CN101262071A - 旋盘式质子交换膜燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋盘式质子交换膜燃料电池，它包括可绕垂直于盘面的中轴持续旋转的旋盘，所述旋盘包括具有一定厚度的盘架4和装设于盘架上的固定装置5，可以将由阳极部件1和阴极部件3夹叠的质子交换膜2固定于盘架两侧，由阴极部件构成旋盘的外壁平面，阳极部件构成旋盘内部盘室的侧壁平面。盘室和处于阴极反应气体中的旋盘外部是密封隔离的，盘室通过进气孔6、盘架中的进气道8和出气道7、以及出气孔9与阳极反应气体的通路相连。本发明可以在运行中依靠旋盘自身的旋转将反应气体均匀分布到阴极和阳极表面，并将过量的水均匀主动地排出，能方便地调节膜与电极的湿度和温度，具备较高的膜电极利用率和较低的综合成本。

Description

旋盘式质子交换膜燃料电池

技术领域：

本发明涉及一种采用固态电解质的燃料电池，特别是质子交换膜燃料电池。

背景技术：

公知的单个质子交换膜燃料电池主体结构包括依次层叠的阳极板、阳极、质子交换膜、阴极、阴极板。阳极和阴极统称电极，通常由可导电且具有良好气体透过性的碳纸或者碳布构成，与质子交换膜紧密相贴，并在各自紧贴质子交换膜的一面均匀涂覆有碳载铂催化剂。在质子交换膜燃料电池运行的过程中需要向电极供应反应气体。阳极反应气体一般是氢气，阴极反应气体一般是氧气，实际应用中通常以空气供应阴极。氢分子会在阳极的催化剂作用下离解为电子和氢离子，也即质子。氢离子可以穿过质子交换膜到达阴极，电子则可以通过与电极相接的导线从阳极流过负载再到达阴极而形成电流。在阴极，氧分子、氢离子和电子结合，放出热量，产生水。所产生的水往往以气态形式随着反应剩余的气体一起排出。

实际应用中，往往采用合适的工艺将电极和质子交换膜制成一体，称为膜电极。在多个质子交换膜燃料电池串联组成的电池堆之中，除去首尾两端的质子交换膜燃料电池外，每一质子交换膜燃料电池的阳极和相邻质子交换膜燃料电池的阴极之间由双极板相隔。所述双极板一方面紧密夹贴着膜电极，从而在电气方面达到将两相邻的质子交换膜燃料电池串联的目的；另一方面，双极板表面制有流场沟槽，在质子交换膜燃料电池的运行过程中，从位于流场沟槽始端的供气管道输入的反应气体会经过流场沟槽供应到电极表面。为了保证电极表面各处都有尽可能足量的反应气体，输入的反应气体一般是过量的。因此，所述流场沟槽的末端会和排出反应剩余气体的排气管道相连接。在大功率的质子交换膜燃料电池中，前述化学反应放出的热量不可忽略，因此在双极板内还需要设有冷却管道。

如前所述，现有的质子交换膜燃料电池主体结构具有导气与导电相结合的结构特征。对于具有较大横截面积的大功率质子交换膜燃料电池而言，现有的主体结构存在着下列不足：

首先，电极表面不同区域的供气难以达到完全均匀。为了较好地导通电流，双极板与电极之间必须有较大的接触面积，反应气体只能在双极板的流场沟槽中流动。虽然前述电极由透气的材料制成，但沿平行于电极表面方向的气体穿透阻力显然会大于沿垂直于电极表面方向的气体穿透阻力，因此，电极表面与双极板流场沟槽正对区域的反应气体浓度往往高于电极表面与双极板紧密相贴处的反应气体浓度。因此，即使在燃料电池的整体平均电流密度并不很大时，反应气体浓度较高区域的电流密度也可能已经达到了质子交换膜所允许的电流密度最大值。这一现象制约了大功率质子交换膜燃料电池性能的提高，同时也降低了膜电极的利用率。在现有的技术条件下，膜电极中的质子交换膜、电极等都具有较高的制造成本，因此，膜电极利用率的降低就相应地增加了质子交换膜燃料电池的单位功率成本。

