CN103151547A

CN103151547A - 一种复合式燃料电池

Info

Publication number: CN103151547A
Application number: CN2013100860624A
Authority: CN
Inventors: 焦魁; 王大为; 邓豪
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-03-18
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2013-06-12

Abstract

本发明公开了一种复合式燃料电池，利用PEM膜燃料电池和AAEM膜燃料电池在阴阳极各自生成水量的不同，将相邻的PEM膜燃料电池和AAEM膜燃料电池组成循环，并在碳板上设置蛇形管道，以实现流体带动水在两种交换膜之间的流动，从而利用PEM膜阴极生成的水补充AAEM阴极消耗的水，同样可以利用AAEM膜阳极的生成水补充PEM膜阳极加湿所需的水。

Description

一种复合式燃料电池

技术领域

本发明属于燃料电池领域，更加具体地说，涉及一种新型复合式燃料电池，具有水管理自优由化的特点。

背景技术

目前的质子交换膜（ProtonExchangeMembrane，PEM）燃料电池会在阴极生成水，阳极消耗水。同时由于电渗拖拽（electro-osmoticdrag，EOD）作用，部分阳极的水会被拖拽到阴极，使阴极的水更多，阳极的水更少，从而导致大量的液态水堆积在阴极影响反应流体的传输，进而影响燃料电池的工作效率。同时，PEM膜阴阳两级水分布的不平衡会导致膜本身电阻增加，使局部过热而损坏PEM膜，进而影响燃料电池的工作效率。因此，PEM膜燃料电池需要有效利用阳极生成的水和外部输送的水，充分加湿膜，同时将阴极生成的液态水及时排除，减少对反应流体传输的影响。这些使得PEM膜燃料电池的水热管理变得复杂。目前的固态碱性阴离子交换膜（AlkalineAnionExchangeMembrane，AAEM）燃料电池则相反，阳极的水更多，阴极的水更少。AAEM膜阴阳两级水分布的不平衡也会导致和PEM膜同样的问题，从而影响燃料电池的工作效率。水热管理也同样会变得复杂，如附图1所示。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型复合式燃料电池。这种燃料电池可以充分利用PEM膜阴极水多和AAEM膜阳极水多的特点，使两种膜所产生的水相互补充，从而使膜两级的水分布较为平衡，进而使水热管理变得简单。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

一种复合式燃料电池，包括复合膜、密封垫片、碳板、导电板、耐热绝缘板及紧固装置，其中：

导电板、耐热绝缘板及紧固装置可选用燃料电池领域的常用材料，所述导电板设置在碳板的外侧，用于收集碳板上的电流并对外输出电流；所述绝缘耐热板设置在导电板的外侧，用于使紧固装置和导电板绝缘，防止漏电；所述紧固装置的表面可覆盖绝缘材料，以防止紧固装置和碳板接触而漏电，或者直接采用绝缘材料制备的紧固装置，所述紧固装置用于连接和紧固燃料电池的各个组成部分，选择螺栓/螺母。

所述复合膜中镶嵌有质子交换膜（ProtonExchangeMembrane，PEM）和碱性阴离子交换膜（AlkalineAnionExchangeMembrane，AAEM），每个碱性阴离子交换膜（AAEM）和质子交换膜（PEM）均构成一个单独独立的燃料电池且交错分布，进行反应，并将两种交换膜的阳极位于复合膜的一侧，阴极位于复合膜的另一侧，这样一来，碱性阴离子交换膜（AAEM）阳极生成的水可对质子交换膜（PEM）阳极进行补充，质子交换膜（PEM）阴极生成的水对碱性阴离子交换膜（AAEM）阴极进行补充，复合膜的本体起到绝缘和密封的作用，防止PEM膜和AAEM膜电解质的泄漏。

所述复合膜的本体选择聚酯薄膜。

所述质子交换膜和碱性阴离子交换膜的反应活化面积比为2：1。

所述质子交换膜的数量和碱性阴离子交换膜的数量相等，以构成电极反应生成水的补充，例如1个AAEM和1个PEM组成，2个AEM和2个PEM组成，3个AEM和3个PEM，根据燃料电池的大小适当选择交换膜的数量，并可根据两者的反应活化面积之比进行设计。

为实现这一功能，在碳板上设置有与碱性阴离子交换膜（AAEM）燃料电池和质子交换膜（PEM）燃料电池位置相应的蛇形流道，要保证流体交替经过PEM膜和AAEM膜并且流体开始流入碳板的流道时，在复合膜的阳极一侧要先经过AAEM膜，再经过PEM膜，再经过AAEM膜，再经过PEM膜；在复合膜的阴极一侧要先经过PEM膜，再经过AAEM膜，再经过PEM膜，再经过AAEM膜。在整个蛇形流道的外围设有密封橡胶圈的槽道，内置密封橡胶圈；相邻的膜之间的对应的蛇形流道是相通的，并利用设有密封橡胶圈的槽道进行分割，碳板上蛇形流道的分布与复合膜上交换膜的位置分布相对应。

