旋盤式質子交換膜燃料電池的製作方法

2023-11-09 20:14:42 3

專利名稱：旋盤式質子交換膜燃料電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種採用固態電解質的燃料電池，特別是質子交換膜燃料電池。
背景技術：
公知的單個質子交換膜燃料電池主體結構包括依次層疊的陽極板、陽極、質子交換膜、陰極、陰極板。 陽極和陰極統稱電極，通常由可導電且具有良好氣體透過性的碳紙或者碳布構成，與質子交換膜緊密相貼， 並在各自緊貼質子交換膜的一面均勻塗覆有碳載鉑催化劑。在質子交換膜燃料電池運行的過程中需要向電 極供應反應氣體。陽極反應氣體一般是氫氣，陰極反應氣體一般是氧氣，實際應用中通常以空氣供應陰極。 氫分子會在陽極的催化劑作用下離解為電子和氫離子，也即質子。氫離子可以穿過質子交換膜到達陰極， 電子則可以通過與電極相接的導線從陽極流過負載再到達陰極而形成電流。在陰極，氧分子、氫離子和電 子結合，放出熱量，產生水。所產生的水往往以氣態形式隨著反應剩餘的氣體一起排出。實際應用中，往往採用合適的工藝將電極和質子交換膜製成一體，稱為膜電極。在多個質子交換膜燃 料電池串聯組成的電池堆之中，除去首尾兩端的質子交換膜燃料電池外，每一質子交換膜燃料電池的陽極 和相鄰質子交換膜燃料電池的陰極之間由雙極板相隔。所述雙極板一方面緊密夾貼著膜電極，從而在電氣 方面達到將兩相鄰的質子交換膜燃料電池串聯的目的；另一方面，雙極板表面制有流場溝槽，在質子交換 膜燃料電池的運行過程中，從位於流場溝槽始端的供氣管道輸入的反應氣體會經過流場溝槽供應到電極表 面。為了保證電極表面各處都有儘可能足量的反應氣體，輸入的反應氣體一般是過量的。因此，所述流場 溝槽的末端會和排出反應剩餘氣體的排氣管道相連接。在大功率的質子交換膜燃料電池中，前述化學反應 放出的熱量不可忽略，因此在雙極板內還需要設有冷卻管道。如前所述，現有的質子交換膜燃料電池主體結構具有導氣與導電相結合的結構特徵。對於具有較大橫 截面積的大功率質子交換膜燃料電池而言，現有的主體結構存在著F列不足首先，電極表面不同區域的供氣難以達到完全均勻。為了較好地導通電流，雙極板與電極之間必須有 較大的接觸面積，反應氣體只能在雙極板的流場溝槽中流動。雖然前述電極由透氣的材料製成，但沿平行 於電極表面方向的氣體穿透阻力顯然會大於沿垂直於電極表面方向的氣體穿透阻力，因此，電極表面與雙 極板流場溝槽正對區域的反應氣體濃度往往高於電極表面與雙極板緊密相貼處的反應氣體濃度。因此，即 使在燃料電池的整體平均電流密度並不很大時，反應氣體濃度較高區域的電流密度也可能已經達到了質子 交換膜所允許的電流密度最大值。這一現象制約了大功率質子交換膜燃料電池性能的提高，同時也降低了 膜電極的利用率。在現有的技術條件下，膜電極中的質子交換膜、電極等都具有較高的製造成本，因此， 膜電極利用率的降低就相應地增加了質子交換膜燃料電池的單位功率成本。相應地，排水和加溼不均勻也是前述具有較大橫截面積的質子交換膜燃料電池的缺點。質子交換膜需 要在適度潤溼的情況下保持良好的質子傳導能力，若水分不足，會使得質子交換膜過分乾燥，從而增大質 子交換膜燃料電池的等效內阻，這時往往需要採用外設的加溼裝置增加輸入的反應氣體的溼度；而過多的 水分會導致電極被水浸潤，使得反應氣體無法透入，這時就需要減小輸入氣體的溼度並希望質子交換膜燃 料電池內部過多的水分可以被反應剩餘的氣體吹掃出去。