相应地，排水和加湿不均匀也是前述具有较大横截面积的质子交换膜燃料电池的缺点。质子交换膜需要在适度润湿的情况下保持良好的质子传导能力，若水分不足，会使得质子交换膜过分干燥，从而增大质子交换膜燃料电池的等效内阻，这时往往需要采用外设的加湿装置增加输入的反应气体的湿度；而过多的水分会导致电极被水浸润，使得反应气体无法透入，这时就需要减小输入气体的湿度并希望质子交换膜燃料电池内部过多的水分可以被反应剩余的气体吹扫出去。与前述供气不匀的状况类似，电极表面与双极板流场沟槽正对的区域和紧密贴合于双极板表面的区域的含水量往往是不一致的，甚至流场沟槽始端和末端处的湿度通常也是有差别的，难以精确实现对整个质子交换膜燃料电池中湿度的平均调节。这样，就会造成不同区域的单位面积等效电阻各不相同，增大质子交换膜燃料电池在运行中的内耗；严重时，会导致质子交换膜燃料电池堆中某一或某几个单电池的失效，使得整个电池堆无法正常运行。

为解决上述问题，通常所采用的方法是对双极板流场沟槽的样式加以改进。然而，改善流场所能起到的效果是有限的，因为前述双极板的作用既包括导气又包括导电，若在某一方面特别地加以优化则往往使得另一方面的效能受到限制。并且，复杂的流场也常常会增加石墨双极板的制造难度，使成本升高。如果采用不锈钢等比较容易进行流场加工的金属材料制成双极板，则必须经过特殊的表面层处理以防止在质子交换膜燃料电池内部的酸性氛围中被腐蚀，大面积地进行表面层处理也是造成成本较高的一个原因。

综上所述，现有的质子交换膜燃料电池主体结构具有的根本缺点是导气和导电难以兼优，并由此附带产生了膜电极的利用率低，综合成本高等多个缺点。为此，需要从根本上改进质子交换膜燃料电池的主体结构，改进的核心在于实现导气与导电功能的分离。在1999年2月出版的《电化学》期刊中“质子交换膜燃料电池新结构”一文曾经公开了一种新的质子交换膜燃料电池主体结构，在该结构中，设想采用光滑不锈钢板夹贴亲水碳纸来达到将导电与导气相分离的效果。该文所设想的运行状况是：一方面碳纸和金属板、电极均有较大的接触面积，因而导电性能较好；另一方面，碳纸内的孔隙为气体流动提供了通道，在阴极反应生成的液态水会由于毛细作用而从电极传向碳纸，反应剩余的气体沿碳纸流动时可将水带出质子交换膜燃料电池。此主体结构实际上是先用碳纸取代了原有的双极板来实现导气兼导电功能，再采用金属板来实现相邻质子交换膜燃料电池间的隔离和电气串联，并未真正实现导气与导电相分离的目的。目前，也有一些提出了不同主体结构的技术方案，例如1998年11月25日公告的CN2298604Y的中国实用新型专利说明书公开了一种“列管式质子交换膜燃料电池”，2004年4月21日公告的CN2613060Y的中国实用新型专利说明书公开了一种“管状质子交换膜燃料电池”，这两者的共同点在于将质子交换膜燃料电池的膜电极制成管状，并在所述管状膜电极内外侧分别装设有合适的集电装置。管状质子交换膜燃料电池的设计虽然实现了导气与导电相分离的目的，却存在着单位体积功率密度较小、运行中产生的热量不易均匀排出、湿度的均匀调节依然难以实现等缺点。

发明内容：

本发明的目的是提出一种具备旋盘式主体结构的旋盘式质子交换膜燃料电池，所述主体结构的导电与导气效果均十分良好，可以在运行中主动地将反应气体均匀分布到电极表面各处，将反应剩余的气体和过量的水均匀主动地排出，并能均匀地调节湿度和温度，具备较高的膜电极利用率和较低的综合成本。

