採用高於自然1個大氣壓的壓縮氫氣或壓縮空氣壓力才能達到，並且，為了使燃料電池內部生成的熱能快速散發，通常採用冷卻水泵使冷卻水在燃料電池內部強制流動。這種燃料電池的外部輔助運行設施如壓縮氫氣泵、壓縮空氣泵或強制空氣流動風扇，水泵等大大增加了整個燃料電池系統的複雜性以及體積與重量，而且使成本大大增加。
為了簡化燃料電池整個系統的運行，可以去掉強制流動空氣、水泵等，使燃料電池可採用自然空氣為氧化劑，而生成的熱完全可以自動靠空氣流動而散掉。這種技術在美國專利US Patent 5470671(1995年)已經提到，如
圖1、圖2、圖3所示。這種設計必須採用雙極性電極，該雙極性電極由厚碳紙、該厚碳紙兩邊貼合的離子交換膜、該離子交換膜外側貼合的碳紙構成。這種技術存在許多缺陷1、這種技術設計必須採用雙極性電極，如圖2，這種電極製作比較麻煩，因為需要較厚的碳紙A；2、採用上面的雙極性電極後，燃料端(負端)的電流引出很麻煩，如圖2中必須用金屬絲A1、A2壓入電極中，一方面金屬絲容易汙染電極，若用貴金屬如金絲等則成本太昂貴，而金屬引出後由於細小，與電極接觸面積小，電阻大，導致電流、電壓損失較大；3、採用上面雙極電極後，燃料供應很困難，因為燃料氫氣必須統一擴散到厚層碳紙中，而且增加了密封防氫氣洩露的難度；4、氫氣供應擴散阻力很大。
本實用新型的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種電極製作方便、氫氣擴散容易、密封性好、成本較低的採用自然空氣為氧化劑的燃料電池。
本實用新型的目的可以通過以下技術方案來實現一種採用自然空氣為氧化劑的燃料電池，包括膜電極、散熱導空氣流板、連接杆，其特點是，還包括可導入氫氣的石墨板，該石墨板正、反面均設有導流槽，該導流槽的周邊設有密封圈，所述的石墨板頂部設有可通達正、反面導流槽的導流孔，所述的膜電極由質子交換膜兩側附著催化劑及多孔性碳紙構成，用兩塊該膜電極將一塊石墨板夾在中間，並在膜電極外側夾上散熱導空氣流板，即構成一電池單元，將各電池單元通過連接杆串接在一起，即構成燃料電池。
還包括一密封邊框，所述的密封邊框設在膜電極周邊。
所述的散熱導空氣流板為中空框形結構。
所述的散熱導空氣流板的內側垂直向設有導流槽。
所述的散熱導空氣流板的外側垂直向設有散熱片。
還包括風機、風泵或風扇，該風機、風泵或風扇產生的強制空氣流導入散熱導空氣流板，所述的散熱導空氣流板統一用串或並聯方式連接起來，導入強制流動的空氣流。
本實用新型由於採用了以上技術方案，即電極由二張普通的三合一電極之間夾一片帶導流孔、導流槽、密封圈的雙面石墨板構成，因此具有以下優點1、電極製作方便、簡單，無需使用特別的碳紙；2、燃料供應容易，擴散速度快且均勻；3、密封性好，氫氣不會洩漏；4、不需金屬絲引出，石墨板可直接作導流板，不汙染電極，成本低。
以下結合附圖及具體實施例，對本實用新型作進一步說明。
圖1為現有技術電池組的結構示意圖；圖2為現有技術電池組的雙極性電極的剖視圖；圖3為現有技術燃料電池的結構示意圖；圖4為本實用新型電池組的結構示意圖；圖5為本實用新型電池組的膜電極及石墨板的剖視圖；圖6為圖5中膜電極結構示意圖；圖7為圖6中膜電極的有效部分的結構示意圖；圖8為圖5中石墨板的結構示意圖。
實施例1如圖4～圖8所示，一種採用自然空氣為氧化劑的燃料電池，包括膜電極1、可導入氫氣的石墨板2、散熱導空氣流板3、連接杆4。所述的膜電極1為普通三合一電極，即由一質子交換膜11、該質子交換膜兩邊附著的催化劑12、該催化劑外側各附著一碳紙13構成膜電極的有效部分，還包括一密封邊框14，所述的膜電極的有效部分與該密封邊框14結合構成膜電極；所述的石墨板2正、反面均設有導流槽21，該導流槽21的周邊設有密封圈22，石墨板2頂部設有可通達正、反面導流槽的導流孔23，石墨板2厚度大約在1-5mm之間；所述的散熱導空氣流板3也採用石墨板，它加工成框形結構；用兩塊膜電極1將一塊石墨板2夾在中間，並在膜電極1外側各夾上一散熱導空氣流板3，即構成一電池單元，將各電池單元通過連接杆4串接在一起，即構成燃料電池。