與前述供氣不勻的狀況類似，電極表面與雙極板 流場溝槽正對的區域和緊密貼合於雙極板表面的區域的含水量往往是不一致的，甚至流場溝槽始端和末端 處的溼度通常也是有差別的，難以精確實現對整個質子交換膜燃料電池中溼度的平均調節。這樣，就會造 成不同區域的單位面積等效電阻各不相同，增大質子交換膜燃料電池在運行中的內耗；嚴重時，會導致質 子交換膜燃料電池堆中某一或某幾個單電池的失效，使得整個電池堆無法正常運行。為解決上述問題，通常所採用的方法是對雙極板流場溝槽的樣式加以改進。然而，改善流場所能起到 的效果是有限的，因為前述雙極板的作用既包括導氣又包括導電，若在某一方面特別地加以優化則往往使 得另一方面的效能受到限制。並且，複雜的流場也常常會增加石墨雙極板的製造難度，使成本升高。如果 採用不鏽鋼等比較容易進行流場加工的金屬材料製成雙極板，則必須經過特殊的表面層處理以防止在質子交換膜燃料電池內部的酸性氛圍中被腐蝕，大面積地進行表面層處理也是造成成本較髙的一個原因。綜上所述，現有的質子交換膜燃料電池主體結構具有的根本缺點是導氣和導電難以兼優，並由此附帶 產生了膜電極的利用率低，綜合成本高等多個缺點。為此，需要從根本上改進質子交換膜燃料電池的主體 結構，改進的核心在於實現導氣與導電功能的分離。在1999年2月出版的《電化學》期刊中"質子交換 膜燃料電池新結構" 一文曾經公開了一種新的質子交換膜燃料電池主體結構，在該結構中，設想採用光滑 不鏽鋼板夾貼親水碳紙來達到將導電與導氣相分離的效果。該文所設想的運行狀況是 一方面碳紙和金屬 板、電極均有較大的接觸面積，因而導電性能較好；另一方面，碳紙內的孔隙為氣體流動提供了通道，在 陰極反應生成的液態水會由於毛細作用而從電極傳向碳紙，反應剩餘的氣體沿碳紙流動時可將水帶出質子 交換膜燃料電池。此主體結構實際上是先用碳紙取代了原有的雙極板來實現導氣兼導電功能，再採用金屬 板來實現相鄰質子交換膜燃料電池間的隔離和電氣串聯，並未真正實現導氣與導電相分離的目的。目前， 也有一些提出了不同主體結構的技術方案，例如1998年11月25日公告的CN2298604Y的中國實用新型 專利說明書公開了一種"列管式質子交換膜燃料電池"，2004年4月21日公告的CN2613060Y的中國實用 新型專利說明書公開了一種"管狀質子交換膜燃料電池"，這兩者的共同點在F將質子交換膜燃料電池的 膜電極製成管狀，並在所述管狀膜電極內外側分別裝設有合適的集電裝置。管狀質子交換膜燃料電池的設 計雖然實現了導氣與導電相分離的目的，卻存在著單位體積功率密度較小、運行中產生的熱量不易均勻排 出、溼度的均勻調節依然難以實現等缺點。

發明內容
本發明的目的是提出一種具備旋盤式主體結構的旋盤式質子交換膜燃料電池，所述主體結構的導電與 導氣效果均十分良好，可以在運行中主動地將反應氣體均勻分布到電極表面各處，將反應剩餘的氣體和過 量的水均勻主動地排出，並能均勻地調節溼度和溫度，具備較高的膜電極利用率和較低的綜合成本。為實現上述目的而提出的旋盤式質子交換膜燃料電池技術方案，包括由電極夾疊質子交換膜組成的膜 電極，所述電極包括分別貼於所述質子交換膜兩側的陰極和陽極，所述電極與所述質子交換膜的接觸面上 覆有合適的催化劑；其特徵在於包括可繞垂直於盤面的中軸持續旋轉的旋盤，所述旋盤包括具有一定厚 度的盤架和裝設於所述盤架上的固定裝置，可以將所述膜電極固定於所述盤架兩側，由所述陰極構成所述 旋盤的外壁平面，所述陽極構成所述旋盤內部盤室的內壁平面，所述盤室相對於所述旋盤的外部是密封隔 離的，旋盤的外部處於陰極反應氣體中；陽極導氣機構與所述盤室相連通；導電機構與所述電極相連接。