为实现上述目的而提出的旋盘式质子交换膜燃料电池技术方案，包括由电极夹叠质子交换膜组成的膜电极，所述电极包括分别贴于所述质子交换膜两侧的阴极和阳极，所述电极与所述质子交换膜的接触面上覆有合适的催化剂；其特征在于：包括可绕垂直于盘面的中轴持续旋转的旋盘，所述旋盘包括具有一定厚度的盘架和装设于所述盘架上的固定装置，可以将所述膜电极固定于所述盘架两侧，由所述阴极构成所述旋盘的外壁平面，所述阳极构成所述旋盘内部盘室的内壁平面，所述盘室相对于所述旋盘的外部是密封隔离的，旋盘的外部处于阴极反应气体中；阳极导气机构与所述盘室相连通；导电机构与所述电极相连接。

实现所述阳极导气机构的一种技术方案如下：所述阳极导气机构包括固定的导气端盖和封气板，以及与所述旋盘同轴同步旋转的导气盘；所述导气端盖的适当位置开有供气槽和排气槽；所述封气板上与所述供气槽和排气槽相对应的位置分别开有供气道和排气道，并在所述供气道和排气道之间，以及在所述供气道与排气道两者中靠外侧者和所述封气板外缘之间分别设有密封槽，并在所述密封槽中嵌有密封环；所述导气盘上与所述供气道和排气道相对应的位置分别设有若干供气孔和排气孔；在所述旋盘上也有和所述供气孔相对应的进气孔，所述阳极反应气体从所述供气槽通入后，经由所述供气道、供气孔和进气孔到达所述盘室，所述盘室内的反应剩余气体从盘室边缘被收集入装设于所述旋盘边缘并与所述排气孔相连通的排气管，随后依次经过所述排气孔和排气道，最后从所述排气槽中排出。

实现所述导电机构的一种技术方案如下：所述导电机构包括旋转的集电滑环与固定的电刷，所述集电滑环由良导体材料制成，安装在与所述旋盘同轴同步旋转的绝缘座套上，所述电刷与所述集电滑环之间保持良好的滑动接触。

有多种技术方案可以实现所述集电滑环与所述电极之间的导电连接。一种技术方案是所述电极的材料为可导电的多孔碳纸或者碳布，将所述膜电极固定夹贴于两张由耐腐蚀且具有良好导电性和足够强度的材料制成的电极网之间，采用导线等合适的电气连接元件将所述集电滑环与所述电极网相连。另一种技术方案是所述电极由具有足够强度的薄层泡沫金属材料构成，再采用导线等合适的电气连接元件将所述集电滑环与所述电极直接相连。

为了获得较大的总功率，需要将多个旋盘上的膜电极进行串联或者并联。为此，提出具有较大功率的旋盘式质子交换膜燃料电池技术方案，该方案中的旋盘式质子交换膜燃料电池包括固定的机座和可旋转的转子。所述一切固定的部件均以合适方式装设于所述机座上的恰当位置。除了用于固定各有关部件外，机座的作用还包括以其内壁来限制引导通入的阴极反应气体，使绝大多数阴极反应气体都能进入转子上的旋盘组中各旋盘之间的间隙而不流向他处。所述转子的转轴由所述机座上的轴承定位支承，所述转子包括由若干个同轴串叠的所述旋盘构成的旋盘组以及一切与所述旋盘同轴同步旋转的部件，所述转轴可以在外部机械的驱动下带动所述转子旋转；各相邻的所述旋盘盘面之间相互平行且相隔有合适的间距，各所述盘室均与所述阳极导气机构连通，且均相对于所述旋盘外部密封隔离；采用合适的电气连接元件将各所述旋盘的膜电极以适当方式相联接。

