CN100590921C - 质子交换膜燃料电池 - Google Patents

Abstract

一种质子交换膜燃料电池，包括质子交换膜、正负极催化层、正负极扩散层、正负极导流板、氢气发生器，氢气发生器具有反应室，反应室中装有反应液体和反应固体，反应固体朝向反应液体，反应固体与反应液体接触时产生氢气，反应室具有柔性室壁，柔性室壁的一侧表面与反应液体或反应固体相接，另一侧表面与大气相接，氢气压力与大气压力分别作用于柔性室壁的两侧表面上，使柔性室壁发生形变，从而带动反应液体与反应固体作相对运动，由此实现氢气按需产生，流量自动调节，压力自动控制，从而保证质子交换膜燃料电池稳定可靠工作，它比能量高、结构简单、安全可靠、使用方便。

Description

质子交换膜燃料电池

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池，特别涉及反应液体与反应固体接触产生氢气作为燃料的质子交换膜燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池是将氢和氧的化学能通过电化学反应直接转化为电能的高效洁静发电系统，具有极其广阔的应用前景。质子交换膜燃料电池由质子交换膜、正负极催化层、正负极扩散层、正负极导流板、氢源等构成，质子交换膜位于正、负极催化层之间，正、负极扩散层分别位于正、负极催化层的外侧，正、负极导流板分别位于正、负极扩散层的外侧，其工作原理是：

来自氢源的氢分子通过负极导流板、负极扩散层到达负极催化层解离成质子和电子；质子通过质子交换膜到达正极催化层；电子通过负极扩散层、负极导流板、负载、正极导流板、正极扩散层到达正极催化层；来自空气等氧源的氧分子通过正极导流板、正极扩散层到达正极催化层；上述质子、电子、氧分子在正极催化层复合成水分子。电极反应和电池反应为：

负极反应：H₂＝2H⁺+2e

正极反应：2H⁺+2e+0.5O₂＝H₂O

电池反应：H₂+0.5O₂＝H₂O

目前质子交换膜燃料电池通常采用高压气态储氢、低温液态储氢、金属氢化物固态储氢、有机物重整制氢等氢源供氢，存在比能量低、结构复杂、安全性差、使用不便等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种质子交换膜燃料电池，它比能量高、结构简单、安全可靠、使用方便。

本发明的目的是这样实现的：

一种质子交换膜燃料电池，包括质子交换膜、正负极催化层、正负极扩散层、正负极导流板、氢气发生器，质子交换膜位于正、负极催化层之间，正、负极扩散层分别位于正、负极催化层的外侧，正、负极导流板分别位于正、负极扩散层的外侧，其特征在于：所述氢气发生器具有反应室，反应室中装有反应液体和反应固体，反应固体朝向反应液体，反应固体与反应液体接触时产生氢气，反应室具有柔性室壁，柔性室壁的一侧表面与反应液体或反应固体相接，另一侧表面与大气相接，氢气压力与大气压力分别作用于柔性室壁的两侧表面上，使柔性室壁发生形变，从而带动反应液体与反应固体作相对运动：

当氢气压力较小时，柔性室壁受大气压力作用变形，反应室的容积减小，反应液体与反应固体的接触面积加大，从而加快氢气产生；

当氢气压力较大时，柔性室壁克服大气压力作用变形，反应室的容积增大，反应液体与反应固体的接触面积减少，从而减慢氢气产生。

由此实现氢气按需产生，流量自动调节，压力自动控制，从而保证质子交换膜燃料电池稳定可靠工作。

所述柔性室壁是弹性室壁。

所述氢气发生器的壳体内装有弹性袋囊，所述反应室由弹性袋囊构成，弹性袋囊的囊壁构成反应室的柔性室壁，其内侧表面与反应液体相接，外侧表面经壳体底部的通气孔与大气相接，壳体的顶盖上有导气管，反应固体固接在导气管的下端，导气管的下部有导气孔与反应室连通，导气管的上部与供气管连接，其连接处装有气液分离膜，导气管上装有安全阀。