實現所述陽極導氣機構的一種技術方案如下所述陽極導氣機構包括固定的導氣端蓋和封氣板，以及 與所述旋盤同軸同步旋轉的導氣盤；所述導氣端蓋的適當位置開有供氣槽和排氣槽；所述封氣板上與所述 供氣槽和排氣槽相對應的位置分別開有供氣道和排氣道，並在所述供氣道和排氣道之間，以及在所述供氣 道與排氣道兩者中靠外側者和所述封氣板外緣之間分別設有密封槽，並在所述密封槽中嵌有密封環；所述 導氣盤上與所述供氣道和排氣道相對應的位置分別設有若干供氣孔和排氣孔；在所述旋盤上也有和所述供 氣孔相對應的進氣孔，所述陽極反應氣體從所述供氣槽通入後，經由所述供氣道、供氣孔和進氣孔到達所 述盤室，所述盤室內的反應剩餘氣體從盤室邊緣被收集入裝設於所述旋盤邊緣並與所述排氣孔相連通的排 氣管，隨後依次經過所述排氣孔和排氣道，最後從所述排氣槽中排出。實現所述導電機構的一種技術方案如下所述導電機構包括旋轉的集電滑環與固定的電刷，所述集電 滑環由良導體材料製成，安裝在與所述旋盤同軸同步旋轉的絕緣座套上，所述電刷與所述集電滑環之間保 持良好的滑動接觸。有多種技術方案可以實現所述集電滑環與所述電極之間的導電連接。 一種技術方案是所述電極的材料 為可導電的多孔碳紙或者碳布，將所述膜電極固定夾貼於兩張由耐腐蝕且具有良好導電性和足夠強度的材 料製成的電極網之間，採用導線等合適的電氣連接元件將所述集電滑環與所述電極網相連。另一種技術方 案是所述電極由具有足夠強度的薄層泡沫金屬材料構成，再採用導線等合適的電氣連接元件將所述集電滑 環與所述電極直接相連。為了獲得較大的總功率，需要將多個旋盤上的膜電極進行串聯或者並聯。為此，提出具有較大功率的旋盤式質子交換膜燃料電池技術方案，該方案中的旋盤式質子交換膜燃料電池包括固定的機座和可旋轉的 轉子。所述一切固定的部件均以合適方式裝設於所述機座上的恰當位置。除了用於固定各有關部件外，機 座的作用還包括以其內壁來限制引導通入的陰極反應氣體，使絕大多數陰極反應氣體都能進入轉子上的旋 盤組中各旋盤之間的間隙而不流向他處。所述轉子的轉軸由所述機座上的軸承定位支承，所述轉子包括由 若干個同軸串疊的所述旋盤構成的旋盤組以及一切與所述旋盤同軸同步旋轉的部件，所述轉軸可以在外部 機械的驅動下帶動所述轉子旋轉；各相鄰的所述旋盤盤面之間相互平行且相隔有合適的間距，各所述盤室 均與所述陽極導氣機構連通，且均相對於所述旋盤外部密封隔離；採用合適的電氣連接元件將各所述旋盤 的膜電極以適當方式相聯接。在較大功率的旋盤式質子交換膜燃料電池中加設有溫度和溼度調節機構。實現所述溫度和溼度調節機 構的一種技術方案包括裝設於所述機座上，布置於所述旋盤周圍恰當位置的若干噴霧裝置和供風裝置。當 所述旋盤旋轉時，由所述噴霧裝置產生大量霧滴細密的水霧，所述供風裝置可以將混合在陰極反應氣體中 的水霧均勻地吹入各所述旋盤之間的間隙中，水霧將吸收所處環境中的熱量而起到降溫的效果。與所述旋 盤外壁的陰極相接觸的霧滴則既可以起到降溫的作用，又可以增加所述質子交換膜的溼度。另一方面，由 於所述旋盤是持續旋轉的，過多的水分不會聚留在所述膜電極上，而會在離心力的作用下被甩到旋盤的邊 緣。