在较大功率的旋盘式质子交换膜燃料电池中加设有温度和湿度调节机构。实现所述温度和湿度调节机构的一种技术方案包括装设于所述机座上，布置于所述旋盘周围恰当位置的若干喷雾装置和供风装置。当所述旋盘旋转时，由所述喷雾装置产生大量雾滴细密的水雾，所述供风装置可以将混合在阴极反应气体中的水雾均匀地吹入各所述旋盘之间的间隙中，水雾将吸收所处环境中的热量而起到降温的效果。与所述旋盘外壁的阴极相接触的雾滴则既可以起到降温的作用，又可以增加所述质子交换膜的湿度。另一方面，由于所述旋盘是持续旋转的，过多的水分不会聚留在所述膜电极上，而会在离心力的作用下被甩到旋盘的边缘。只要适当地调节所述转子的转速、所述供风装置的风量和所述喷雾喷头的喷雾量三者之中的一者或多者，就可以使所述膜电极的湿度保持合适的动态平衡，从而使其处于最佳的运行状态。

由上述技术方案可知，本发明实现了质子交换膜燃料电池主体结构中导气功能与导电功能的分离，使得它们不再相互影响和制约。在此基础上，就可以对导气功能与导电功能分别进行优化而使得两者均达到最佳效果。所述膜电极在所述主体结构中也可以大面积地与反应气体均匀接触，而不会出现部分区域的反应气体不足、部分区域的湿度过高或者过低等情形，因此，不仅使得膜电极具有更高的利用率，而且降低了湿度和温度调节的难度。反应气体的均匀分布、湿度的均匀调节主要依靠在所述机座上安装的相应装置来实现，因而可以省去或简化外设的加湿装置等设备。综上所述，本发明所提出的旋盘式质子交换膜燃料电池可以在运行中将反应气体均匀分布到膜电极表面各处，并将反应剩余的气体和产生的水均匀主动地排出，而且能方便地均匀调节湿度和温度，具备较高的膜电极利用率和较低的综合成本。

附图说明：

图1为旋盘式质子交换膜燃料电池主体外部的主视图。

图2为旋盘式质子交换膜燃料电池主体内部的主视图。

图3为转子的剖视图。

图4为旋盘式质子交换膜燃料电池主体内部的右视图。

图5为旋盘的半剖右视图。

图6为盘壁压板的右视图。

图7为与图6中盘壁压板同侧的旋盘基板的左视图。

图8为旋盘内边缘有进气道处的径向横截面局部放大剖视图。

图9为旋盘外边缘有出气道处的径向横截面局部放大剖视图。

图10为前端盖的左视图。

图11为封气板的左视图。

图12为采用鼓风机送风的旋盘式质子交换膜燃料电池具体实施例的外部主视图。

以上各图中所述的主视、右视或左视均指相对于图1中旋盘式质子交换膜燃料电池主体而言。各图中所示部件或特定区域名称如下：1.机座；2.后端盖；3.封气板；4.前端盖；5.转轴；6.供气槽；7.供水管；8.通风口；9.接线柱；10.接线柱座；11.排气槽；12.供气道；13.排气道；14.封气板密封槽；15.密封环；16.导气盘；17.排气管；18.旋盘；19.排气管架；20.集电滑环；21.电刷；22.电刷座；23.轴环；24.盘室；25.进气孔；26.导气盘密封槽；27.排气孔；28.供气孔；29.喷雾喷头；30.盘壁压板；31.出气孔；32.盘箍；33.阴极网；34.膜电极；35.旋盘基板；36.阳极网；37.外缘定位块；38.出气道；39.转子的螺栓固定孔；40.进气道；41.内缘定位块；42.密封胶；43.密封圈；44.端盖及封气板的螺栓固定孔；45.鼓风机。

具体实施方式：

在下述的旋盘式质子交换膜燃料电池具体实施例中，设阳极反应气体为氢气，阴极反应气体为空气。

从图1中可见所述旋盘式质子交换膜燃料电池的机座1，后端盖2，安装在该后端盖上的接线柱座10和其上用于导出电流的接线柱9。显然，其它任何适于接通电路的导电元件都可以用来代替此接线柱。在机座1上可见向机座内的喷雾装置供水的若干条供水管7，以及供风装置的通风口8。需要特别指出：为提高供风效率，可以利用空气与旋盘间的相对运动来减小供风装置的所需功率，也即图1中上下两个通风口的空气流通方向应当与所述旋盘旋转时在顶部或者底部的速度切线方向分别相逆。