實施例2請參考圖4～圖8，一種採用自然空氣為氧化劑的燃料電池，包括膜電極1、可導入氫氣的石墨板2、散熱導空氣流板3、連接杆4。所述的膜電極1為普通三合一電極，即由一質子交換膜11、該質子交換膜兩邊附著的催化劑12、該催化劑外側各附著一碳紙13構成膜電極的有效部分，還包括一密封邊框14，所述的膜電極的有效部分與該密封邊框14結合構成膜電極；所述的石墨板2正、反面均設有導流槽21，該導流槽21的周邊設有密封圈22，石墨板2頂部設有可通達正、反面導流槽的導流孔23，石墨板2厚度大約在1-5mm之間；所述的散熱導空氣流板3也採用石墨板，它的內側垂直向設有導流槽(圖未示)，該導流槽能方便地將空氣導入；用兩塊膜電極1將一塊石墨板2夾在中間，並在膜電極1外側各夾上一散熱導空氣流板3，即構成一電池單元，將各電池單元通過連接杆4串接在一起，即構成燃料電池。
實施例3請參考圖4～圖8，一種採用自然空氣為氧化劑的燃料電池，包括膜電極1、可導入氫氣的石墨板2、散熱導空氣流板3、連接杆4。所述的膜電極1為普通三合一電極，即由一質子交換膜11、該質子交換膜兩邊附著的催化劑12、該催化劑外側各附著一碳紙13構成膜電極的有效部分，還包括一密封邊框14，所述的膜電極的有效部分與該密封邊框14結合構成膜電極；所述的石墨板2正、反面均設有導流槽21，該導流槽21的周邊設有密封圈22，石墨板2頂部設有可通達正、反面導流槽的導流孔23，石墨板2厚度大約在1-5mm之間；所述的散熱導空氣流板3也採用石墨板，它的內側垂直向設有導流槽(圖未示)，該導流槽能方便地將空氣導入，它的外側垂直向還設有散熱片(圖未示)，該散熱片能將氫氣與空氣反應所產生的熱量及時帶走，散熱導空氣流板3導入的空氣也可用強制風機、風泵或風扇產生的空氣流，這樣，所有散熱導空氣流板3內側設有導流槽，並可以統一用串或並聯方式連接起來，導入強制流動的空氣流；用兩塊膜電極1將一塊石墨板2夾在中間，並在膜電極1外側各夾上一散熱導空氣流板3，即構成一電池單元，將各電池單元通過連接杆4串接在一起，即構成燃料電池。
權利要求1.一種採用自然空氣為氧化劑的燃料電池，包括膜電極、散熱導空氣流板、連接杆，其特徵在於，還包括可導入氫氣的石墨板，該石墨板正、反面均設有導流槽，該導流槽的周邊設有密封圈，所述的石墨板頂部設有可通達正、反面導流槽的導流孔，所述的膜電極由質子交換膜兩側附著催化劑及多孔性碳紙構成，用兩塊該膜電極將一塊石墨板夾在中間，並在膜電極外側夾上散熱導空氣流板，即構成一電池單元，將各電池單元通過連接杆串接在一起，即構成燃料電池。
2.根據權利要求1所述的一種採用自然空氣為氧化劑的燃料電池，其特徵在於，還包括一密封邊框，所述的密封邊框設在膜電極周邊。
3.根據權利要求1所述的一種採用自然空氣為氧化劑的燃料電池，其特徵在於，所述的散熱導空氣流板為中空框形結構。
4.根據權利要求1所述的一種採用自然空氣為氧化劑的燃料電池，其特徵在於，所述的散熱導空氣流板的內側垂直向設有導流槽。
5.根據權利要求1所述的一種採用自然空氣為氧化劑的燃料電池，其特徵在於，所述的散熱導空氣流板的外側垂直向設有散熱片。
6.根據權利要求4所述的一種採用自然空氣為氧化劑的燃料電池，其特徵在於，還包括風機、風泵或風扇，該風機、風泵或風扇產生的強制空氣流導入散熱導空氣流板，所述的散熱導空氣流板統一用串或並聯方式連接起來，導入強制流動的空氣流。
專利摘要本實用新型涉及一種採用自然空氣為氧化劑的燃料電池,包括膜電極、可導入氫氣的石墨板、散熱導空氣流板、連接杆,所述的石墨板正、反面均設有導流槽及密封圈,所述的石墨板頂部設有導流孔,用兩塊該膜電極將一塊石墨板夾在中間,並在膜電極外側夾上散熱導空氣流板,即構成一電池單元,將各電池單元串接在一起即構成燃料電池。與現有技術相比,本實用新型的電極製作方便、氫氣擴散容易、密封性好、成本較低。
文檔編號H01M8/02GK2480995SQ0123926
公開日2002年3月6日 申請日期2001年5月11日 優先權日2001年5月11日
發明者胡裡清 申請人:上海神力科技有限公司