只要適當地調節所述轉子的轉速、所述供風裝置的風量和所述噴霧噴頭的噴霧量三者之中的一者或多 者，就可以使所述膜電極的溼度保持合適的動態平衡，從而使其處於最佳的運行狀態。由上述技術方案可知，本發明實現了質子交換膜燃料電池主體結構中導氣功能與導電功能的分離，使 得它們不再相互影響和制約。在此基礎上，就可以對導氣功能與導電功能分別進行優化而使得兩者均達到 最佳效果。所述膜電極在所述主體結構中也可以大面積地與反應氣體均勻接觸，而不會出現部分區域的反 應氣體不足、部分區域的溼度過高或者過低等情形，因此，不僅使得膜電極具有更高的利用率，而且降低 了溼度和溫度調節的難度。反應氣體的均勻分布、溼度的均勻調節主要依靠在所述機座上安裝的相應裝置 來實現，因而可以省去或簡化外設的加溼裝置等設備。綜上所述，本發明所提出的旋盤式質子交換膜燃料 電池可以在運行中將反應氣體均勻分布到膜電極表面各處，並將反應剩餘的氣體和產生的水均勻主動地排 出，而且能方便地均勻調節溼度和溫度，具備較高的膜電極利用率和較低的綜合成本。


圖1為旋盤式質子交換膜燃料電池主體外部的主視圖。 圖2為旋盤式質子交換膜燃料電池主體內部的主視圖。 圖3為轉子的剖視圖。圖4為旋盤式質子交換膜燃料電池主體內部的右視圖。圖5為旋盤的半剖右視圖。圖6為盤壁壓板的右視圖。圖7為與圖6中盤壁壓板同側的旋盤基板的左視圖。圖8為旋盤內邊緣有進氣道處的徑向橫截面局部放大剖視圖。圖9為旋盤外邊緣有出氣道處的徑向橫截面局部放大剖視圖。圖10為前端蓋的左視圖。圖1為封氣板的左視圖。圖12為採用鼓風機送風的旋盤式質子交換膜燃料電池具體實施例的外部主視圖。 以上各圖中所述的主視、右視或左視均指相對於圖1中旋盤式質子交換膜燃料電池主體而言。各圖中所示部件或特定區域名稱如下l.機座；2.後端蓋；3.封氣板；4.前端蓋；5.轉軸；6.供氣槽；7.供水管；8. 通風口； 9.接線柱;IO.接線柱座;ll.排氣槽;12.供氣道;13.排氣道;14.封氣板密封槽;15.密封環;16. 導氣盤；17.排氣管；18.旋盤；19.排氣管架；20.集電滑環；21.電刷；22.電刷座；23.軸環；24.盤室；25.進氣孔；26.導氣盤密封槽；27.排氣孔28.供氣孔；29.噴霧噴頭；30.盤壁壓板；31.出氣孔；32.盤箍33.陰極網；34.膜電極；35.旋盤基板；36.陽極網；37.外緣定位塊；38.出氣道；39.轉子的嫘栓固定孔；40.進 氣道；41.內緣定位塊；42.密封膠；43.密封圈；44.端蓋及封氣板的嫘栓固定孔；45.鼓風機。
具體實施例方式在下述的旋盤式質子交換膜燃料電池具體實施例中，設陽極反應氣體為氡氣，陰極反應氣體為空氣。從圖1中可見所述旋盤式質子交換膜燃料電池的機座1，後端蓋2，安裝在該後端蓋上的接線柱座10 和其上用於導出電流的接線柱9。顯然，其它任何適於接通電路的導電元件都可以用來代替此接線柱。在 機座1上可見向機座內的噴霧裝置供水的若干條供水管7，以及供風裝置的通風口8。需要特別指出為 提高供風效率，可以利用空氣與旋盤間的相對運動來減小供風裝置的所需功率，也即圖1中上下兩個通風 口的空氣流通方向應當與所述旋盤旋轉時在頂部或者底部的速度切線方向分別相逆。在機座1的右端裝設有封氣板3和前端蓋4，轉軸5從前端蓋上伸出，氫氣的供氣槽6設置在前端蓋 上。可以通過合適的連接裝置將氫氣的輸入管和供氣槽6相連。圖10示出了前端蓋4與封氣板3接觸面 的形貌，圖中可見供氣槽6從前端蓋4的邊緣一直延伸到轉軸5的軸承的周邊區域，在供氣槽6的周圍是 平整的密封面，密封面與封氣板3之間是密封接觸的。