所述氢气发生器的壳体内装有弹性袋囊，所述反应室由壳体和弹性袋囊围成，弹性袋囊的囊壁构成反应室的柔性室壁，其外侧表面的底端与反应固体固接，内侧表面通过通气管与大气相接，壳体的顶盖上有导气管，弹性袋囊顶端固接在导气管的下端，导气管的下部有导气孔与反应室连通，导气管与通气管不连通，导气管的上部与供气管连接，其连接处装有气液分离膜，导气管上装有安全阀。

所述氢气发生器的壳体下部装有弹性膜片，所述反应室由壳体侧壁和弹性膜片围成，弹性膜片构成反应室的柔性室壁，其上侧表面与反应液体相接，下侧表面通过壳体底部的通气孔与大气相接，所述反应固体为多孔反应固体，反应固体固定在反应液体上方，反应固体上方装有气液分离膜，所述壳体侧壁上装有安全阀。

所述反应室内装有多孔柔性吸液体。

所述弹性袋囊的内腔中装有弹性体。

本发明主要有以下积极有益的效果：该质子交换膜燃料电池比能量高，结构简单，氢气按需产生，流量自动调节，压力自动控制，从而保证质子交换膜燃料电池安全可靠工作。反应室内可装有能吸收反应液体的多孔柔性吸液体，受挤压时放出反应液体，使该质子交换膜燃料电池可任意方向放置，使用方便。

附图概述

图1是本发明实施例一的结构示意图。

图2是本发明实施例二的结构示意图。

图3是本发明实施例三的结构示意图。

图4是本发明实施例四的结构示意图。

图5是本发明实施例五的结构示意图。

图6是本发明实施例六的结构示意图。

本发明的实施例

实施例一

请参照图1，本发明是一种质子交换膜燃料电池，包括质子交换膜、正负极催化层、正负极扩散层、正负极导流板、氢气发生器，质子交换膜10位于正极催化层11、负极催化层12之间，正极扩散层13、负极扩散层14分别位于正极催化层11、负极催化层12的外侧，正极导流板15、负极导流板16分别位于正极扩散层13、负极扩散层14的外侧。正极反应所需的氧分子通过正极导流板15呼吸空气中氧气获得，负极反应所需的氢分子通过负极导流板16连接氢气发生器获得。

氢气发生器的壳体内装有弹性袋囊103，所述反应室1由弹性袋囊103构成，弹性袋囊103可由硅橡胶、氟橡胶或聚氨酯等制成，弹性袋囊103的囊壁构成反应室1的柔性室壁，弹性袋囊103的囊壁内侧表面与反应液体101相接，弹性袋囊103的囊壁外侧表面经壳体3底部的通气孔301与大气相接。反应室1中装有反应液体101和反应固体2，反应液体101为硼氢化钠水溶液，反应固体2为多孔钌，反应固体2朝向反应液体101，反应固体2与反应液体101接触时产生氢气，反应式为：

NaBH₄+2H₂O+Ru＝NaBO₂+4H₂+Ru

壳体3的顶盖4上有导气管401，反应固体2固接在导气管401的下端，导气管401的下部有导气孔402与反应室1连通，导气管401的上部与供气管5连接，其连接处装有气液分离膜6，它可由微孔的聚四氟乙烯构成，其作用是将氢气和反应液体分离。导气管401上装有安全阀8，安全阀8可采用单向的泄压阀，其作用是防止质子交换膜燃料电池内压力过大，当压力超过限定压力时，自动泄压。

使用情况：首先，打开顶盖4，在反应室1内加入适量反应液体101，然后关好顶盖4，反应固体2与反应液体101接触进行反应产生氢气，氢气经由反应固体2自身的孔隙及导气孔402、导气管401、气液分离膜6、供气管5向负极导流板16供气。