所述蛇形流道和设有密封橡胶圈的槽道通过机械加工方法直接在碳板表面进行加工而成，例如刻蚀。

所述设置在碳板上的密封橡胶圈的作用是防止流道中流体（例如燃料、气体和电极反应生成的水）的泄漏，所述密封橡胶圈外围放有密封垫片，所述密封垫片覆盖除蛇形流道之外的碳板表面，用于进一步密封和防止复合膜两侧的碳板接触导致短路。所述复合膜和碳板表面的蛇形流道相接触。

组装成为燃料电池后，在进行工作时，在复合膜的阳极和阴极两侧，流体以一定速度经过入口进入蛇形流道，并进入扩散层(GasDiffusionLayer,GDL)和催化层(CatalystLayer,CL)，最终进入膜并发生电化学反应产生H₂O，电能和热能。产生的电能和电能通过CL、GDL、碳板和极板导出，产生的H₂O经过CL和GDL到达流道中，然后被流体从水多的部分带到水少的部分，从而达到水管理自优化的作用。

所述流体在阳极一侧选择燃料，例如甲醇、氢气；在阴极一侧选择氧气或者空气。所述两侧流体的速度选择等速，或者按照化学反应计量比进行调整。

与现有技术相比，本发明的技术方案将PEM膜和AAEM膜在一起使用，将PEM膜和AAEM膜的相同的电极放置在同一面。通过水热管理，该新型燃料电池膜可以利用PEM膜阴极生成的水补充AAEM阴极消耗的水，同样可以利用AAEM膜阳极的生成水补充PEM膜阳极加湿所需的水。本发明在充分考虑现有技术的基础上（质子交换膜燃料电池和固态碱性阴离子交换膜燃料电池）可直接使用现有技术中的交换膜及其相应的组件进行自装（导电板、螺栓、耐热绝缘板），并具有如下优点：（1）与PEM膜燃料电池和AAEM膜燃料电池相比实现了较为简单的水热管理，具有水管理自由化的特点，更适合被动式燃料电池和微型燃料电池；（2）与PEM膜燃料电池相比，贵重催化剂的使用少，排放低，化学反应速率快，功率密度高，启动迅速，对氢气替代燃料（如甲醇、乙醇、二甲醚）实用性强，耐腐蚀性高；（3）与AAEM膜燃料电池相比，二氧化碳适应性高，功率输出高，电阻小，耐久性高；（4）无需生产新的燃料电池膜，结构简单，加工方便且成本较低。

附图说明

图1为PEM膜和AAEM膜燃料电池工作原理示意图。

图2为本发明的新型复合式燃料电池工作原理示意图。

图3为本发明的新型复合式燃料电池的复合膜的平面结构示意图。

图4为本发明的新型复合式燃料电池的复合膜的剖面示意图。

图5为本发明的新型复合式燃料电池的碳板结构示意图，其中A和B分别为流体的进出口。

图6为本发明的新型复合式燃料电池密封垫片结构示意图。

图7为本发明的新型复合式燃料电池导电板结构示意图。

图8为本发明的新型复合式燃料电池绝缘耐热板结构示意图。

图9为本发明的新型复合式燃料电池组装结构示意图。

图10为利用本发明的技术方案测得燃料电池极化曲线图，其中A代表单独使用PEM膜的燃料电池，B代表单独使用AAEM膜的燃料电池，C代表本新型复合式燃料电池。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

本发明的技术方案是PEM膜燃料电池和AAEM膜燃料电池的改进，利用两种燃料电池在阴阳极各自生成水量的不同，将相邻的PEM膜燃料电池和AAEM膜燃料电池组成循环，如图3所示。复合膜以聚酯薄膜为主体，其上设置有PEM膜燃料电池和AAEM膜燃料电池，是两者交错分布，以聚酯薄膜起到绝缘和密封的作用，防止PEM膜和AAEM膜电解质的泄漏。从图4所示，在聚酯薄膜上设置燃料电池的PEM膜和AAEM膜时，将碱性阴离子交换膜（AAEM）燃料电池的阳极和质子交换膜（PEM）燃料电池的阳极同时设置在复合膜的一侧，将两种燃料电池的阴极同时设置在复合膜的另一侧。每个碱性阴离子交换膜（AAEM）和质子交换膜（PEM）均构成一个单独独立的燃料电池，进行反应，由于两种燃料电池的阳极位于复合膜的一侧，阴极位于复合膜的另一侧，这样一来，碱性阴离子交换膜（AAEM）阳极生成的水可对质子交换膜（PEM）阳极进行补充，质子交换膜（PEM）阴极生成的水对碱性阴离子交换膜（AAEM）阴极进行补充。