除密封面和供氣槽6以外，封氣板的此側面還設有 排氣槽11。圖11示出了封氣板11與機座1接觸面的形貌，在中心處有與前端蓋供氣槽圓弧部分半徑相等 的圓形供氣道12，有封氣板密封槽14將供氣道12環繞。封氣板3和前端蓋4均可採用不鏽鋼等有足夠強度並耐腐蝕的材料製成。前端蓋上用於支承轉軸的軸 承是密封軸承，密封程度應足以保證供氣槽內的氫氣不會外洩，同時外部的空氣也不會透入供氣槽內。對 於裝配好的旋盤式質子交換膜燃料電池，在封氣板密封槽14中設置有密封環15,該密封環可以採用兩側 有凹槽的石墨環，在其凹槽內填充合適的脂狀密封物以保證密封效果。密封環15在封氣板密封槽14和導 氣盤密封槽26兩者中都有合適的嵌入深度，且相對此兩者均可滑動。具備其它結構而有足夠好的密封效 果的密封環也可以用於此處，對密封環的密封要求與前述密封軸承一致。圖2中對除了轉子、電刷座22和電刷21之外的所有部件均以中軸線為分界予以剖視。圖中可見內外 兩個密封環15分別嵌入封氣板密封槽14後的剖視形貌，也可見前端蓋4、封氣板3和機座1之間相接觸 的密封面。後端蓋2內安裝有若干電刷座，電刷21裝設於電刷座中，電刷座內有彈簧類元件，以保持電 刷21和集電滑環20之間的良好接觸。集電滑環可以採用銅等良導電金屬製成並嵌在絕緣座套中，再裝設於轉軸上。圖3是圖2中轉子的剖視圖。為了突出顯示圖3中陽極反應氣體的通路，除了相鄰旋盤之間的輪廓線 在圖中繪出外，各旋盤與排氣管17之間的接合輪廓、排氣管17與導氣盤上的排氣道27之間的接合輪廓 均未繪出。在排氣管17上等距開有深度和寬度合適的淺槽，使得旋盤組中的各個旋盤18可以在淺槽處和 排氣管17嵌接。結合處必須加以良好密封，此處的密封方案將在後文中介紹旋盤結構時予以詳細說明。 轉子前端的導氣盤16和轉子後端的排氣管架19既對各排氣管17予以固定，又分別從前後兩端將旋盤組 壓緊。排氣管不僅用於排出盤室24內的反應剩餘氣體，而且具有固定旋盤間距，加固旋盤組結構的作用。 導氣盤16、排氣管17和排氣管架19都應當採用具有足夠強度且耐腐蝕的材料製成。可以將排氣管的尾端 封閉焊接在排氣管架上，也可以在排氣管尾端旋刻上螺紋再使用嫘帽和密封管帽將排氣管尾端固定於排氣 管架上並予以密封。除了在固定排氣管處可能需要開孔之外，排氣管架上的其它區域連成整體而無另外的 通孔，從而使排氣管架可以將導電滑環和電刷所在的區域和充滿水霧的旋盤組所在區域隔開。在轉軸5的 後端有軸環23，其上沿軸向開有與排氣管架、旋盤和導氣盤上的轉子螺栓固定孔相對應的通孔，以便使用 長螺栓緊固上述部件。結合圖2、圖3和圖7可知氫氣的通路為從供氣槽6進入供氣道12，再經過供氣孔28到達各旋盤 的進氣孔25，然後經由各旋盤的進氣道42通入盤室24參與反應，反應的剰餘氣體通過出氣道38後從旋 盤邊緣處的出氣孔31集中排入排氣管17，隨後從導氣盤的排氣孔27處進入排氣道13,最後從排氣槽11 處被排出。在上述導氣結構中需要特別指出的是，封氣板3上的排氣道13並不是整圓周，而是與排氣孔 的圓心運動軌跡對應的多段圓弧。其原因一方面在於必須對封氣板上處於內圉的密封槽14所在區域予以支撐，另一方面也出於對輸入氣體和輸出氣體進行密封隔離的需要。此外，對於導氣盤上旋轉的排氣孔而 言，這樣的排氣道可以造成排氣通路周期性通斷的效果，使得氫氣在盤室中的流動具有周期性的滯緩，可 以增大其與盤室內壁的陽極的接觸率，優化其在盤室內的均勻分布，提高氫氣的利用率。