当氢气压力较小时，弹性袋囊103的囊壁受大气压力作用收缩，反应室1的容积减小，反应液体101与反应固体2的接触面积加大，从而加快氢气产生；

当氢气压力较大时，弹性袋囊103的囊壁克服大气压力作用膨胀，反应室1的容积增大，反应液体101与反应固体2的接触面积减少，从而减慢氢气产生。

由此实现氢气按需产生，流量自动调节，压力自动控制，从而保证质子交换膜燃料电池稳定可靠工作。该质子交换膜燃料电池比能量高、结构简单、安全可靠、使用方便。

实施例二

请参照图2，本发明是一种质子交换膜燃料电池，与实施例一不同的是：反应室1内装有能吸收反应液体的多孔柔性吸液体102，如海绵，受挤压时释放出反应液体。该质子交换膜燃料电池可任意方向放置，比能量高、结构简单、安全可靠、使用方便。工作原理与实施例一相同，不复述。

实施例三

请参照图3，本发明是一种质子交换膜燃料电池，包括质子交换膜、正负极催化层、正负极扩散层、正负极导流板、氢气发生器，质子交换膜10位于正极催化层11、负极催化层12之间，正极扩散层13、负极扩散层14分别位于正极催化层11、负极催化层12的外侧，正极导流板15、负极导流板16分别位于正极扩散层13、负极扩散层14的外侧。正极反应所需的氧分子通过正极导流板15呼吸空气中氧气获得，负极反应所需的氢分子通过负极导流板16连接氢气发生器获得。

氢气发生器的壳体3内装有弹性袋囊104，反应室1由壳体3和弹性袋囊104围成，弹性袋囊104由硅橡胶、氟橡胶或聚氨酯等制成，弹性袋囊104的囊壁构成反应室1的柔性室壁，弹性袋囊104的囊壁外侧表面的底端与反应固体2固接，弹性袋囊104的囊壁内侧表面通过通气管7与大气相接。反应室1中装有反应液体101，反应液体101为硼氢化钠水溶液，反应固体2为多孔钌，反应固体2朝向反应液体101，反应固体2与反应液体101接触时产生氢气，反应式为：

NaBH₄+2H₂O+Ru＝NaBO₂+4H₂+Ru

壳体3的顶盖4上有导气管401，弹性袋囊104的顶端固接在导气管401的下端，导气管401的下部有导气孔402与反应室1连通，导气管401与通气管7不连通，导气管401的上部与供气管5连接，其连接处装有气液分离膜6，它可由微孔的聚四氟乙烯构成，其作用是将氢气和反应液体分离。导气管401上装有安全阀8，安全阀8可采用单向的泄压阀，其作用是防止质子交换膜燃料电池内压力过大，当压力超过限定压力时，自动泄压。

使用情况：首先，打开顶盖4，在反应室1内加入适量反应液体101，然后关好顶盖4，反应固体2与反应液体101接触进行反应产生氢气，氢气经由导气孔402、导气管401、气液分离膜6、供气管5向负极导流板16供气。

当氢气压力较小时，弹性袋囊104的囊壁受大气压力作用膨胀，反应室1的容积减小，反应液体101与反应固体2的接触面积加大，从而加快氢气产生；

当氢气压力较大时，弹性袋囊104的囊壁克服大气压力作用收缩，反应室1的容积增大，反应液体101与反应固体2的接触面积减少，从而减慢氢气产生。

由此实现氢气按需产生，流量自动调节，压力自动控制，从而保证质子交换膜燃料电池稳定可靠工作。该质子交换膜燃料电池比能量高、结构简单、安全可靠、使用方便。

实施例四

请参照图4，本发明是一种质子交换膜燃料电池，与实施例三不同的是：弹性袋囊104中装有弹性体9，弹性体9可以是弹簧、橡胶、海棉等，弹性体9可增加氢气的供气压力。弹性体9的弹力越大，氢气的供气压力越大。反应室1内装有能吸收反应液体的多孔柔性吸液体102，如海棉，受挤压时释放出反应液体。该质子交换膜燃料电池可任意方向放置，比能量高、结构简单、安全可靠、使用方便。工作原理与实施例三相同，不冗述。

实施例五

请参照图5，本发明是一种质子交换膜燃料电池，包括质子交换膜、正负极催化层、正负极扩散层、正负极导流板、氢气发生器，质子交换膜10位于正极催化层11、负极催化层12之间，正极扩散层13、负极扩散层14分别位于正极催化层11、负极催化层12的外侧，正极导流板15、负极导流板16分别位于正极扩散层13、负极扩散层14的外侧。正极反应所需的氧分子通过正极导流板15呼吸空气中氧气获得，负极反应所需的氢分子通过负极导流板16连接氢气发生器获得。