在机座1的右端装设有封气板3和前端盖4，转轴5从前端盖上伸出，氢气的供气槽6设置在前端盖上。可以通过合适的连接装置将氢气的输入管和供气槽6相连。图10示出了前端盖4与封气板3接触面的形貌，图中可见供气槽6从前端盖4的边缘一直延伸到转轴5的轴承的周边区域，在供气槽6的周围是平整的密封面，密封面与封气板3之间是密封接触的。除密封面和供气槽6以外，封气板的此侧面还设有排气槽11。图11示出了封气板11与机座1接触面的形貌，在中心处有与前端盖供气槽圆弧部分半径相等的圆形供气道12，有封气板密封槽14将供气道12环绕。

封气板3和前端盖4均可采用不锈钢等有足够强度并耐腐蚀的材料制成。前端盖上用于支承转轴的轴承是密封轴承，密封程度应足以保证供气槽内的氢气不会外泄，同时外部的空气也不会透入供气槽内。对于装配好的旋盘式质子交换膜燃料电池，在封气板密封槽14中设置有密封环15，该密封环可以采用两侧有凹槽的石墨环，在其凹槽内填充合适的脂状密封物以保证密封效果。密封环15在封气板密封槽14和导气盘密封槽26两者中都有合适的嵌入深度，且相对此两者均可滑动。具备其它结构而有足够好的密封效果的密封环也可以用于此处，对密封环的密封要求与前述密封轴承一致。

图2中对除了转子、电刷座22和电刷21之外的所有部件均以中轴线为分界予以剖视。图中可见内外两个密封环15分别嵌入封气板密封槽14后的剖视形貌，也可见前端盖4、封气板3和机座1之间相接触的密封面。后端盖2内安装有若干电刷座，电刷21装设于电刷座中，电刷座内有弹簧类元件，以保持电刷21和集电滑环20之间的良好接触。集电滑环可以采用铜等良导电金属制成并嵌在绝缘座套中，再装设于转轴上。

图3是图2中转子的剖视图。为了突出显示图3中阳极反应气体的通路，除了相邻旋盘之间的轮廓线在图中绘出外，各旋盘与排气管17之间的接合轮廓、排气管17与导气盘上的排气道27之间的接合轮廓均未绘出。在排气管17上等距开有深度和宽度合适的浅槽，使得旋盘组中的各个旋盘18可以在浅槽处和排气管17嵌接。结合处必须加以良好密封，此处的密封方案将在后文中介绍旋盘结构时予以详细说明。转子前端的导气盘16和转子后端的排气管架19既对各排气管17予以固定，又分别从前后两端将旋盘组压紧。排气管不仅用于排出盘室24内的反应剩余气体，而且具有固定旋盘间距，加固旋盘组结构的作用。导气盘16、排气管17和排气管架19都应当采用具有足够强度且耐腐蚀的材料制成。可以将排气管的尾端封闭焊接在排气管架上，也可以在排气管尾端旋刻上螺纹再使用螺帽和密封管帽将排气管尾端固定于排气管架上并予以密封。除了在固定排气管处可能需要开孔之外，排气管架上的其它区域连成整体而无另外的通孔，从而使排气管架可以将导电滑环和电刷所在的区域和充满水雾的旋盘组所在区域隔开。在转轴5的后端有轴环23，其上沿轴向开有与排气管架、旋盘和导气盘上的转子螺栓固定孔相对应的通孔，以便使用长螺栓紧固上述部件。