從圖4中可見導氣盤16與封氣板接觸面上的導氣盤密封槽26、排氣孔27、供氣孔28和轉子嫘栓固 定孔39。導氣盤密封槽26和封氣板密封槽中的密封環15相配套，以保證供入氣體與排出氣體的相互隔離， 以及排出氣體與空氣的相互隔離。圖中也可見機座側壁上的通風口 8周圍都設有與供水管7相連的噴霧噴 頭29,在實際的旋盤式質子交換膜燃料電池中，噴霧噴頭的裝設數量及噴霧效果應當以能夠產生均勻地充 滿機座內空間的細密水霧為準。水壓噴霧、超聲波噴霧等各種適用的噴霧方法均可採用。旋盤是旋盤式質子交換膜燃料電池之中結構較複雜的部分，詳見圖5至圖9。首先，圖5中水平對稱軸線以上的部分均為未加以剖視時的旋盤外部形貌，包括陰極網33、盤壁壓板 30、旋盤外部邊緣處的出氣孔31和盤箍32。圖6是完整的盤壁壓板的右視圖，可見盤壁壓板中心的圓形 區域是略為凸出的表面平整的圓臺，這一區域中也有轉子螺栓固定孔39和進氣孔25。盤壁壓板的另一側 表面是平整的，僅在靠近盤室區域的邊緣處略為下凹，以實現對電極網和膜電極的壓緊固定和邊緣密封。 圖5中的方格網狀區域示意出陰極側的電極網，即陰極網33。陰極網是由盤壁壓板30壓緊其邊緣而固定 的。陰極網緊貼覆蓋於膜電極的陰極側表面，在旋盤中心左側的水平對稱軸線下方揭去陰極網而突出的點 陣狀區域即示意出膜電極34。在膜電極的陽極側也緊貼覆蓋有電極網，也即陽極網，其邊緣壓緊固定於旋 盤基板35上。圖5中旋盤中心下方的扇形三角網狀區域即為揭去盤室前側壁上的電極網與膜電極後所顯 露的陽極網36。為了配合盤壁壓板以實現對電極網和膜電極的壓緊固定和邊緣密封，旋盤基板與盤壁壓板 相貼的一側也是平整的，如圖5中左下方四分之一扇形區域內的淺灰色部分所示。旋盤基板另一側的形貌 見圖7。旋盤基板這一側的凸出部分均處於同一平面上，兩片相對拼貼的旋盤基板構成盤架，在拼貼中以 一者的外緣定位塊37和另一者的外緣定位塊相對齊，內緣定位塊41也同樣對齊，以保持進氣道40和出 氣道38在旋盤基板拼合併壓緊後仍可基本維持各自的形狀。由盤架和盤架兩側的膜電極所圍成的空間即 為盤室。在圖4至圖7所繪出的示例中，每個旋盤上有4個盤室。實際上，旋盤上的盤室數量可以在大於 1的整數中適當選取。進氣孔和進氣道、出氣孔和出氣道的數量也是根據實際需要選取的。電極網可以採用經過表面層處理以防腐蝕的不鏽鋼網，或者用其它可以抵抗腐蝕並且有足夠強度，可 以維持盤室側壁基本平整的金屬網。需要特別說明陰極網和陽極網的面積和形狀是完全相同的，但是膜 電極，特別是膜電極中層的質子交換膜，其面積必須比兩側的電極和電極網略大，以保證隔開陽極和陰極， 防止短路或漏電。盤壁壓板30和旋盤基板35都由具有足夠強度的絕緣材料製成，減小旋盤基板的厚度有益於增高旋盤 式質子交換膜燃料電池的體積功率密度。當然，旋盤基板過薄也會造成反應氣體的流動阻力增大，此時可 以提高反應氣體的輸入壓強以保持氣體的順利流動。總之，需要根據盤室的扇形側壁面積、每個旋盤中陽 極反應氣體的需求量和旋盤基板材料強度等多項因素來確定合適的旋盤基板厚度。需要特別指出如果採用泡沫金屬製成電極，由於這樣的電極自身具有足夠的強度可實現盤室側壁平 面的平整和對中間的質子交換膜的支撐，則可以不需要電極網。若採用此方案，則圖5中有關的名稱應改 為如下陰極33,質子交換膜34,陽極36。在這一方案中，催化劑層應塗覆於質子交換膜上。