氢气发生器的壳体3下部装有弹性膜片105，反应室1由壳体3的侧壁和弹性膜片105围成，弹性膜片105可由硅橡胶、氟橡胶或聚氨酯等制成，弹性膜片105构成反应室1的柔性室壁，弹性膜片105的上侧表面与反应液体101相接，弹性膜片105的下侧表面通过壳体3底部的通气孔301与大气相接。反应室1中装有反应液体101和反应固体2，反应液体101为硼氢化钠水溶液，反应固体2为多孔钌，反应固体2固定在反应液体101的上方，反应固体2朝向反应液体101，反应固体2与反应液体101接触时产生氢气，反应式为：

NaBH₄+2H₂O+Ru＝NaBO₂+4H₂+Ru

反应固体2的上方装有气液分离膜6，它可由微孔的聚四氟乙烯构成，其作用是将氢气和反应液体分离。壳体3的侧壁上装有安全阀8，安全阀8可采用单向的泄压阀，其作用是防止质子交换膜燃料电池内压力过大，当压力超过限定压力时，自动泄压。

使用情况：首先，取下安全阀8，向反应室1内加入适量反应液体101，然后装上安全阀8，反应固体2与反应液体101接触进行反应产生氢气，氢气经由反应固体2自身的孔隙、气液分离膜6向负极导流板16供气。

当氢气压力较小时，弹性膜片105受大气压力作用向上凸起，反应室1的容积减小，反应液体101与反应固体2的接触面积加大，从而加快氢气产生；

当氢气压力较大时，弹性膜片105克服大气压力作用向下凹陷，反应室1的容积增大，反应液体101与反应固体2的接触面积减少，从而减慢氢气产生。

由此实现氢气按需产生，流量自动调节，压力自动控制，从而保证质子交换膜燃料电池稳定可靠工作。该质子交换膜燃料电池比能量高、结构简单、安全可靠、使用方便。

实施例六

请参照图6，本发明是一种质子交换膜燃料电池，与实施例五不同的是：反应室1内装有能吸收反应液体的多孔柔性吸液体102，如海棉，受挤压时释放出反应液体。该质子交换膜燃料电池可任意方向放置，比能量高、结构简单、安全可靠、使用方便。工作原理与实施例五相同，不赘述。

Claims (2)

1.一种质子交换膜燃料电池，包括质子交换膜、正负极催化层、正负极扩散层、正负极导流板、氢气发生器，质子交换膜位于正、负极催化层之间，正、负极扩散层分别位于正、负极催化层的外侧，正、负极导流板分别位于正、负极扩散层的外侧，其特征在于：所述氢气发生器具有反应室，反应室中装有反应液体和反应固体，反应固体朝向反应液体，反应固体与反应液体接触时产生氢气，反应室具有柔性室壁，柔性室壁的一侧表面与反应液体或反应固体相接，另一侧表面与大气相接，氢气压力与大气压力分别作用于柔性室壁的两侧表面上，使柔性室壁发生形变，从而带动反应液体与反应固体作相对运动：

当氢气压力较小时，柔性室壁受大气压力作用变形，反应室的容积减小，反应液体与反应固体的接触面积加大，从而加快氢气产生；

当氢气压力较大时，柔性室壁克服大气压力作用变形，反应室的容积增大，反应液体与反应固体的接触面积减少，从而减慢氢气产生；

所述氢气发生器的壳体内装有弹性袋囊，所述反应室由壳体和弹性袋囊围成，弹性袋囊的囊壁构成反应室的柔性室壁，其外侧表面的底端与反应固体固接，内侧表面通过通气管与大气相接，壳体的顶盖上有导气管，弹性袋囊顶端固接在导气管的下端，导气管的下部有导气孔与反应室连通，导气管与通气管不连通，导气管的上部与供气管连接，其连接处装有气液分离膜，导气管上装有安全阀。

2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池，其特征在于：所述弹性袋囊的内腔中装有弹性体。

Images