为实现这一功能，如图5所示，在碳板上设置有与碱性阴离子交换膜（AAEM）燃料电池和质子交换膜（PEM）燃料电池位置相应的蛇形流道，要保证流体交替经过PEM膜和AAEM膜并且流体开始流入碳板的流道时，在复合膜的阳极一侧要先经过AAEM膜，再经过PEM膜，再经过AAEM膜，再经过PEM膜；在复合膜的阴极一侧要先经过PEM膜，再经过AAEM膜，再经过PEM膜，再经过AAEM膜，即在阳极碳板，A为进口，B为出口；在阴极碳板，B为进口，A为出口。在整个蛇形流道的外围设有密封橡胶圈的槽道，内置密封橡胶圈；相邻的膜之间的对应的蛇形流道是相通的，并利用设有密封橡胶圈的槽道进行分割，碳板上蛇形流道的分布与复合膜上交换膜的位置分布相对应。具体来说，以四个交换膜为例，碱性阴离子膜及催化层和扩散层1，碱性阴离子膜及催化层和扩散层3，质子交换膜及催化层和扩散层2，质子交换膜及催化层和扩散层4，通过设有密封橡胶圈的槽道将蛇形流道分割为四个部分，以与上述四块交换膜的位置相适应，从流体运动方向来看，在阳极一侧，由1到2，再由2到3，最后由3到4；在阴极一侧，由4到3，再由3到2，最后由2到1。

碳板的外侧放有导电板，其形状如图7所示，导电板的作用是收集碳板上的电流并对外输出电流。导电板的外侧放有绝缘耐热板，其形状如图8所示，绝缘耐热板的作用是使螺栓和导电板绝缘，防止螺栓漏电。螺栓的表面覆盖绝缘材料，表面覆盖绝缘材料的作用是防止螺栓和碳板、导电板接触而漏电或者直接采用绝缘材料制备的螺栓，最后按照附图9所示方式将上述部件进行组装，使用螺栓/螺母将各个组成部分进行固定和加紧，其中碳板、导电板、耐热绝缘板可选用燃料电池领域的常见材料。

实施例1

下面为本发明的具体实施例：

本实施例以甲醇为燃料，分别对单独使用PEM膜的燃料电池，单独使用AAEM膜的燃料电池和本发明的新型复合式燃料电池进行实验。本新型复合式燃料电池中，选择附图3－5所示的结构，分别选择两块交换膜以形成复合燃料电池，碱性阴离子膜及催化层和扩散层1，碱性阴离子膜及催化层和扩散层3，质子交换膜及催化层和扩散层2，质子交换膜及催化层和扩散层4。PEM膜部分采用

117膜，阳极催化剂采用碳基铂钌合金，阴极催化剂采用碳基铂，总反应活化面积为8.167cm²。AAEM膜部分采用A201膜，其厚度做成和

117膜相同，阳极催化剂采用碳基铂，阴极催化剂采用碳基铂，总反应活化面积为4.083cm²。PEM膜和AAEM膜总反应活化面积比为2:1，AAEM膜和PEM膜的催化层和扩散层均为多孔介质材料。

所测量的工况：温度333K，压力：2atm，阳极甲醇供给速率和浓度：5ml/min和1mol/L。阴极空气供给速率：150ml/min，即甲醇作为阳极的流体，空气作为阴极的流体，分别从阳极一侧和阴极一侧的蛇形管道进口通入。

由测得结果附图10可以看出，本新型复合式燃料电池的性能和单独使用PEM膜燃料电池、单独使用AAEM膜燃料电池非常接近；在大电流密度输出的情况下，即电流密度介于0.18A/cm²和0.26A/cm²时，本新型复合式燃料电池的性能要优于其他两种燃料电池。

实施例2

本实施例测试了，不同的电流密度下，以甲醇和氢气作为燃料时（即分别以甲醇和氢气作为阳极流体，以空气为阴极流体），单独使用PEM膜燃料电池，阳极需要加湿的水量和阴极需要排走的水量；单独使用AAEM膜燃料电池，阴极需要加湿的水量和阳极需要排走的水量以及本新型复合式燃料电池中对应部分需要加湿的水量和排走的水量。

以甲醇为燃料时，数据如下：

表1 被测燃料电池需要加湿的水量(g/s)