因為是否 採用這一方案不會對其它的結構與部件造成顯著的影響，因此在下文中仍以電極網夾貼膜電極的方案為例 予以介紹。保持各旋盤內部空間與外部的良好密封隔離具有很高的重要性。以下將依照圖8與圖9來說明與旋盤 有關的密封措施。圖8是旋盤內邊緣有進氣道處的徑向橫截面剖視圖。為突出顯示此處結構的詳細形貌，對陰極網33、 膜電極34、陽極網36和密封膠42的厚度予以了特別放大。從圖中可見配對的盤壁壓板30與旋盤基板35 緊密相貼以夾緊邊緣處的電極網和膜電極，並在夾緊處塗覆有足量的密封膠。實際上，盤壁壓板與旋盤基 板之間直接相貼的表面也塗有薄層密封膠，在圖中未繪出。除了強化密封效果之外，這裡的密封膠也起到 將盤壁壓板和旋盤基板膠合在一起的作用。旋盤外邊緣有出氣道處的徑向橫截面在圖9中示出。與圖8中類似，在圖9中對陰極網33、膜電極 34和陽極網36的厚度予以了特別放大。從圖中可見，在旋盤邊緣處採用具有足夠強度和抗腐蝕能力的金 屬材料製成的盤糖32將盤壁壓板30箍壓住。邊緣處的密封依靠盤箍的壓力來實現，當然，在盤壁壓板和 陰極網之間還應當塗覆有足量的密封膠，圖中未繪出。另外，採用了橫截面為U形的密封圈43套在相對 拼合的兩塊旋盤基板的邊緣，以保證陽極的反應剩餘氣體和可能滲漏進盤箍內空間的空氣之間徹底隔離。 可以使用橡膠等有彈性的材料製造密封圈。參考圖5至圖7可知，在旋盤外緣與排氣管17結合處設有出氣孔31，以便將密封圉內的反應剩餘氣 體收集入排氣管中。上述盤箍和密封圈在出氣孔處都需要開孔，在這一區域還要特別注意對陰極有關部件 的密封隔離。如果排氣管和盤箍採用同樣的金屬材料製造，則可以考慮將排氣管和盤箍在結合處焊接在一 起。或者，在結合處應當敷以具有足夠的粘合強度的可固化密封膠來保證氣體的密封隔離。在圖12中示出一種供風裝置的設計方案，即將若干鼓風機45裝設於機座1上通風口處，由它們將通 風口上下兩側的噴霧噴頭所噴出的水霧混合在空氣中均勻送入各旋盤之間的間隙。相對於在轉子靜止時足 以將膜電極潤溼的噴霧量而言，在旋盤旋轉時的噴霧量可以是充分過量的。當轉子以合適的轉速旋轉時， 靠近旋盤外側的膜電極雖然容易被較多的霧滴依附，但該處依附的霧滴所受到的離心力也更大，更容易被 甩至旋盤邊緣；而進入到靠近旋盤內側處的霧滴雖然相對較少，但這裡更靠近旋轉軸心，因此離心力也較 小，從而可以允許適量的霧滴依附在此處的膜電極上。如上所述，膜電極上各處的溼度都可以保持均勻合 適的動態平衡。可以依照旋盤面積和噴霧量、供風量等多項因素確定合適的轉速， 一般宜選取在每分鐘60 轉以上，也可以允許在運行過程中根據實際情況對轉速進行調整。當然，也可以採用其它的方案實現空氣 的供應，例如採用單臺大功率的鼓風機和供風管道向通風口供風。上述方案僅為本發明中各主要結構的若干優選實施方式。應當指出，在不脫離本發明基本原理和思想 的前提下，可以對本發明中各部分的結構提出變型或改進，這些變型或改進也屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1. 一種旋盤式質子交換膜燃料電池，包括由電極夾疊質子交換膜組成的膜電極，所述電極包括分別貼於所述質子交換膜兩側的陰極和陽極，所述電極與所述質子交換膜的接觸面上覆有合適的催化劑；其特徵在於包括可繞垂直於盤面的中軸持續旋轉的旋盤，所述旋盤包括具有一定厚度的盤架和裝設於所述盤架上的固定裝置，可以將所述膜電極固定於所述盤架兩側，由所述陰極構成所述旋盤的外壁平面，所述陽極構成所述旋盤內部盤室的內壁平面，所述盤室相對於所述旋盤的外部是密封隔離的，旋盤的外部處於陰極反應氣體中；陽極導氣機構與所述盤室相連通；導電機構與所述電極相連接。