结合图2、图3和图7可知氢气的通路为：从供气槽6进入供气道12，再经过供气孔28到达各旋盘的进气孔25，然后经由各旋盘的进气道42通入盘室24参与反应，反应的剩余气体通过出气道38后从旋盘边缘处的出气孔31集中排入排气管17，随后从导气盘的排气孔27处进入排气道13，最后从排气槽11处被排出。在上述导气结构中需要特别指出的是，封气板3上的排气道13并不是整圆周，而是与排气孔的圆心运动轨迹对应的多段圆弧。其原因一方面在于必须对封气板上处于内圈的密封槽14所在区域予以支撑，另一方面也出于对输入气体和输出气体进行密封隔离的需要。此外，对于导气盘上旋转的排气孔而言，这样的排气道可以造成排气通路周期性通断的效果，使得氢气在盘室中的流动具有周期性的滞缓，可以增大其与盘室内壁的阳极的接触率，优化其在盘室内的均匀分布，提高氢气的利用率。

从图4中可见导气盘16与封气板接触面上的导气盘密封槽26、排气孔27、供气孔28和转子螺栓固定孔39。导气盘密封槽26和封气板密封槽中的密封环15相配套，以保证供入气体与排出气体的相互隔离，以及排出气体与空气的相互隔离。图中也可见机座侧壁上的通风口8周围都设有与供水管7相连的喷雾喷头29，在实际的旋盘式质子交换膜燃料电池中，喷雾喷头的装设数量及喷雾效果应当以能够产生均匀地充满机座内空间的细密水雾为准。水压喷雾、超声波喷雾等各种适用的喷雾方法均可采用。

旋盘是旋盘式质子交换膜燃料电池之中结构较复杂的部分，详见图5至图9。

首先，图5中水平对称轴线以上的部分均为未加以剖视时的旋盘外部形貌，包括阴极网33、盘壁压板30、旋盘外部边缘处的出气孔31和盘箍32。图6是完整的盘壁压板的右视图，可见盘壁压板中心的圆形区域是略为凸出的表面平整的圆台，这一区域中也有转子螺栓固定孔39和进气孔25。盘壁压板的另一侧表面是平整的，仅在靠近盘室区域的边缘处略为下凹，以实现对电极网和膜电极的压紧固定和边缘密封。图5中的方格网状区域示意出阴极侧的电极网，即阴极网33。阴极网是由盘壁压板30压紧其边缘而固定的。阴极网紧贴覆盖于膜电极的阴极侧表面，在旋盘中心左侧的水平对称轴线下方揭去阴极网而突出的点阵状区域即示意出膜电极34。在膜电极的阳极侧也紧贴覆盖有电极网，也即阳极网，其边缘压紧固定于旋盘基板35上。图5中旋盘中心下方的扇形三角网状区域即为揭去盘室前侧壁上的电极网与膜电极后所显露的阳极网36。为了配合盘壁压板以实现对电极网和膜电极的压紧固定和边缘密封，旋盘基板与盘壁压板相贴的一侧也是平整的，如图5中左下方四分之一扇形区域内的浅灰色部分所示。旋盘基板另一侧的形貌见图7。旋盘基板这一侧的凸出部分均处于同一平面上，两片相对拼贴的旋盘基板构成盘架，在拼贴中以一者的外缘定位块37和另一者的外缘定位块相对齐，内缘定位块41也同样对齐，以保持进气道40和出气道38在旋盘基板拼合并压紧后仍可基本维持各自的形状。由盘架和盘架两侧的膜电极所围成的空间即为盘室。在图4至图7所绘出的示例中，每个旋盘上有4个盘室。实际上，旋盘上的盘室数量可以在大于1的整数中适当选取。进气孔和进气道、出气孔和出气道的数量也是根据实际需要选取的。

电极网可以采用经过表面层处理以防腐蚀的不锈钢网，或者用其它可以抵抗腐蚀并且有足够强度，可以维持盘室侧壁基本平整的金属网。需要特别说明：阴极网和阳极网的面积和形状是完全相同的，但是膜电极，特别是膜电极中层的质子交换膜，其面积必须比两侧的电极和电极网略大，以保证隔开阳极和阴极，防止短路或漏电。