表2 被测燃料电池需要排走的水量(g/s)

从以上数据中可以看出，本新型复合式燃料电池本身几乎不需要加湿，简化了燃料电池的外部设备，使得本新型复合式燃料电池更适合微型和被动式燃料电池；本新型复合式燃料电池中，对应的PEM膜阴极部分需要排走的水量减少近84%，对应的AAEM膜阳极部分几乎不需要排水，使得本新型复合式燃料电池基本上解决了燃料电池的水淹问题。

以氢气为燃料时，数据如下：

表3 被测燃料电池需要加湿的水量(g/s)

表4 被测燃料电池需要排走的水量(g/s)

从以上数据中可以看出，本新型复合式燃料电池本身几乎不需要加湿，简化了燃料电池的外部设备，使得本新型复合式燃料电池更适合微型和被动式燃料电池；本新型复合式燃料电池中，对应的PEM膜阴极部分需要排走的水量减少近84%，对应的AAEM膜阳极部分需要排走的水量减少近91%，使得本新型复合式燃料电池基本上解决了燃料电池的水淹问题。因此，本新型复合式燃料电池能够实现水管理的自优化。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种复合式燃料电池，包括复合膜、密封垫片、碳板、导电板、耐热绝缘板及紧固装置，其特征在于，

所述复合膜中镶嵌有质子交换膜和碱性阴离子交换膜，每个碱性阴离子交换膜和质子交换膜均构成一个单独独立的燃料电池且交错分布，所述两种交换膜的阳极位于复合膜的一侧，阴极位于复合膜的另一侧；

在所述碳板上设置有与碱性阴离子交换膜和质子交换膜位置相应的蛇形流道，以保证流体交替经过碱性阴离子交换膜和质子交换膜，并且流体开始流入碳板的蛇形流道时，在复合膜的阳极一侧要先经过AAEM膜，再经过PEM膜；在复合膜的阴极一侧要先经过PEM膜，再经过AAEM膜，以使碱性阴离子交换膜阳极生成的水对质子交换膜阳极进行补充，质子交换膜阴极生成的水对碱性阴离子交换膜阴极进行补充。

2.根据权利要求1所述的一种复合式燃料电池，其特征在于，在整个蛇形流道的外围设有密封橡胶圈的槽道，内置密封橡胶圈，用于防止蛇形流道中流体的泄漏；相邻的膜之间的对应的蛇形流道是相通的，并利用设有密封橡胶圈的槽道进行分割，碳板上蛇形流道的分布与复合膜上交换膜的位置分布相对应。

3.根据权利要求1或者2所述的一种复合式燃料电池，其特征在于，所述复合膜的本体起到绝缘和密封的作用，防止碱性阴离子交换膜和质子交换膜中电解质的泄漏。

4.根据权利要求3所述的一种复合式燃料电池，其特征在于，所述复合膜的本体为聚酯薄膜。

5.根据权利要求1或者2所述的一种复合式燃料电池，其特征在于，所述质子交换膜的数量和碱性阴离子交换膜的数量相等。

6.根据权利要求1或者2所述的一种复合式燃料电池，其特征在于，所述质子交换膜和碱性阴离子交换膜的反应活化面积比为2：1。

7.根据权利要求1或者2所述的一种复合式燃料电池，其特征在于，所述蛇形流道和设有密封橡胶圈的槽道通过机械加工方法直接在碳板表面进行加工而成。

8.根据权利要求1或者2所述的一种复合式燃料电池，其特征在于，所述密封垫片覆盖除蛇形流道之外的碳板表面，用于进一步密封和防止复合膜两侧的碳板接触导致短路，所述复合膜和碳板表面的蛇形流道相接触；所述导电板设置在碳板的外侧，用于收集碳板上的电流并对外输出电流；所述绝缘耐热板设置在导电板的外侧，用于使紧固装置和导电板绝缘，防止漏电；所述紧固装置的表面可覆盖绝缘材料，以防止紧固装置和碳板接触而漏电，或者直接采用绝缘材料制备的紧固装置，所述紧固装置用于连接和紧固燃料电池的各个组成部分。

9.利用如权利要求1所述的复合式燃料电池进行水管理的方法，其特征在于，所述流体在阳极一侧选择燃料，在阴极一侧选择氧气或者空气，通过流体在复合膜的阳极和阴极两侧的蛇形流道中的运动，以使碱性阴离子交换膜阳极生成的水对质子交换膜阳极进行补充，质子交换膜阴极生成的水对碱性阴离子交换膜阴极进行补充。

10.根据权利要求9所述的进行水管理的方法，其特征在于，所述阳极和阴极两侧的流体的速度选择等速，或者按照化学反应计量比进行调整。