2. 根據權利要求1所述的旋盤式質子交換膜燃料電池，其特徵在於所述陽極導氣機構包括固定的導氣 端蓋和封氣板，以及與所述旋盤同軸同步旋轉的導氣盤；所述導氣端蓋的適當位置開有供氣槽和排氣槽； 所述封氣板上與所述供氣槽和排氣槽相對應的位置分別開有供氣道和排氣道，並在所述供氣道和排氣道之 間，以及在所述供氣道與排氣道兩者中靠外側者和所述封氣板外緣之間分別設有密封道，在所述密封道中 嵌有密封環；所述導氣盤上與所述供氣道和排氣道相對應的位置分別設有若干供氣孔和排氣孔；在所述旋 盤上有和所述供氣孔相對應的進氣孔，並在所述旋盤邊緣設有出氣孔，有排氣管將所述出氣孔和所述導氣 盤上的排氣孔相連通。
3. 根據權利要求1所述的旋盤式質子交換膜燃料電池，其特徵在於所述導電機構包括旋轉的集電滑環 與固定的電刷，所述集電滑環由導體材料製成，安裝在與所述旋盤同軸同步旋轉的絕緣座套上，所述電刷 與所述集電滑環之間保持良好的滑動接觸。
4. 根據權利要求3所述的旋盤式質子交換膜燃料電池，其特徵在於所述電極的材料為可導電的多孔碳 紙或者碳布，將所述膜電極固定夾貼於兩張由耐腐蝕且具有良好導電性和足夠強度的材料製成的電極網之 間，採用合適的電氣連接元件將所述集電滑環與所述電極網相連接。
5. 根據權利要求3所述的旋盤式質子交換膜燃料電池，其特徵在於所述電極由具有足夠強度的薄層泡 沫金屬材料構成，採用合適的電氣連接元件將所述集電滑環與所述電極相連接。
6. 根據權利要求1至5中任何一項所述的旋盤式質子交換膜燃料電池，其特徵在P:包括固定的機座， 所述一切固定的機構裝置均以合適方式裝設於所述機座上。
7. 根據權利要求6所述的旋盤式質子交換膜燃料電池，其特徵在於包括由所述機座上的軸承定位支承 的轉子，所述轉子包括由若干個同軸串疊的所述旋盤構成的旋盤組以及一切與所述旋盤同軸同步旋轉的機 構裝置，所述轉軸可以在外部機械的驅動下帶動所述轉子旋轉；各相鄰的所述旋盤盤面之間相互平行且相 隔有合適的間距，各所述旋盤的盤室均與所述陽極導氣機構連通，且均相對於所述旋盤外部密封隔離；採 用合適的電氣連接元件將各所述旋盤的膜電極以適當方式相聯接。
8. 根據權利要求6所述的旋盤式質子交換膜燃料電池，其特徵在於包括裝設於所述機座上，布置於所 述旋盤周圍恰當位置的噴霧裝置和供風裝置。
全文摘要
本發明公開了一種旋盤式質子交換膜燃料電池，它包括可繞垂直於盤面的中軸持續旋轉的旋盤，所述旋盤包括具有一定厚度的盤架4和裝設於盤架上的固定裝置5，可以將由陽極部件1和陰極部件3夾疊的質子交換膜2固定於盤架兩側，由陰極部件構成旋盤的外壁平面，陽極部件構成旋盤內部盤室的側壁平面。盤室和處於陰極反應氣體中的旋盤外部是密封隔離的，盤室通過進氣孔6、盤架中的進氣道8和出氣道7、以及出氣孔9與陽極反應氣體的通路相連。本發明可以在運行中依靠旋盤自身的旋轉將反應氣體均勻分布到陰極和陽極表面，並將過量的水均勻主動地排出，能方便地調節膜與電極的溼度和溫度，具備較高的膜電極利用率和較低的綜合成本。
文檔編號H01M8/02GK101262071SQ20071005161
公開日2008年9月10日 申請日期2007年3月5日 優先權日2007年3月5日
發明者浩 田 申請人:浩 田