盘壁压板30和旋盘基板35都由具有足够强度的绝缘材料制成，减小旋盘基板的厚度有益于增高旋盘式质子交换膜燃料电池的体积功率密度。当然，旋盘基板过薄也会造成反应气体的流动阻力增大，此时可以提高反应气体的输入压强以保持气体的顺利流动。总之，需要根据盘室的扇形侧壁面积、每个旋盘中阳极反应气体的需求量和旋盘基板材料强度等多项因素来确定合适的旋盘基板厚度。

需要特别指出：如果采用泡沫金属制成电极，由于这样的电极自身具有足够的强度可实现盘室侧壁平面的平整和对中间的质子交换膜的支撑，则可以不需要电极网。若采用此方案，则图5中有关的名称应改为如下：阴极33，质子交换膜34，阳极36。在这一方案中，催化剂层应涂覆于质子交换膜上。因为是否采用这一方案不会对其它的结构与部件造成显著的影响，因此在下文中仍以电极网夹贴膜电极的方案为例予以介绍。

保持各旋盘内部空间与外部的良好密封隔离具有很高的重要性。以下将依照图8与图9来说明与旋盘有关的密封措施。

图8是旋盘内边缘有进气道处的径向横截面剖视图。为突出显示此处结构的详细形貌，对阴极网33、膜电极34、阳极网36和密封胶42的厚度予以了特别放大。从图中可见配对的盘壁压板30与旋盘基板35紧密相贴以夹紧边缘处的电极网和膜电极，并在夹紧处涂覆有足量的密封胶。实际上，盘壁压板与旋盘基板之间直接相贴的表面也涂有薄层密封胶，在图中未绘出。除了强化密封效果之外，这里的密封胶也起到将盘壁压板和旋盘基板胶合在一起的作用。

旋盘外边缘有出气道处的径向横截面在图9中示出。与图8中类似，在图9中对阴极网33、膜电极34和阳极网36的厚度予以了特别放大。从图中可见，在旋盘边缘处采用具有足够强度和抗腐蚀能力的金属材料制成的盘箍32将盘壁压板30箍压住。边缘处的密封依靠盘箍的压力来实现，当然，在盘壁压板和阴极网之间还应当涂覆有足量的密封胶，图中未绘出。另外，采用了横截面为U形的密封圈43套在相对拼合的两块旋盘基板的边缘，以保证阳极的反应剩余气体和可能渗漏进盘箍内空间的空气之间彻底隔离。可以使用橡胶等有弹性的材料制造密封圈。

参考图5至图7可知，在旋盘外缘与排气管17结合处设有出气孔31，以便将密封圈内的反应剩余气体收集入排气管中。上述盘箍和密封圈在出气孔处都需要开孔，在这一区域还要特别注意对阴极有关部件的密封隔离。如果排气管和盘箍采用同样的金属材料制造，则可以考虑将排气管和盘箍在结合处焊接在一起。或者，在结合处应当敷以具有足够的粘合强度的可固化密封胶来保证气体的密封隔离。

在图12中示出一种供风装置的设计方案，即将若干鼓风机45装设于机座1上通风口处，由它们将通风口上下两侧的喷雾喷头所喷出的水雾混合在空气中均匀送入各旋盘之间的间隙。相对于在转子静止时足以将膜电极润湿的喷雾量而言，在旋盘旋转时的喷雾量可以是充分过量的。当转子以合适的转速旋转时，靠近旋盘外侧的膜电极虽然容易被较多的雾滴依附，但该处依附的雾滴所受到的离心力也更大，更容易被甩至旋盘边缘；而进入到靠近旋盘内侧处的雾滴虽然相对较少，但这里更靠近旋转轴心，因此离心力也较小，从而可以允许适量的雾滴依附在此处的膜电极上。如上所述，膜电极上各处的湿度都可以保持均匀合适的动态平衡。可以依照旋盘面积和喷雾量、供风量等多项因素确定合适的转速，一般宜选取在每分钟60转以上，也可以允许在运行过程中根据实际情况对转速进行调整。当然，也可以采用其它的方案实现空气的供应，例如采用单台大功率的鼓风机和供风管道向通风口供风。

上述方案仅为本发明中各主要结构的若干优选实施方式。应当指出，在不脱离本发明基本原理和思想的前提下，可以对本发明中各部分的结构提出变型或改进，这些变型或改进也属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1. 一种旋盘式质子交换膜燃料电池，包括由电极夹叠质子交换膜组成的膜电极，所述电极包括分别贴于所述质子交换膜两侧的阴极和阳极，所述电极与所述质子交换膜的接触面上覆有合适的催化剂；其特征在于：包括可绕垂直于盘面的中轴持续旋转的旋盘，所述旋盘包括具有一定厚度的盘架和装设于所述盘架上的固定装置，可以将所述膜电极固定于所述盘架两侧，由所述阴极构成所述旋盘的外壁平面，所述阳极构成所述旋盘内部盘室的内壁平面，所述盘室相对于所述旋盘的外部是密封隔离的，旋盘的外部处于阴极反应气体中；阳极导气机构与所述盘室相连通；导电机构与所述电极相连接。

2. 根据权利要求1所述的旋盘式质子交换膜燃料电池，其特征在于：所述阳极导气机构包括固定的导气端盖和封气板，以及与所述旋盘同轴同步旋转的导气盘；所述导气端盖的适当位置开有供气槽和排气槽；所述封气板上与所述供气槽和排气槽相对应的位置分别开有供气道和排气道，并在所述供气道和排气道之间，以及在所述供气道与排气道两者中靠外侧者和所述封气板外缘之间分别设有密封道，在所述密封道中嵌有密封环；所述导气盘上与所述供气道和排气道相对应的位置分别设有若干供气孔和排气孔；在所述旋盘上有和所述供气孔相对应的进气孔，并在所述旋盘边缘设有出气孔，有排气管将所述出气孔和所述导气盘上的排气孔相连通。

3. 根据权利要求1所述的旋盘式质子交换膜燃料电池，其特征在于：所述导电机构包括旋转的集电滑环与固定的电刷，所述集电滑环由导体材料制成，安装在与所述旋盘同轴同步旋转的绝缘座套上，所述电刷与所述集电滑环之间保持良好的滑动接触。

4. 根据权利要求3所述的旋盘式质子交换膜燃料电池，其特征在于：所述电极的材料为可导电的多孔碳纸或者碳布，将所述膜电极固定夹贴于两张由耐腐蚀且具有良好导电性和足够强度的材料制成的电极网之间，采用合适的电气连接元件将所述集电滑环与所述电极网相连接。

5. 根据权利要求3所述的旋盘式质子交换膜燃料电池，其特征在于：所述电极由具有足够强度的薄层泡沫金属材料构成，采用合适的电气连接元件将所述集电滑环与所述电极相连接。

6. 根据权利要求1至5中任何一项所述的旋盘式质子交换膜燃料电池，其特征在于：包括固定的机座，所述一切固定的机构装置均以合适方式装设于所述机座上。

7. 根据权利要求6所述的旋盘式质子交换膜燃料电池，其特征在于：包括由所述机座上的轴承定位支承的转子，所述转子包括由若干个同轴串叠的所述旋盘构成的旋盘组以及一切与所述旋盘同轴同步旋转的机构装置，所述转轴可以在外部机械的驱动下带动所述转子旋转；各相邻的所述旋盘盘面之间相互平行且相隔有合适的间距，各所述旋盘的盘室均与所述阳极导气机构连通，且均相对于所述旋盘外部密封隔离；采用合适的电气连接元件将各所述旋盘的膜电极以适当方式相联接。

8. 根据权利要求6所述的旋盘式质子交换膜燃料电池，其特征在于：包括装设于所述机座上，布置于所述旋盘周围恰当位置的喷雾装置和供风装置。

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